Bài giảng Cấu kiện điện tử và quang điện tử: Chương 8

BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ

CHƯƠNG 8 CẤU KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ

1. GIỚI THIỆU 2. CÁC CẤU KIỆN BIẾN ĐỔI ĐIỆN – QUANG

2.1 Điôt phát quang (LED) 2.2 Laser bán dẫn 2.3 Mặt chỉ thị tinh thể lỏng (LCD)

3. CÁC CẤU KIỆN CHUYỂN ĐỔI QUANG – ĐIỆN

3.1 Điện trở quang 3.2 Điôt quang 3.3 Transistor quang lưỡng cực

4. CÁC BỘ GHÉP QUANG (OPTO- COUPLERS)

www.ptit.edu.vn Trang 1 GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ

Giới thiệu chung (1)

1. Khái niệm chung về kỹ thuật quang điện tử a. Định nghĩa về kỹ thuật quang điện tử: (cid:190) Quang điện tử là những hiệu ứng tương hỗ giữa bức xạ ánh sáng và mạch điện tử. Bức xạ ánh sáng là một dạng của bức xạ điện từ có dải tần số dao động rất cao (λ = 50nm ÷ 100μm)

(cid:190) Các bức xạ quang được chia ra thành ba vùng: – Vùng cực tím có λ = 50nm ÷ 380nm. – Vùng ánh sáng nhìn thấy có λ = 380nm ÷ 780nm. – Vùng hồng ngoại có λ = 780nm ÷ 100μm.

www.ptit.edu.vn Trang 2 GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ

Giới thiệu chung (2)

b. Phân loại linh kiện quang điện tử:

(cid:131) Linh kiện quang điện tử gồm có linh kiện bán dẫn quang điện tử và linh kiện không bán dẫn quang điện tử (cid:131) Linh kiện bán dẫn quang điện tử: là những linh kiện được chế tạo từ vật liệu bán dẫn như điện trở quang, điôt quang, tranzito quang, LED, LASER bán dẫn,v.v.. (cid:131) Linh kiện không phải bán dẫn quang điện tử: như sợi quang dẫn, mặt chỉ thị tinh thể lỏng LCD, ống nhân quang v.v..

www.ptit.edu.vn Trang 3 GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ

Giới thiệu chung (3)

2. Hệ thống truyền dẫn quang

Sơ đồ khối của các hệ thống thông tin:

Tín hiệu

thu

Sợi đồng

Nguồn tín hiệu Mạch điện tử

Khối điều chế

Khối giải điều chế

Mạch điện tử

a. Hệ thống thông tin điện

Tín hiệu thu

Mạch

Khối

Nguồn tín hiệu Mạch điện tử

Khối E/ O O/ E điện tử

Sợi quang

b. Hệ thống thông tin quang

Hình 8-1: a. Hệ thống thông tin điện . b. Hệ thống thông tin quang.

www.ptit.edu.vn Trang 4 GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ

Giới thiệu chung (4)

Ưu điểm của hệ thống truyền dẫn quang: (cid:190) Sợi quang nhỏ, nhẹ hơn dây kim loại, dễ uốn cong, tốn ít vật liệu (cid:190) Sợi quang chế tạo từ thuỷ tinh thạch anh không bị ảnh hưởng của nước, axit, kiềm nên không bị ăn mòn. Đồng thời, sợi là chất điện môi nên cách điện hoàn toàn, tín hiệu truyền trong sợi quang không bị ảnh hưởng của nhiễu bên ngoài tới và cũng không gây nhiễu ra môi trường xung quanh

(cid:190) Đảm bảo bí mật thông tin, không sợ bị nghe trộm (cid:190) Khả năng truyền được rất nhiều kênh trong một sợi quang có đường kính rất nhỏ. Tiêu hao nhỏ và không phụ thuộc tần số nên cho phép truyền dẫn băng rộng và tốc độ truyền lớn hơn nhiều so với sợi kim loại (cid:190) Giá thành rất rẻ

www.ptit.edu.vn Trang 5 GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ

Các cấu kiện biến đổi Điện – Quang

(Cấu kiện phát quang)

