Cảm biến quang và ứng dụng trong điều khiển độ sáng

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH TRẦN KHẮC BÌNH CẢM BIẾN QUANG VÀ ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN ĐỘ SÁNG LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Vinh, 2010 2 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH TRẦN KHẮC BÌNH CẢM BIẾN QUANG VÀ ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN ĐỘ SÁNG Chuyên ngành:QUANG HỌC Mã số: 66.44.11.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: Tiến sĩ, LÊ VIẾT BÁU Vinh, 2010 3 MỤC LỤC Trang Mở đầu 02 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN QUANG 04 1.1. Sự hấp thụ quang trong chất bán dẫn 04 1.1.1. Hệ số hấp thụ 04 1.1.2. Hiệu suất lượng tử 08 1.1.3. Vật liệu chế tạo các cảm biến quang 11 1.2. Một số đặc trưng của các cảm biến quang 12 1.2.1. Tỉ số tín hiệu nhiễu và độ phân giải 12 1.2.2. Thời gian đáp ứng 13 1.2.3. Độ nhạy của cảm biến 15 1.2.4. Độ tuyến tính 17 1.2.5. Sai số và độ chính xác 18 1.2.6. Vùng phổ làm việc 20 1.3. Một số loại cảm biến quang 21 1.3.1. Quang trở 21 1.3.2. Photodiot 25 1.3.3. Phototranzito 34 CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CỦA CẢM BIẾN QUANG TRONG ĐIỀU KHIỂN ĐỘ SÁNG 2.1. Khảo sát sự phụ thuộc của điện trở của cảm biến vào độ sáng 39 2.2. Nghiên cứu mạch ứng dụng 40 2.2.1. Sơ đồ nguyên lý 40 2.2.2. Lắp ráp mạch điện 44 2.2.3. Kết quả và nhận xét 45 TỔNG KẾT CHUNG 4 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Đến nay ai cũng biết rõ các linh kiện điện tử nói chung và các linh kiện quang điện tử nói riêng là nền tảng tạo nên các mạch vi điện tử hiện đại. Nó là các tế bào tạo nên các thiết bị điện tử. Còn các mạch vi điện tử tích hợp cao với tốc độ lớn, các mạch vi điện tử thông minh trên cơ sở các sensor, các mạch vi điện tử quang (OEIC) đã và đang trở thành các “tế bào não” hoặc “bộ não” của các thế hệ máy tính, thiết bị điện tử hiện đại và người máy. Sự phát triển của công ngiệp điện tử truyền thống hiện nay và trong tương lai có lẽ vẫn dựa trên vật liệu bán dẫn đơn chất silic là chủ yếu, công nghệ này đã và đang phát triển mạnh mẽ, hoàn thiện và đang tiến tới kích thước giới hạn nhỏ nhất. Có hai họ các linh kiện quang điện tử cơ bản là họ các linh kiện bán dẫn thu tín hiệu quang(sensor quang) và họ các linh kiện bán dẫn phát quang. Hai họ này đều có vai trò rất quan trọng trong sự phát triển của khoa học - công nghệ, chúng luôn đi liền nhau và cùng phát triển song song với nhau. Việc nghiên cứu các quá trình trong các linh kiện quang điện tử khi hấp thụ phôtôn sẽ hoàn thiện thêm cho ta kho tri thức về sự tương tác quang – vật chất, từ đó làm nền tảng cho việc sáng tạo, thiết kế những thiết bị ứng dụng cho sản xuất và sinh hoạt. Điều này là thực sự cần thiết cho nền kinh tế của nước ta hiện nay, một nền kinh tế nông nghiệp đang tiến tới công nghiệp hiện đại và tự động hóa. Trong phạm vi một luận văn Thạc sĩ, chúng tôi lựa chọn đề tài nghiên cứu:”Cảm biến quang và ứng dụng trong điều khiển độ sáng”. Đây là một dề tài mang tính khởi đầu, đặt nền móng cho các đề tài nghiên cứu về vật lý ứng dụng sau này, đồng thời cũng góp thêm một phần tư liệu cho các ứng dụng của vật lý trong sinh hoạt và sản xuất. 5 2. Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết tính chất quang của vật liệu bán dẫn. - Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của một số cảm biến quang. - Thiết kế và lắp ráp một mạch ứng dụng có sử dụng cảm biến quang. 3. Đối tượng nghiên cứu - Quang trở. - Photođiot. - Phototranzito. 4. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết thông qua giáo trình, tài liệu và các bài giảng điện tử trên web, internet. - Nghiên cứu thực nghiệm: Khảo sát sự phụ thuộc của điện trở linh kiện theo cường độ sáng. - Thiết kế và lắp mạch thực nghiệm. 5. Bố cục của luận văn Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn gồm có hai chương: Chương 1: Trình bày tổng quan về linh kiện thu quang. Những kết quả gần đây về các đặc trưng của họ linh kiện thu quang và cảm biến quang, các quá trình diễn ra do sự trương tác giữa photon và bán dẫn. Nghiên cứu một số loại cảm biến quang quan trọng – quang trở, photodiot, phototranzito, về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và một số ứng dụng của chúng. Chương 2: Nghiên cứu ứng dụng của cảm biến quang trong điều khiển độ sáng. Tiến hành khảo sát thực nghiệm về sự phụ thuộc của điện trở cảm biến và cường độ ánh sáng chiếu tới, vận dụng để thiết kế và lắp ráp mạch điện ứng dụng. Khảo sát sự hoạt động của mạch và so sánh kết quả thực nghiệm với lý thuyết. 6 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ LINH KIỆN THU QUANG Trong chương này chúng tôi trình bày về những các đặc trưng của quá trình diễn ra khi có sự tương tác giữa photon và chất bán dẫn, dựa trên các hiệu ứng này để từ đó chúng tôi đi sâu vào nghiên cứu về các ứng dụng của một số linh kiện bán dẫn. 1.1. Sự hấp thụ quang trong chất bán dẫn Khi có một photon (hay một chùm photon) được chiếu vào bề mặt bán dẫn, phụ thuộc vào năng lượng của photon, nó có thể được hấp thụ làm phát sinh ra một cặp điện tử - lỗ trống trong bán bẫn. Điện tử có thể nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn để lại trong vùng hóa trị một lỗ trống. Quá trình này gọi là quá trình hấp thụ một photon. Để cho một điện tử có trong vùng hóa trị nhảy lên được vùng dẫn thì năng lượng photon ít nhất phải bằng với năng lượng vùng cấm. Đây là hấp thụ vùng – vùng. Còn có một số khả năng hấp thụ khác nữa, ví dụ như khi điện tử không nhảy lên vùng dẫn mà nhảy lên một mức năng lượng của tạp chất có trong vùng cấm (ở bán dẫn pha tạp) hay trong các giếng lượng tử điện tử nhảy từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao ở trong vùng. Trong các quá trình này năng lượng photon không cần cao hơn năng lượng vùng cấm. 1.1.1. Hệ số hấp thụ Quá trình hấp thụ photon là mạnh nhất khi photon có khả năng tác động một cách trực tiếp để một điện tử nhảy thẳng hay nhảy trực tiếp lên vùng dẫn. Quá trình dịch chuyển như thế này có thể thực hiện tại gần mép vùng cấm có cấu trúc thẳng của bán dẫn. Hệ số hấp thụ đối với bán dẫn có vùng cấm thẳng có biểu thức: 7 3/ 2 1/ 2 * 6 1 ( ) ( ) 4.10 g r o E m cm m ω α ω ω − −   ≅  ÷   h h h trong đó * r m là khối lượng hiệu dụng của e-h, ω h là năng lượng của photon, E g là độ rộng vùng cấm, m o là khối lượng của điện tử. Khi bán dẫn có vùng cấm không thẳng, nghĩa là cực đại của vùng hóa trị và cực tiểu của vùng dẫn không nằm tại cùng hệ số sóng k, khi đó sự dịch chuyển