Tính chất đặc trưng và một số ứng dụng của phôtôđiốt

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: TÍNH CHẤT ĐẶC TRƯNG VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA PHÔTÔĐIỐT Sinh viên thực hiện : NGUYỄN VĂN SỬ Lớp : 48K ĐTVT Giảng viên hướng dẫn : TS. LƯU TIẾN HƯNG NGHỆ AN, 02-2012 1 LỜI CẢM ƠN Là một sinh viên năm cuối của trường Đại Học Vinh thân yêu. Em rất hân hoan trước ngày được nhận đồ án tốt nghiệp đại học. Để hoàn thành xong tốt đồ án tốt nghiệp này em đã được sự quan tâm giúp đỡ, hướng dẫn rất nhiệt tình của thầy giáo TS. Lưu Tiến Hưng. Cùng sự quan tâm của các thầy cô giáo trong khoa Điện Tử - Viễn Thông và các bạn trong lớp 48K- ĐTVT của trường Đại Học Vinh. Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS. Lưu Tiến Hưng đã hướng dẫn em rất tận tình, chỉ bảo, cung cấp nhiều tài liệu, thiết bị cơ sở vật chất liên quan cho đồ án tốt nghiệp và đưa ra những lời khuyên hữu ích để em nhanh chóng hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp. Cảm ơn các thầy, cô giáo trong khoa Điện Tử - Viễn Thông, cùng các bạn trong lớp 48K-ĐTVT đã giúp đỡ mọi mặt trong thời gian vừa qua. Trong quá trình hoàn thành đồ án mặc dù đã có rất nhiều cố gắng nhưng do tầm hiểu biết và điều kiện thực hiện đề tài là có hạn. Do đó sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được sự góp ý, phê bình, chỉ dẫn của quý thầy cô, các bạn sinh viên và bạn đọc để đề tài này được hoàn thiện hơn. Vinh, ngày … tháng … năm 2012 Sinh viên thực hiện Nguyễn Văn Sử 2 MỤC LỤC Lời cảm ơn………………………… …………….…………………………… 1 Mục lục………………………………… .… ……………………………… . 2 Danh mục các hình vẽ…………… ….………………………………… 5 Danh mục các bảng biểu…………………………….……………………… 7 Mở đầu……………………………………………… ……………………… 8 Chương I . Tổng quan về Phôtôđiốt ….…………………………………. … 10 1.1. Định nghĩa, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Phôtôđiốt…………… 10 1.2. Định nghĩa……………………………………………………………… 10 1.3. Cấu tạo………………………………………………………………… 10 1.4. Nguyên lý hoạt động của phôtôđiốt…………………………………… 11 1.5. Phân loại phôtôđiốt……………………………………………………… 16 1.6. Phôtôđiốt PN…………………………………………………………… 16 1.7. Phôtôđiốt PIN………………………………………………………… 17 1.8. Phôtôđiốt thác lũ (Avalanche phôtôđiốt –APD)……………………… . 18 1.9. Phôtôđiốt Schottky……………………………………………………… 20 1.10. Một số tính chất đặc trưng của phôtôđiốt……………………………… 21 1.11. .Hiệu suất lượng tử……………………………………………………… .21 1.12. Đặc trưng độ nhậy phổ…………………………………………… . 22 1.13. Đặc trưng I-V tối sáng……………………………………………… 25 1.14. Dòng tối của phôtôđiốt……………………………………………… 25 1.15. Dòng quang điện trong phôtôđiốt…………………………………… 27 1.16. Đặc trưng C-V ngược……………………………………………………29 1.17. Nhiễu của phôtôđiốt…………………………………………………… 30 1.17.1. Hiệu ứng nhiệt độ………………………………………………… 32 1.17.1.1. Điện trở shunt và dòng tối…………………………………………… 32 3 1.17.1.2. Điện áp đánh thủng…………………………………………………. 33 1.17.2. Sự phân cực…………………………………………………… 33 1.17.1.3. Chế độ Photoconductive(PC)……………………………………… 33 1.17.1.4. Chế độ Photovoltaic (PV)……………………………………………. 