(cid:190) Sự tương tác giữa ánh sáng và vật chất

Sự tương tác giữa ánh sáng và vật chất gồm có 3 quá trình: quá trình hấp thụ, quá trình phát xạ tự phát và quá trình phát xạ kích thích

b. Quá trình phát xạ tự phát

c. Quá trình phát xạ kích thích

a. Quá trình hấp thụ =

i EE −

Ei: Mức năng lượng kích thích

Hình 8- 2: Ba quá trình chủ yếu của sự tương tác giữa ánh sáng và vật chất

www.ptit.edu.vn Trang 6 GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ

Sự tương tác giữa ánh sáng và vật chất (cid:190) Quá trình hấp thụ: quá trình mà tại đó khi có một photon tương tác với vật chất thì một điện tử ở mức năng lượng cơ bản Ek sẽ nhận thêm năng lượng của photon (quang năng) và nhảy lên mức năng lượng kích thích Ei (cid:190) Quá trình phát xạ tự phát: quá trình mà các điện tử nhảy lên mức năng lượng kích thích Ei, nhưng chúng nhanh chóng trở về mức năng lượng cơ bản Ek và phát ra photon có năng lượng hν. Mỗi một phát xạ tự phát ta thu được một photon. Hiện tượng này xảy ra không có sự kích thích bên ngoài nào → gọi là quá trình phát xạ tự phát. Phát xạ này đẳng hướng và có pha ngẫu nhiên (cid:190) Quá trình phát xạ kích thích: Nếu có một photon có năng lượng hν tới tương tác với vật chất mà trong lúc đó có một điện tử đang còn ở trạng thái kích thích Ei, thì điện tử này được kích thích và ngay lập tức nó di chuyển trở về mức năng lượng cơ bản Ek và phát xạ ra một photon khác có năng lượng cũng đúng bằng. Photon mới phát xạ ra này có cùng pha với photon đi đến và được gọi là phát xạ kích thích (hay phát xạ cảm ứng)

www.ptit.edu.vn Trang 7 GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ

Điôt phát quang (LED) chỉ thị (1)

• Điôt phát quang là linh kiện bán dẫn quang điện tử. Nó có khả năng phát ra ánh sáng khi có hiện tượng tái hợp xảy ra trong tiếp xúc P-N. • Tuỳ theo vật liệu chế tạo mà ta có ánh sáng bức xạ ra ở các vùng bước sóng khác nhau • Trong mục này ta sẽ trình bày trước hết về LED bức xạ ra ánh sáng nhìn thấy gọi là LED chỉ thị. • LED chỉ thị có ưu điểm là tần số hoạt động cao, kích thước nhỏ, công suất tiêu hao nhỏ, không sụt áp khi bắt đầu làm việc. LED không cần kính lọc mà vẫn cho ra màu sắc. LED chỉ thị rất rõ khi trời tối. Tuổi thọ của LED khoảng 100 ngàn giờ

www.ptit.edu.vn Trang 8 GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ

LED chỉ thị (2)

Tiếp xúc P-N

a. Cấu tạo và ký hiệu của LED:

P

N

A

Hình 8- 3 : Mô hình cấu tạo và ký hiệu của LED.

A

K

(cid:131) Vật liệu chế tạo điôt phát quang đều là các liên kết của các nguyên tố thuộc nhóm 3 & nhóm 5 của bảng tuần hoàn Menđêlêep như GaAs, hoặc liên kết 3 nguyên tố như GaAsP v.v.. Đây là các vật liệu tái hợp trực tiếp, có nghĩa là sự tái hợp xảy ra giữa các điện tử ở sát đáy dải dẫn và các lỗ trống ở sát đỉnh dải hóa trị.

www.ptit.edu.vn Trang 9 GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ

Các cấu trúc của LED

Light output

Dome LED

p type epitaxial layer n type substrate

Planar LED

diffused p-type

ohmic contacts

(cid:131) LED vòm và LED phẳng được sử dụng trong phần lớn các thiết bị hiển thị với lợi ích là rút được lượng ánh sáng cực đại từ thiết bị đó => ánh sáng được phát ra theo tất cả các hướng và sử dụng các ống kính được sắp xếp theo trật tự nhất định để hội tụ ánh sáng. (cid:131) Burrus LED và LED phát xạ cạnh chủ yếu được dùng trong các hệ thống thông tin sợi quang

www.ptit.edu.vn Trang 10 GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

~ 250 μm

Burrus LED

Multimode optical fiber

50 μm

Metal tab

Epoxy resin

Etched well

50μm

n-GaAs substrate

SiO2

n-AlGaAs p-GaAs p-AlGaAs p+-GaAs

Edge-emitting LED

Gold stud

Metal contact SiO2 p+-AlGaAs p-AlGaAs AlGaAs (Active layer) n-AlGaAs n-GaAs

Metal contact ~ 50 μm

Primary light- emitting region

Các lớp giới hạn hạt dẫn : p-AlGaAs and n-AlGaAs

BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ 250 μm

www.ptit.edu.vn Trang 11 GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ

LED chỉ thị (3)

b. Nguyên lý làm việc:

+

LED

Hình 8- 4 : Sơ đồ nguyên lý của LED

U

R

_

• Khi LED phân cực thuận, các hạt dẫn đa số khuếch tán ồ ạt qua tiếp xúc P-N, chúng gặp nhau sẽ tái hợp và các photon được phát sinh. • Tốc độ tái hợp trong quá trình bức xạ tự phát này tỉ lệ với nồng độ điện tử trong phần bán dẫn P và nồng độ lỗ trống trong phần bán dẫn N. Đây là các hạt dẫn thiểu số trong chất bán dẫn. Như vậy, để tăng số photon bức xạ ra cần phải gia tăng nồng độ hạt dẫn thiểu số trong các phần bán dẫn. • Cường độ dòng điện của điôt tỉ lệ với nồng độ hạt dẫn được "chích" vào các phần bán dẫn, do đó cường độ phát quang của LED tỉ lệ với cường độ dòng điện qua điôt

www.ptit.edu.vn Trang 12 GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ

LED chỉ thị (4)

• Điện áp phân cực cho LED gần bằng độ rộng vùng cấm của vật liệu → các LED bức xạ ở các bước sóng khác nhau sẽ được chế tạo từ các vật liệu bán dẫn có độ rộng vùng cấm khác nhau và điện áp phân cực cho chúng cũng khác nhau • Tuy nhiên LED có điện áp phân cực thuận tương đối cao (1,6V ÷ 3V) và có điện áp ngược cho phép tương đối thấp (3V ÷ 5V)

I

Đặc tuyến Vôn - Ampe của LED: Đặc tuyến Vôn - Ampe của điôt phát quang biểu diễn mối quan hệ giữa dòng điện quang với điện áp đặt lên LED.

Ungược max

0 UD

UAK

www.ptit.edu.vn Trang 13

Hình 8- 5: Đặc tuyến Vôn - Ampe của LED

GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ

LED chỉ thị (5)

Một số loại LED chỉ thị: LED đơn: linh kiện một LED LED đôi: dùng cho những ứng dụng đặc biệt

1 2

Đỏ

Xanh/Vàng

LED1 LED2

Hình 8- 6 : LED đôi

f b

e c

Hình 8- 7: Cấu trúc của một LED 7 đoạn sáng đấu kiểu Anôt chung

www.ptit.edu.vn Trang 14 GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ

LED hồng ngoại (1) Các hệ thống thông tin quang yêu cầu tốc độ bit xấp xỉ 100 đến 200Mbit/s cùng sợi quang đa mốt với công suất quang khoảng vài chục μW thì các điôt phát quang bán dẫn thường là các nguồn sáng tốt nhất Cấu tạo: Cấu tạo của LED hồng ngoại cơ bản là giống các LED chỉ thị. Để bức xạ ánh sáng hồng ngoại, LED hồng ngoại được chế tạo từ vật liệu Galium Asenit (GaAs) với độ rộng vùng cấm EG = 1,43 eV tương ứng với bức xạ bước sóng khoảng 900nm. Hình 8- 8 mô tả cấu trúc của một LED hồng ngoại bức xạ ánh sáng 950nm. Chân cực

Ánh sáng phát ra λ = 950nm

GaAs (P) Tiếp xúc P-N

(cid:131) Trong phần epitaxy lỏng trong suốt GaAs (N) tạo một lớp tinh thể có tính chất lưỡng tính với tạp chất Silic là GaAsSi (N) và một tiếp xúc P-N được hình thành.

GaAsSi (N)

GaAs (N) trong suốt

Chân cực

Mặt mài nhẵn

Hình 8- 8 : Cấu trúc của LED hồng ngoại bức xạ λ =950nm

(cid:131) Với sự pha tạp chất Silic ta có bức xạ với bước sóng 950nm. Mặt dưới của LED được mài nhẵn tạo thành một gương phản chiếu tia hồng ngoại phát ra từ lớp tiếp xúc P-N

www.ptit.edu.vn Trang 15 GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ

LED hồng ngoại (2)