theo chiều thẳng đứng k không thể xẩ ra và các điện tử cũng có khả năng hấp thụ chỉ một photon nếu có thêm một phonon tham gia vào quá trình hấp thụ. Các quá trình hấp thụ gián tiếp này trong vùng cấm không thẳng là không mạnh như các quá trình hấp thụ trong vùng cấm thẳng. Lúc này hệ số hấp thụ có dạng: 2 giántiêp 1 ( ( ))( ) o g K K T E α ω = + −h _ Photon _ Photon Phonon Hấp thụ trong bán dẫn vùng cấm thẳng b) Hấp thụ trong bán dẫn vùng cấm không thẳng có sự trợ giúp của phonon (1.1) (1.2) Hình 1.1. Sự hấp thụ photon trong bán dẫn 8 trong đó K 0 là hằng số và K 1 (T) là thừa số phụ thuộc vào nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng thì K 1 (T) sẽ tăng và hệ số hấp thụ tăng vì lúc này mạng dao động mạnh. K 0 và K 1 (T) có giá trị sao cho giá trị của hệ số hấp thụ của bán dẫn không thẳng nhỏ hơn cỡ 100 lần so với bán dẫn thẳng tại cùng một giá trị năng lượng photon với độ lớn tối thiểu bằng giá trị vùng cấm (ћω > E g ) Từ phương trình (1.2) ta thấy rằng hệ số hập thụ quang sẽ bằng 0 khi năng lượng của photon bằng năng lượng vùng cấm và bước sóng photon khi hệ số hấp thụ bằng 0 gọi là bước sóng cắt (λ C ). Từ đó có thể suy ra tần số cắt như sau: 1,24 ( ) ( ) C g g hc m E E eV λ µ = = Hình 1.2 biểu thị hệ số hấp thụ và độ xuyên sâu của photon một cách khá chi tiết của một số bán dẫn vùng cấm thẳng và không thẳng thường dùng trong chế tạo photodetector tại vùng bước sóng vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại gần. Từ hình vẽ cũng có thể suy ra được tần số cắt của các bán dẫn này. Trong thiết kế chế tạo detector rất cần biết độ xuyên sâu của photon để từ đó có thể tính toán thiết kế độ dày của các lớp bán dẫn. Hình 1.3 mô tả chi tiết độ xuyên sâu của photon trong vật liệu bán dẫn tại hai nhiệt độ 78K và 300K. Ví dụ tại bước sóng λ = 0,9 μm độ xuyên sâu của photon là khoảng 20 μm tại 300K, còn tại 78K thì độ xuyên sâu khá lớn. (1.3) 9 CdS (0,51 Μm) Ga 30 In 70 As 64 P 36 (1,4 μm) 10 -2 10 -2 1 10 1 10 2 10 3 10 6 10 5 10 4 10 3 10 2 10 1 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 Bước sóng λ (μm) 3,0 2,0 1,5 1,0 0,75 Ge (λ C = 1,24/E q = 1,88μm) α - Si (0,82 μm) Si (1,1 μm) GaAs (0,87 μm) hυ (eV) Hình 1.2. Hệ số hấp thụ của một số bán dẫn quan trọng[2] 10 Trong các photodetector không thuần, vật liệu bán dẫn được pha bởi một số tạp chất đặc biệt, có mức tâm nông để đảm bảo cho các mức năng lượng có thể tồn tại rtong vùng cấm. Khi các điện tử bị kích thích bởi các photon có năng lượng nhỏ hơn vùng cấm, chúng có thể nhảy lên các mức năng lượng có trong vùng cấm này. Với quá trình này vật liệu bán dẫn cũng hấp thụ photon có năng lượng nhỏ và dựa trên cơ sở này người ta chế tạo ra các detector không thuần. Các photodetector không thuần này tạo thành một nhóm detector quan trọng đối với quá trình thu bức xạ sóng dài. Năng lượng ức xạ có khả năng nhỏ hơn nhiều so với vùng cấm. Trong thực tế detector không thuần có thể hoạt động đến tận bước sóng 120 μm tại nhiệt độ thấp khi vật liệu được pha một số nguyên tử tạp chất vào Si và Ge. 0.35 0.45 0.55 0.65 0.75 0.85 0.95 1.05 1.15 10000 1000 100 10 1 0.1 Bước sóng, λ (μm) D = 1/α, Độ sâu xâm nhập trung bình (μm) Hình 1.3. Độ xuyên sâu của photon trong vật liệu bán dẫn Si dùng trong thiết kế detector[2]