Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống
1
/ 56 trang
THÔNG TIN TÀI LIỆU
Thông tin cơ bản
Định dạng
Số trang
56
Dung lượng
380 KB
Nội dung
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA VẬT LÍ ______________ NGUYỄN THỊ BÍCH NGHIÊNCỨUCÁCDỤNGCỤBÁNDẪNTHUTÍNHIỆUTRONGHỆTHỐNGTHÔNGTINQUANG KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH QUANG HỌC - QUANG PHỔ VINH - 2009 TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA VẬT LÍ _____________ KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP CHUYÊN NGÀNH QUANG HỌC - QUANG PHỔ NGHIÊNCỨUCÁCDỤNGCỤBÁNDẪNTHUTÍNHIỆUTRONGHỆTHỐNGTHÔNGTINQUANG Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Phú Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Bích Lớp: 46B - Vật lí VINH - 2009 2 MỤC LỤC 3 MỞ ĐẦU: Trang 1 MỤC LỤC: 3 CHƯƠNG I: Giới thiệu chung về họ linh kiện bándẫnthu quang. 5 1- Khái niệm 5 2- Phân loại 5 2.1- Phân loại theo nguyên lí hoạt động. 2.1.1- Các detector nhiệt. 2.1.2- Các detector quang điện 2.2- Phân loại theo vùng sóng bức xạ quang 3- Các vật liệu chế tạo các linh kiện thuquang 7 3.1- Các vật liệu bándẫn và detector ứng dụngthôngtin đường dài 3.2- Các mạng địa phương 3.3- Detector ảnh nhiệt thu sóng dài 3.4- Các Detector tốc độ cao CHƯƠNG II: Một số thông số đặc trưng của họ linh kiện 11 bándẫnthuquang 1- Sự hấp thuquangtrong chất bándẫn 11 1.1- Quá trình hấp thuquangtrongbándẫn có vùng cấm thẳng 4 1.2- Quá trình hấp thutrongbándẫn có vùng cấm không thẳng 2- Hiệu suất lượng tử và độ nhạy phổ 14 2.1- Hiệu suất lượng tử 2.2- Độ nhạy phổ 3- Tỷ số tínhiệu trên nhiễu và độ phân giải 18 4- Thời gian đáp ứng 19 CHƯƠNG III: Các linh kiện bándẫnthutínhiệuquang 22 1- Tế bào quang điện 22 1.1- Cấu tạo 1.2- Nguyên tắc hoạt động 1.3- Những đặc tính quan trọng của tế bào quang điện 1.3.1- Đặc tuyến vôn - ampe 1.3.2- Đặc tuyến năng lượng 1.3.3- Đặc tuyến tần số 2- Quang trở 26 2.1- Cấu tạo 2.2- Nguyến lí hoạt động 2.3- Các đặc tuyến quan trọng của quang trở 2.4- Ứng dung của qung trở 3- Pin mặt trời 29 5 3.1- Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động 3.2- Hiệu suất của pin mặt trời 3.3- Đặc tuyến vôn - ampe của pin mặt trời 4- Photodiot chuyển tiếp P-N 31 4.1- Cấu tạo 4.2- Nguyên lí hoạt động 4.3- Dòng quang điện trong photodiot P-N 5- Photodiot Pin 38 5.1- Cấu tạo 5.2- Nguyên tắc hoạt động 5.3- Dòng quang điện 6- Phôtôdiôt thác lũ 40 7- Phototransitor 42 8- Phôtôđiốt Schottky 44 KẾT LUẬN 45 6 MỞ ĐẦU Thôngtinquang là phương thức dùng ánh sáng để truyền dẫnthông tin. Hệthốngthôngtinquang bao gồm: một đầu phát dùng để mã hoá thôngtin thành tínhiệu ánh sáng, kênh truyền dẫndùng để truyền tínhiệu đến đích, đầu thudùng để tái tạo lại thôngtin từ tínhiệu nhận được. Hiện nay, công nghệ nghiêncứu và ứng dụngcác thiết bị phát và thuquang rất đa dạng, phức tạp và phát triển mạnh mẽ cả về phương diện lý thuyết cũng như thực nghiệm. Tuy nhiên lĩnh vực nghiên cứu, chế tạo linh kiện thu có phần được chú ý hơn so với các linh kiện phát quang. Điều này có lí do khách quan là bên thu có vai trò rất đặc biệt trongcác thiết bị cũng như trongcáchệthốngthôngtin quang. Cácthôngtin bên phía thuquang như: độ nhạy, chất lượng thutín hiệu, sự phát sinh nhiễu có tính quyết định tới tất cả hệthốngthôngtin quang. Cùng với sự phát triển của chất bán dẫn, sự ra đời của dụngcụbándẫn có vai trò rất quan trọng đối với hệthốngthôngtin quang. Để nghiêncứu kỹ hơn về những dụngcụbándẫn được sử dụng để thutinhiệutronghệthốngthôngtin quang, trong luận văn này, chúng tôi đặt vấn đề về “Nghiên cứucácdụngcụbándẫnthutínhiệutronghệthốngthôngtin quang”. Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn gồm 3 chương với các nội dung cơ bản sau: CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỌ LINH KIỆN BÁNDẪNTHUQUANGTrong chương này chúng tôi giới thiệu khái quát về họ linh kiện bándẫnthutínhiệuquang gồm: các phân loại, nguyên lí hoạt động và các linh kiện bándẫndùng để chế tạo cácdụngcụthu quang. 7 CHƯƠNG II: MỘT SỐ THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA HỌ LINH KIỆN BÁNDẪNTHUQUANGTrong chương này chúng tôi đề cập đến cácthông số đặc trưng của họ cácdụngcụbándẫnthutínhiệuquang đó là: thời gian đáp ứng, sự hấp thụquangtrong chất bán dẫn, độ nhạy phổ, hiệu suất lượng tử, tỷ số tínhiệu trên nhiễu và độ phân giải. CHƯƠNG III: CÁC LINH KIỆN BÁNDẪNTHUTÍNHIỆUQUANGTrong chương này chúng tôi giới thiệu một số dụngcụbándẫnthutínhiệuquang điển hình như: tế bào quang điện, quang trở, các phôtôđiôt, phototransistor . Qua đó giới thiệu về cấu tạo, nguyên lí hoạt động và một số thông số đặc trưng của cácdụngcụbándẫnthutínhiệu quang. Trong quá trình học tập và nghiên cứu, mặc dù đã có rất nhiều cố gắng song do điều kiện hạn chế về trình độ và thời gian nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được sự chỉ bảo của các thầy, cô giáo trong khoa cũng như các ý kiến đóng góp của người đọc. Qua đây, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới các thầy, cô giáo đã giảng dạy và giúp đỡ tôi. Đặc biệt xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới TS Nguyễn Văn Phú đã trực tiếp chỉ dẫn nguồn tài liệu tham khảo và tận tình hướng dẫn để tôi hoàn thành khoá được luận này. Vinh, tháng 5 năm 2009 SINH VIÊN THỰC HIỆN Nguyễn Thị Bích 8 CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÁC LINH KIỆN BÁNDẪNTHUQUANG 1- Khái niệm: Các phôtô detector là tên chung thường gọi của các linh kiện thu tách tínhiệu quang, đo thông lượng hay công suất tínhiệuquang bằng cách chuyển đổi năng lượng các photon bị hấp thụ sang các dạng năng lượng khác có thể đo được như: nhiệt năng, quang năng và điện năng . Trong khái niệm rộng hiện nay người ta còn gọi chủng loại linh kiện này với một tên chung khác nữa là sensor quang: là cácdụngcụ nhạy với các bức xạ quang, chúng thu nhận, biến đổi cáctínhiệuquang thành tínhiệu điện. 2- Phân loại: 2.1- Phân loại theo nguyên lí hoạt động Về nguyên lí có thể phân ra 2 họ linh kiện với tên thường dùng là: Các detector nhiệt và detector quang điện. 2.1.1- Các detector nhiệt Các detector nhiệt hoạt động bằng cách chuyển đổi năng lượng photon sang nhiệt. Hoạt động của các detector nhiệt khá chậm vì quá trình chuyển đổi từ năng lượng photon sang nhiệt cần có một thời gian, trong khi đó các ứng dụng ở lĩnh vực quang điện tử cần các quá trình chuyển đổi xảy ra rất nhanh, vì vậy chúng không có vai trò lớn trong lĩnh vực này. 2.1.2- Các detetor quang điện - Các detector quang điện hoạt động trên nguyên lí chuyển đổi hiệu ứng quang điện, ở đó sự hấp thụ photon bởi vật liệu bándẫn đã tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống tạo ra tínhiệuquang điện dưới dạng dòng điện hay điện thế có thể đo được. 9 - Hiệu ứng quang điện có 2 dạng đặc trưng: Hiệu ứng quang điện ngoài và hiệu ứng quang điện trong. Hiệu ứng quang điện ngoài bao gồm quá