Nguyên lý làm việc và đặc điểm: (cid:131) Khi phân cực thuận cho điôt, các hạt dẫn đa số sẽ khuếch tán qua tiếp xúc P- N, chúng tái hợp với nhau và phát ra bức xạ hồng ngoại. Các tia hồng ngoại bức xạ ra theo nhiều hướng khác nhau. Những tia hồng ngoại có hướng đi vào trong các lớp chất bán dẫn, gặp gương phản chiếu sẽ được phản xạ trở lại để đi ra ngoài theo cùng hướng với các tia khác → tăng hiệu suất của LED (cid:131) Ánh sáng hồng ngoại có đặc tính quang học giống như ánh sáng nhìn thấy, nghĩa là nó có khả năng hội tụ, phân kỳ qua thấu kính, có tiêu cự.... Tuy nhiên, ánh sáng hồng ngoại rất khác ánh sáng nhìn thấy ở khả năng xuyên suốt qua vật chất, trong đó có chất bán dẫn. Điều này giải thích tại sao LED hồng ngoại có hiệu suất cao hơn LED chỉ thị vì tia hồng ngoại không bị yếu đi khi vượt qua các lớp bán dẫn để ra ngoài (cid:131) Tuổi thọ của LED hồng ngoại dài đến 100.000 giờ. LED hồng ngoại không phát ra ánh sáng nhìn thấy nên rất có lợi trong các thiết bị kiểm soát vì không gây sự chú ý

www.ptit.edu.vn Trang 16 GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ

Một số hình ảnh của LED

www.ptit.edu.vn Trang 17 GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ

Mặt chỉ thị tinh thể lỏng - LCD (1)

Khái niệm: (cid:153) Tinh thể lỏng sử dụng trong LCD là những hợp chất hữu cơ đặc biệt. Các phân tử của tinh thể lỏng này được phân bố sao cho các trục dọc của chúng nằm song song với nhau.

(cid:153) Ở nhiệt độ thấp LCD ở trạng thái rắn, khi t0 tăng lên đến nhiệt độ nóng chảy thì LCD chuyển sang trạng thái lỏng. Pha trung gian giữa hai trạng thái này là trạng thái tinh thể lỏng

(cid:153) LCD không phải là linh kiện bán dẫn quang điện tử. LCD được chế tạo dưới dạng thanh và chấm - ma trận. LCD là cấu kiện thụ động, nó không phát sáng nên càng dễ đọc nếu xung quanh càng sáng (cid:153) LCD: dùng làm mặt chỉ thị cho đồng hồ, máy tính con, các thiết bị

đo số, đồ chơi trẻ em, màn hình ti vi.

www.ptit.edu.vn Trang 18 GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ

LCD (2)

Đặc điểm: (cid:190)Khoảng nhiệt độ sử dụng: (- 100C ÷ + 600C) (cid:190)Điện áp: 3V ÷ 6V (chuẩn là 4,5V) (cid:190)Tần số: 30 Hz ÷200 Hz (cid:190)Thời gian đóng: 40 ms (cid:190)Thời gian ngắt: 80 ms (cid:190)Dòng điện tiêu hao khoảng 0,2 μA (cid:190)LCD có tuổi thọ khá cao từ 10.000 đến 100.000 giờ và ngày nay nó thay thế dần các mặt chỉ thị loại LED hay huỳnh quang

www.ptit.edu.vn Trang 19 GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ

LCD (3)

Cấu tạo của thanh LCD: o Gồm có 2 tấm kính đặt cách nhau khoảng 10μm. Mặt phía trong của 2 tấm

kính tráng một lớp oxit kẽm (ZnO) trong suốt làm hai điện cực.

o Xung quanh bên cạnh hai tấm kính được hàn kín, sau đó đổ tinh thể lỏng

vào khoảng giữa 2 tấm kính và gắn kín lại.

o Hai tấm nhựa có tính phân cực ánh sáng được dán bên ngoài hai tấm kính sao cho hình ảnh phản chiếu của mặt chỉ thị được nhìn từ một phía nhờ gương phản chiếu.

Tấm nhựa phân cực thứ 2 Gương phản chiếu

Kính

Keo

Điện cực trong suốt

Tinh thể lỏng

Kính

Tấm nhựa phân cực thứ 1

Hình 8-9 : Cấu tạo của một thanh LCD

Ánh sáng chiếu vào

Mắt người quan sát

www.ptit.edu.vn Trang 20 GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ

Laser bán dẫn (1)

• Laser = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

Diode Laser

< 3 nm

• Đặc điểm:

LED

~ 75 nm

r e w o p l a c i t p o e v i t a l e R

Hình 8-10

Wavelength (nm)