36 Kết luận chương…………………………………………………………… 38 Chương II. Một vài ứng dụng điển hình của Phôtôđiốt………………… 39 2.1. Đồng hồ đo hấp thụ ánh sáng…………………………………………… 39 2.2. Cảm biến ánh sáng bằng cách sử dụng khuếch đại thuật toán tốc độ cao……………………………………………………………………… 40 2.3. Đo tổng phát xạ của đèn LED…………………………………………… 40 2.4. Máy dò tia X…………………………………………………………… 41 2.4.1. Nguyên lý làm việc……………………………………………………… 42 2.4.2. Các thông số kỹ thuật XR-100CR……………………………………… 43 2.4.3. Sử dụng ống trực chuẩn………………………………………………… 44 2.4.4. Chế độ làm việc chân không…………………………………………… 45 2.4.5. Đường cong hiệu suất……………………………………………… 45 2.5. Một số ứng dụng khác…………………………………………………… 46 Kết luận chương…………………………………………………………… . 47 Chương III. Thiết kế, lắp ráp mạch đóng ngắt tự động dùng Phôtôđiốt Silíc PD204-6C…………………………………………………………………… 48 3.1. Mục đích, yêu cầu……………………………………………………… 48 3.2. Phương án thiết kế……………………………………………………… 48 3.3. Sơ đồ nguyên lý và nguyên lý hoạt động mạch………………………… 54 3.3.1. Sơ đồ nguyên lý mạch………………………………………………… 54 3.3.2. Nguyên lý hoạt động…………………………………………………… 55 3.4. Kết quả và nhận xét…………………………………………………… . 60 Kết luận chương……………………………………………………………… 60 4 KẾT LUẬN…………………………………………………………………… 61 Tài liệu tham khảo………………………………………………………… 62 5 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Cấu trúc của một phôtôđiốt silíc điển hình…………………………… 11 Hình 1.2. Cơ chế các cặp hạt tải và tạo thành dòng quang điện trong phôtôđiốt khi có nguồn sáng chiếu vào………………………………………………………… 13 Hình 1.3. Đặc trưng I-V của phôtôđiốt với các cường độ chiếu sáng khác nhau ………………………………………………………………………………… 15 Hình 1.4. Cấu trúc của một phôtôđiốt PIN……………………………………….… 17 Hình 1.5. Cơ chế nhân thác lũ trong APD………………………………………… 19 Hình 1.6. Cấu trúc của phôtôđiốt Schottky………………………………… 21 Hình 1.7. Phổ độ nhậy của phôtôđiốt Silíc phụ thuộc vào bước sóng theo lý thuyết và thực nghiệm……………………………………………………………… 23 Hình 1.8. Đặc trưng độ nhậy phổ điển hình của một vài loại phôtôđiốt planar……………………………………………………………………………………. 24 Hình 1.9. Mạch ví dụ hoạt động chế độ photoconductive: Mức ánh sáng thấp/ Dải thông rộng……………………………………………… 34 Hình.1.10. Mạch ví dụ về sự hoạt động của chế độ photoconductive……………………………………………………………………… 35 Hình 1.11. Mạch ví dụ hoạt động chế độ photovoltaic…………………………… 36 Hình 1.12. Mạch ví dụ về mảng của phôtôđiốt……………………………………. 38 Hình 2.2. Sơ đồ mạch cảm biến ánh sáng bằng cách sử dụng thuật toán tốc độ cao…………………………………………………………………………… 40 Hình 2.3. Sơ đồ mạch đo tổng phát xạ của đèn LED……………………………. 41 Hình 2.4. Bộ tùy chọn mở rộng máy dò XR-100CR…………………………… 41 Hình 2.5. Biểu diễn hiệu suất năng lượng máy đầy đủ dò XR- 100CR……………………………………………………………………………………. 45 6 Hình 2.6. Biểu diễn xác suất của một photon trải qua bất kỳ sự tương tác, cùng với xác suất của một sự tương tác quang điện mà kết quả có trong tổng năng lượng tích tụ…………………………………………………………………………… 46 Hình 3.1. a-Sơ đồ quy ước bộ so sánh…………………………………………… 50 b-Đặc tuyến truyền đạt lý tưởng……………………………………… 50 c-Đặc tuyến truyền đạt thực…………………………………………….50 Hình 3.2. Dạng so sánh trong mạch thực tế………………………………… 51 Hình 3.3. Đặc tuyến truyền đạt thực……………………………………………… 51 Hình 3.4. Sơ đồ điển hình của mạch điều khiển công suất……………………… 52 Hình 3.5. Sơ đồ nguyên lý của IC OP.MA741……………………………… 52 Hình 3.6. Các đường đặc tuyến cơ bản của phôtôđiốt silíc PD204- 6C………………………………………………………………………………………… 54 Hình 3.7. Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển ánh sáng tự động sử dụng phôtôđiốt silíc PD204-6C…………………………………………………………………………. 54 Hình 3.8. Sơ đồ nguyên lý mạch điều chỉnh ánh sáng phát………………………. 56 Hình 3.9. Hình ảnh kết quả thí nghiệm bộ điều khiển ánh sáng tự động sử dụng Phôtôđiốt PD204-6C………………………………………………………………… . 58 Hình 3.10. Hình ảnh bộ thí nghiệm khi không có ánh sáng tác động vào phôtôđiốt…………………………………………………………………………… 59 Hình 3.11. Hình ảnh bộ thí nghiệm khi có ánh sáng tác động vào phôtôđiốt………………………………………………………………………………… 59 7 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1. Độ nhậy phổ của phôtôđiốt Silíc lý tưởng phụ thuộc vào bước sóng…………………………………………………………………. ………. 25 8 MỞ ĐẦU Vào đầu những năm 1980 có rất nhiều loại linh kiện quang bán dẫn ra đời, nó bắt đầu xác định chỗ đứng vững chắc và dần dần giữ vai trò quyết định trong lĩnh vực phát triển các hệ thống thông tin quang mới tiếp theo trong tương lai. Chúng là những phần tử rất quan trọng trong các ngành kỹ thuật như truyền tin, đo lường, điều khiển tự động…Trong các linh kiện đó, Phôtôđiốt là một linh kiện thu quang có rất nhiều ứng dụng trong khoa học và công nghệ cũng như trong thực tiễn. Người ta sử dụng Phôtôđiốt để làm các loại detector trong những thiết bị đo đạc các thông số trong môi trường, trong công nghệ sinh học,trong y học, trong các ngành công nghiệp… Phôtôđiốt cũng là dụng cụ không thể thiếu trong thông tin quang, trong kĩ thuật tự động hóa…Nhờ những thành tựu mới trong khoa học vật liệu mà các đặc trưng quang học của Phôtôđiốt ngày càng được nâng cao một cách đáng kể như : hiệu suất lượng tử. Thời gian đáp ứng phổ… Tuy nhiên, trong khuôn khổ chương trình đào tạo, các hiểu biết về Phôtôđiốt mà đặc biệt là khả năng ứng dụng của chúng chưa được tìm hiểu và nghiên cứu một cách đầy đủ. Từ những lý do trên em chọn đề tài cho đồ án này là :”Tính chất đặc trưng và một số ứng dụng của Phôtôđiốt”. Nội dung của đồ án, ngoài phần mở đầu và phần kết luận, được trình bày trong ba chương: Chương I: Tổng quan về Phôtôđiốt Trong chương này em trình bày tổng quan về định nghĩa, cấu tạo, nguyên lý hoạt động, phân loại và một số tính chất đặc trưng của phôtôđiốt Chương II: Một vài ứng dụng điển hình của Phôtôđiốt Trong chương này em trình bày các ứng dụng đặc trưng và tiêu biểu của phôtôđiốt trong thực tế cuộc sống. 9 Chương III: Thiết kế, lắp ráp mạch đóng ngắt tự động dùng Phôtôđiốt Silíc PD204-6C Trong chương này em trình bày về sơ đồ nguyên lý mạch mô phỏng, nguyên lý hoạt động và thiết kế, lắp ráp thành công mạch đóng ngắt tự động dùng Phôtôđiốt Silíc PD204-6C Mục đích của đồ án là giới thiệu tổng quan về cấu trúc và nguyên lý hoạt động của Phôtôđiốt. Đồ án cũng trình bày các tính chất đặc trưng cơ bản và một số ứng dụng của chúng. Phần cuối cùng đồ án trình bày cơ sở lý thuyết và kết quả thực nghiệm khi lắp ráp mạch sử dụng Phôtôđiốt Silíc. 10 . dựa vào đặc trưng cấu trúc và đặc trưng đáp ứng phổ của chúng. Cuối cùng chúng em giới thiệu và phân tích một số tính chất đặc trưng cơ bản của Phôtôđiốt. Chương II: Một vài ứng dụng điển hình của Phôtôđiốt Trong chương này em trình bày các ứng dụng đặc trưng và tiêu biểu của phôtôđiốt trong thực tế cuộc sống.