trình phát xạ điện tử từ bề mặt vật liệu khi bị chiếu sáng còn hiệu ứng quang điện trong chính là quá trình quang dẫn, ở đó các hạt tải bị kích thích không bứt ra khỏi vật liệu mà vẫn ở trong lòng vật liệu bán dẫn. Khi chiếu 1 photon có năng lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm vào bề mặt bándẫn thì quá trình hấp thụ photon xảy ra. Khi hấp thụ 1 photon, 1 điện tử được kích thích từ vùng hoá trị lên vùng dẫn để lại trong vùng hoá trị 1 lỗ trống, ta nói photon đã tạo ra 1 cặp điện tử - lỗ trống khi có trường điện đặt vào linh kiện sẽ có sự chuyển dời các điện tích về 2 cực tạo ra dòng điện ở mạch ngoài, dòng điện này được gọi là dòng quang điện. Bình thường một photo chỉ có thể tạo ra một cặp điện tử - lỗ trống nghĩa là với một lượng photon xác định chỉ có thể tạo ra một dòng điện xác định. Tuy nhiên có một số loại linh kiện thuquang có khả năng hoạt động với cơ chế khuếch đại bên trong nghĩa là dòng quang điện có khả năng được khuếch đại lên nhiều lần do một số cơ chế đặc biệt của detector tạo ra. Linh kiện điển hình có khuếch đại trong là phôtôdiôt thác lũ (APD), quang trở, . - Các detector quang điện có ứng dụng rất rộng rãi trongthôngtin quang, trong đo lường, biến đổi tínhiệu và trong tự động hoá . 2.2- Phân loại theo vùng sóng bức xạ quang. 10 . trọng đối với hệ thống thông tin quang. Để nghiên cứu kỹ hơn về những dụng cụ bán dẫn được sử dụng để thu tin hiệu trong hệ thống thông tin quang, trong luận. NGHIỆP CHUYÊN NGÀNH QUANG HỌC - QUANG PHỔ NGHIÊN CỨU CÁC DỤNG CỤ BÁN DẪN THU TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Văn
Hình 2.1.
Sự hấp thụ vùng - vùng trong bán dẫn có vùng cấm thẳng (a) và (Trang 17)
s
ố hấp thụ của 1 số vật liệu bán dẫn được biểu diễn trên (hình vẽ 4). Tại đây biểu thị các chất bán dẫn có độ hấp thụ trong dải sóng từ 1 - 10 µ m (Trang 18)
Hình 2.2.
Hệ số hấp thụ của một số chất bán dẫn tại nhiệt độ 300K (đường nét (Trang 19)
Hình 2.5
Sự sinh cặp điện tử- lỗ trống trong linh kiện thu (Trang 28)
u
tạo của một tế bào quang điện được mô tả như (hình 3.1) (Trang 31)
bi
ểu thức trên thu được đặc tuyến vôn ampe như (hình 3.2) (Trang 33)
Hình 3.3
Đặc tuyến năng lượng Hình 3.4 Đặc tuyến tần số (Trang 34)
Hình 3.5
a- biểu diễn sự phát Hình 3.5 b- Mạch điện nguyên lí sinh cặp điện tử - lỗ trống của quang trở và tín hiệu (Trang 35)
u
tạo của pin mặt trời có thể được minh hoạ như (hình 3.7a). Để thu được nhiều ánh sáng thì cần phải ghép nhiều tế bào quang điện lại với nhau (Trang 39)
c
ông thức (3.12) đặc tuyến vôn- ampe được biểu điễn trên (hình 3.7b). Khảo sát đặc tuyến ta thấy đối với pin mặt trời khi năng lượng chiếu sáng cỡ 100wm/cm2, khi pin ngắn mạch I0 = 50mA, còn Uoc = 0,5V, điểm làm việc cho công suất cực đại là điểm uốn (Trang 40)
Hình 3.8
a- Lược đồ cấu trúc của photodiot N (Trang 41)
Hình 3.9
Đặc trưng -V thuận và nghịch của phôtôdiôt P-N (Trang 43)
a
có thể thấy đặc trưng -V các phôtôdiôt cố định như (hình 3.10) (Trang 44)
Hình 3.11
Cơ chế phát sinh dòng quang điện trong photodiot P-N (Trang 46)
Hình 3.12
Cấu tạo của phôtôdiôt PIN (Trang 48)
5.2
Nguyên tắc hoạt động (Trang 48)
Hình 3.1
4- Lược đồ cấu trúc APD (Trang 50)
Hình 3.17
Cấu trúc và ký hiệu của phototransistor (Trang 52)
Hình 3.18
Đặc tuyến vôn- ampe của phototransistor (Trang 53)
h
ôtôđiôt schottky có cấu trúc như hình 3.19. Trong phôtôdiôt Schottky (Trang 53)
Hình 3.19
Cấu trúc của phôtôdiôt (Trang 54)