- Phổ phát sáng hẹp - Kích thước nhỏ - Độ ổn định cao - Có bước sóng ánh sáng trong các cửa sổ quang 1, 2, 3 - Điều chế trực tiếp có thể lên đến vài Gb/s - Bán kính bức xạ nhỏ (ghép với sợi quang)

www.ptit.edu.vn Trang 21 GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ

Laser bán dẫn (2)

)

T →

W m

Slope gives external efficiency η

Lasing emission

( t u p t u o t h g i L

Ith

Dòng điện (mA)

Hình 8-11

Bức xạ kích thích

cải thiện chất lượng của thiết bị laser

- Giảm dòng điện ngưỡng - Tăng công suất tổng của ánh sáng ở đầu ra - Tăng hiệu suất quantum mở rộng

www.ptit.edu.vn Trang 22 GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ

Kết nối điện

Cấu trúc của laser

Hình 8-12 Laser với cấu trúc dị thể kép

a) Index-Guided b) Gain-Guided

Các loại laser: (cid:190)Laser đa mode: Fabry-Perot Laser (cid:190)Laser đơn mode: dùng trong các hệ thống thông tin tiên tiến

- DFB Laser (Distributed Feedback) - DBR Laser (Distributed Bragg Reflector) - MQW Laser (Multi Quantum Well)

(cid:190)Laser có thể điều chỉnh được: điều chỉnh bước sóng phát ra bằng cách (i) thay đổi chiều dài hố (kéo dãn cơ học), (ii) thay đổi hệ số khúc xạ (điều khiển nhiệt độ)

www.ptit.edu.vn Trang 23 GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ

Các cấu kiện chuyển đổi Quang – Điện

(cid:190) Các bộ thu quang điện hoạt động dựa trên nguyên lý hiệu ứng chuyển đổi quang điện. Ở đó sự hấp thụ photon bởi vật liệu bán dẫn đã tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống → tạo ra tín hiệu quang điện dưới dạng dòng điện hay điện thế có thể đo được (cid:190) Thiết bị quan trọng nhất là điốt quang bán dẫn (photodiode) (cid:190) Yêu cầu:

- Độ nhạy cao - Nhiễu trong nhỏ - Băng thông rộng

www.ptit.edu.vn Trang 24 GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ

Quang trở (LDR-Light Dependent Resistor) (1) Cấu tạo & nguyên lý: (cid:190)Là bộ thu tín hiệu quang đơn giản nhất. Quang trở thường được làm bằng chất Sunfit Cadimium (CdS), Selenid Cadimium (CdSe), Sunfit chì (PbS)… trong đó loại quang trở CdS có độ nhạy phổ gần với mắt người nên thông dụng nhất

(cid:190)Quang trở được chế tạo bằng cách tạo một màn bán dẫn trên nền cách điện nối ra 2 đầu kim loại rồi đặt trong một vỏ nhựa, mặt trên có lớp thuỷ tinh trong suốt để nhận ánh sáng bên ngoài tác động vào

hυ

Bản điện cực

Dây dẫn nối từ điện cực ra ngoài

Bán dẫn

Hình 8-13 Đế cách điện

www.ptit.edu.vn Trang 25 GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ

Quang trở (2) (cid:190) Khi ánh sáng chiếu vào bề mặt quang trở, các cặp e-lỗ trống được sinh ra và được điện trường cuốn ra phía các điện cực. Phụ thuộc vào thông lượng ánh sáng chiếu vào, dòng điện bên ngoài cũng thay đổi theo. (cid:190)Trị số điện trở của quang trở thay đổi theo độ sáng chiếu vào nó. Khi bị che tối thì quang trở có trị số điện trở rất lớn (vài MΩ), khi được chiếu sáng thì điện trở giảm nhỏ (vài chục Ω÷ vài trăm Ω). (cid:190) Ưu điểm của quang trở: có khuếch đại trong, nghĩa là dòng quang điện thu được có số điện tử (hay lỗ trống) lớn hơn số điện tử (hay lỗ trống) do photon tạo ra

RCdS

Lux

Hình 8.14. Ký hiệu, hình dạng của quang trở

(cid:190)Ứng dụng: dùng trong các mạch thu tín hiệu quang, trong báo động, đóng ngắt các mạch điện, trong đo đạc, điều khiển và tự động hoá

Hình 8.15. Đặc tính của quang trở

www.ptit.edu.vn Trang 26 GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ

Nguyên lý của điốt quang

hν

-V

d

l e i f c i r t c e l E

Distance (x)

(cid:131) Cung cấp một điện áp phân cực ngược phù hợp cho một tiếp giáp P-N đơn giản → tạo ra một điện trường → tách các cặp e--lỗ trống do ánh sáng tạo ra (do sự hấp thu ánh sáng trong chất bán dẫn) (cid:131) Tốc độ đáp ứng được xác định bởi điện dung của thiết bị → bị chi phối bởi độ dày của vùng chuyển tiếp → thiết bị diện tích nhỏ và các vùng tích cực có pha tạp thấp sẽ có điện dung nhỏ, nghĩa là tốc độ cao (cid:131) Nhiễu: nhiễu thấp nếu giảm nhỏ dòng điện rò (chủ yếu là dòng rò bề mặt) bằng cách dùng các vật liệu có vùng cấm rộng ở bề mặt

Hình 8-16

www.ptit.edu.vn Trang 27 GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ

PIN Diode (Photodiode có lớp bán dẫn thuần)

Hình 8-17

(cid:190) Điốt PIN bao gồm lớp P, lớp I và lớp N. Lớp I là lớp bán dẫn thuần có điện trở rất cao để khi Điốt PIN được phân cực ngược, lớp nghèo có thể lan ra rất rộng trong lớp I để hướng phần lớn các photon rơi và hấp thụ trong đó (cid:190) Trong lớp I có điện trường cuốn rất cao để cuốn hạt tải nhanh chóng về 2 cực tạo nên dòng quang điện ở mạch ngoài

(a) Mô hình bộ thu quang PIN. (b) Đáp ứng / bước sóng đối với bộ thu quang InGaAs/InP

www.ptit.edu.vn Trang 28 GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ

PIN Diode (2)

(cid:190) Hấp thụ các photon → cặp e-lỗ trống → dòng điện:

( ) i t

( ) R E t

(cid:0)≈

R = Đáp ứng

( ) R p t . q η λ hc

Đặc tuyến của PIN

η= hiệu suất lượng tử < 1(vd: 0,95%), q = điện tích e-; h = hằng số Planck (6,63.10-34 J/Hz)

Cấu trúc PIN có thời gian đáp ứng rất nhanh và hiệu suất lượng tử cao. Nhược điểm: dòng tối và nhiễu tương đối lớn, đặc biệt là đối với các bán dẫn có vùng cấm nhỏ như Ge

Hình 8-18

www.ptit.edu.vn Trang 29 GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ

APD • Miền tăng tốc (miền hấp thụ ánh sáng) & miền nhân hạt tải là tách biệt nhau • Khi có ánh sáng chiếu vào, các hạt tải đi qua miền hấp thụ sẽ được tăng tốc, chúng va đập mạnh vào các nguyên tử của bán dẫn gây nên sự ion hoá và tạo ra các cặp e - lỗ trống mới. Quá trình được lặp đi lặp lại nhiều lần → hiệu ứng thác lũ → tăng dòng quang điện bên ngoài, tăng độ khuếch đại (tăng độ nhạy của APD) • Điện áp phân cực ngược cao (>100V) → Photon tạo ra các cặp e-lỗ trống → các cặp e/lỗ trống tăng thêm do hiệu ứng thác lũ M = độ khuếch đại thác lũ (vd: 100)

M R .

, λ

A P D

(cid:0)≈

q h c

Độ khuếch đại cao, nhưng băng thông thường thấp hơn, nhiều nhiễu trong hơn so với điốt PIN

Hình 8.19 Mô hình APD với vùng nhân và vùng hấp thụ tách biệt

www.ptit.edu.vn Trang 30 GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ

Các đặc điểm của điốt quang

www.ptit.edu.vn Trang 31 GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ

Transistor quang (1)

Cấu tạo và nguyên lý: (cid:190)Transistor quang có cấu trúc 3 lớp như BJT thông thường nhưng miền cực gốc để hở, có một diện tích thích hợp để tiếp nhận ánh sáng chiếu vào qua cửa sổ

(cid:190)Khi Transistor quang ở chế độ hoạt động thì tiếp giáp BC được

phân cực ngược còn tiếp giáp BE phân cực thuận

(cid:190)Khi ánh sáng chiếu vào Transistor quang, các hạt tải được sinh ra và được khuếch tán tới tiếp giáp BC, tiếp giáp này sẽ tách điện tử và lỗ trống để góp phần tạo nên dòng quang điện

(cid:190)Tiếp giáp BC có vai trò như một điốt quang, các hạt tải từ phía tiếp giáp thuận BE được tiêm chích vào cực gốc B. Dòng quang điện trong miền B (dòng rò ICB) sẽ trở thành dòng IB và được khuếch đại lên (β+1) lần ở collector

www.ptit.edu.vn Trang 32 GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ

Transistor quang (2)

(a)

(b)

Ký hiệu:

!NPN !NPN

Hình 8.20 Ký hiệu của Transistor quang 2 cực (a) và Transistor quang 3 cực (b)

Đặc điểm: (cid:190)Độ khuếch đại: 100 ÷1000 lần và độ khuếch đại là không tuyến tính theo cường độ ánh sáng chiếu vào mối nối giữa cực C và B (cid:190)Tốc độ làm việc chậm do tụ điện kí sinh Ccb gây hiệu ứng Miller (cid:190)Tần số làm việc max ∼vài trăm KHz (cid:190)Để tăng độ nhạy người ta chế tạo loại Transistor lắp theo kiểu

Darlington

www.ptit.edu.vn Trang 33 GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ

(a)

Transistor quang (3) (b)

(c)

Ứng dụng:

+VCC

D

3 8 1 m 1 1 N 1

!NPN

!PNP

!NPN

3 8 1 m 1 1 N 1

Hình 8.21

(cid:190)Mạch điện a) dùng transistor quang lắp Darlington với transistor công suất để điều khiển rơle RY. Khi được chiếu sáng transistor quang dẫn làm transistor công suất dẫn cấp điện cho rơle

www.ptit.edu.vn Trang 34 GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ

Transistor quang (4)

(cid:190)Mạch điện hình (b) lấy điện áp Vc của transistor quang để phân cực cho cực B của transistor công suất. Khi transistor quang được chiếu sáng sẽ dẫn điện và làm điện áp Vc giảm, cực B transistor công suất không được phân cực nên ngưng dẫn và rơle không được cấp điện.

(cid:190)Mạch điện hình (c) dùng transistor loại PNP nên có nguyên lý ngược lại mạch điện hình (b) khi quang transistor được chiếu sáng được dẫn điện tạo sụt áp trên điện trở để phân cực cho cực B của transistor công suất loại PNP làm transistor công suất dẫn, cấp điện cho rơle.

(cid:190)Hiện nay người ta còn chế tạo JFET quang và Thyristor quang

www.ptit.edu.vn Trang 35 GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ

Các bộ ghép quang (Opto- Couplers) (1)

(cid:190)Mục đích: dùng để cách điện giữa các mạch có sự khác biệt lớn về điện áp (cid:190)VD: mạch tự động điều khiển công suất có điện áp cao (U = 200V÷380V, 660V hay 1000V); mạch điều khiển thường có điện áp thấp như các mạch logic, máy tính hay các hệ thống phải tiếp xúc với con người (cid:190)Cấu tạo: Bộ ghép quang gồm 2 thành phần gọi là sơ cấp và thứ cấp. Phần sơ cấp là một điốt loại GaAs phát ra tia hồng ngoại, phần thứ cấp là một Transistor quang loại Silic. Khi được phân cực thuận, điốt phát ra bức xạ hồng ngoại chiếu lên trên mạch của Transistor quang. (cid:190)Nguyên lý: Phần sơ cấp là LED hồng ngoại biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu ánh sáng. Tín hiệu ánh sáng này sẽ được phần thứ cấp (Transistor quang) biến đổi lại thành tín hiệu điện

www.ptit.edu.vn Trang 36 GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ

Các bộ ghép quang (2)

1

4

!NPN

6 5

4

2

3 2 3

3 8 1 1 N 1

Hình 8.22 Nguyên lý

Hình 8.23. Bộ ghép quang transistor

(cid:190) Đặc điểm: (cid:131) Điện áp cách điện giữa sơ cấp và thứ cấp (vài trăm vôn ÷ hàng

ngàn vôn)

(cid:131) Bộ ghép quang có thể làm việc với IDC hoặc IAC có tần số cao (cid:131) Điện trở cách điện giữa sơ cấp và thứ cấp có trị số rất lớn (vài chục

MΩ÷vài trăm MΩ) đối với IDC

(cid:131) Hệ số truyền đạt dòng điện (IC/IF): vài chục % ÷ vài trăm % tuỳ loại

bộ ghép quang

www.ptit.edu.vn Trang 37 GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ

Các bộ ghép quang (3)

(cid:190) Các loại bộ ghép quang:

a) Bộ ghép quang Transistor:

Phần thứ cấp: Transistor loại Si. Đối với bộ ghép quang transistor có 4 chân thì transistor không có cực B, trường hợp bộ ghép quang transistor có 6 chân thì cực B được nối ra ngoài (hvẽ). Bộ ghép quang không có cực B có ưu điểm là hệ số truyền đạt lớn, nhưng có nhược điểm là độ ổn định nhiệt kém. Nếu nối giữa cực B và E một điện trở thì các bộ ghép quang transistor này làm việc khá ổn định với nhiệt độ nhưng hệ số truyền đạt bị giảm đi.

www.ptit.edu.vn Trang 38 GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ

Các bộ ghép quang (4)

b) Transistor quang Darlington:

có nguyên lý như bộ ghép quang với transistor quang nhưng với hệ số truyền đạt lớn hơn vài trăm lần nhờ tính chất khuếch đại của mạch Darlington.

6

NDAR1

5

1

Nhược điểm: ảnh hưởng bởi nhiệt độ rất lớn nên giữa chân B và E của transistor sau thường có điện trở để ổn định nhiệt.

2

4

3 8 1 1 N 1

3

Hình 8.24 Transistor quang Darlington

www.ptit.edu.vn Trang 39 GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ

Các bộ ghép quang (5)

c) Bộ ghép quang với Thyristor quang: (cid:131) Gồm một điốt quang và 2 transistor lắp theo nguyên lý của SCR (cid:131) Khi có ánh sáng hồng ngoại do LED ở sơ cấp chiếu vào điốt quang thì sẽ có dòng điện IB cấp cho transistor NPN và khi transistor NPN dẫn thì sẽ điều khiển transistor PNP dẫn điện. Thyristor quang đã được dẫn điện thì sẽ duy trì trạng thái dẫn mà không cần kích liên tục ở sơ cấp

(cid:131) Để tăng khả năng chống nhiễu người ta nối giữa chân G và K bằng

một điện trở từ vài KΩ÷vài chục KΩ

A

S 4 0 1 P B 1 D F

6

!PNP

1 G

Hình 8.25 Ký hiệu và cấu trúc bán dẫn tương đương của Thyristor quang

5 9 5 1 N 2

!NPN

5 4

2 3

3 8 1 1 N 1

K

www.ptit.edu.vn Trang 40 GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ

Các bộ ghép quang (6)

d) OPTO- Triac: có cấu trúc bán dẫn như hình vẽ

T2

6

1

2

4 4 4 5 N 2

5 4

3

3 8 1 1 N 1

kG k !NPN FD1 BP104S !NPN !PNP !PNP FD1 BP104S 1 1

Hình 8.26 Ký hiệu và cấu trúc bán dẫn tương đương của Triac quang

T1

www.ptit.edu.vn Trang 41 GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ

Các bộ ghép quang (7)

(cid:190) Ứng dụng:

(cid:131) Các loại bộ ghép quang có dòng điện ở sơ cấp cho LED

hồng ngoại khoảng 10 mA

(cid:131) Đối với transistor quang khi thay đổi trị số dòng điện qua LED hồng ngoại ở sơ cấp sẽ làm thay đổi dòng điện ra IC của transistor quang ở thứ cấp.

(cid:131) Các bộ ghép quang có thể dùng thay cho rơle hay biến áp xung để giao tiếp với tải thường có điện áp cao và dòng điện lớn.

www.ptit.edu.vn Trang 42 GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ

Các bộ ghép quang (8)

(cid:190) Mạch điện hình 8.27 là ứng dụng của transistor quang để điều khiển đóng ngắt rơle (cid:190)Transistor quang trong bộ ghép quang được ghép Darlington với transistor công suất bên ngoài

+24V

3 8 1 m 1 1 N 1

D NDAR1

390 Ω 1k

+5V

3 8 1 1 N 1

(cid:190)Khi LED hồng ngoại ở sơ cấp được cấp nguồn 5V thì transistor quang dẫn, điều khiển transistor công suất dẫn để cấp điện cho rơle RY (cid:190) Điện trở 390Ω để giới hạn dòng qua LED hồng ngoại khoảng 10mA

Hình 8.27

www.ptit.edu.vn Trang 43 GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ

Các bộ ghép quang (9)

(cid:190) Mạch điện hình 8.28 là ứng dụng của OPTO- Triac để đóng ngắt điện cho tải dùng nguồn xoay chiều 220V (cid:190) Điện trở 1kΩ để giới hạn dòng qua LED hồng ngoại khoảng 10mA. (cid:190) Khi LED sơ cấp được cấp nguồn 12V thì Triac quang sẽ được kích và dẫn điện tạo dòng kích cho Triac công suất. Khi Triac công suất được kích sẽ dẫn điện như một công tắc để đóng điện cho tải.