Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 148 -
Vôùi t = 18oC thì:
p
H
E
058,0
−
=
(5-42)
Phöông trình 5-42 cho ta nguyeân taéc ñeå cheá taïo caùc ma pH
§ 5 . C
ùy ño ñoä .
HUYEÅN ÑOÅI QUANG ÑIEÄN
Caùc chuyeån ñoåi quang ñieän laø caùc phaàn töû nhaïy caûm vôùi caùc böùc xaï, coù nhieäm
vuï bieán ñoåi tín hieäu quang hoïc loái vaøo thaønh tín hieäu ñieän loái ra. Coù nhieàu loaïi caûm
bieán qu ng ñie
Teá
Qu
Pin
5.1. Teá b
a än nhö sau:
–baøo quang ñieän;
–ang trôû;
– quang ñieän;
– Photo diode; Photo transistor.
aøo quang ñieän.
ôùc soùng thích hôïp vaøo ca toát, töùc laø neáu naêng löôïng cuûa foâton tôùi lôùn
hôn coâng thoaùt beà maët cuûa ε = hν ≥ eϕ, hieäu öùng quang ñieän seõ
xaûy ra.
laø söï phuï thuoäc cuûa doøng quang ñieän IΦ vaøo
doøng quang thoâng
Ñaëc tính voân-ampe: IΦ = f(U) khi Φx = const.
Ñaëc tính taàn soá – laø söï phuï thuoäc taàn soá cuûa doøng IΦ vaøo taàn soá thay ñoåi
cuûa Φx.
Ñaëc tính phoå ñöôïc xaùc ñònh bôûi ñoä nhaïy cuûa teá baøo quang ñieän ñoái vôùi
chieàu daøi böôùc soùng aùnh saùng tôùi.
reân hình 5-21 chæ ra 5 nhoùm öùng duïng cô baûn cuûa TBQÑ.
Teá baøo quang ñieän (TBQÑ) söû duïng hieäu öùng quang ñieän ngoaøi. Khi chieáu
aùnh saùng coù bö
kim loaïi laøm ca toát:
Caùc ñaëc tính cô baûn cuûa TBQÑ laø:
– Ñaëc tính quang: IΦ = f(Φx)
Φx.
–
–
–
T
a)
c)
d) e)
b)
H
ình 5-21. Caùc sô ñoà söû duïng teá baøo quang ñieän
D
Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 149 -
H
ình 5-22. Caáu taïo quang tr
ô
û
1. Lôùp caûm quang, 2. neàn baùn daãn
3. Caùc ñieän cöïc
øng quang thoâng Φx ñöôïc taïo ra bôûi chính caùc vaät
theå böùc xaï. TBQÑ ñöôïc söû duïng trong caùc piroâmeùt (hoûa keá böùc xaï), ví duï ñeå ño nhieät
ñoä trong caùc loø luyeän kim döïa treân cô sôû söï phuï thuoäc cuûa cuôøng ñoä do
vaø caùc ñaëc tính phoå cuûa noù vaøo nhieät ñoä cuûa vaät böùc xaï.
, d øng quang thoâng tôùi TBQÑ bò ñieàu cheá bôûi kích thöôùc
cuûa vaät theå D maø maø kích thöôùc d cuûa noù caàn phaûi ño hoaëc kieåm tra. ÖÙng
caùc heä
haát löôïng cuûa caùc beà maët (ñoä phaúng, ñoä
aø ñoä trong vaø maøu saéc cuûa noù caàn kieåm tra, sau ñoù ñaäp vaøo
TBQÑ. Nhö vaäy doøng quang thoâng Φx seõ laø haøm soá cuûa caùc ñaïi löôïng caàn kieåm tra.
, e duøng trong caùc pheùp ño toác ñoä cuûa caùc truïc quay baèng toác
keá qua ñ
5.2. Quang
Treân sô ñoà hình 5-21, a do
øng aùnh saùng
Treân sô ñoà 5-21, b o
duïng trong
thoáng ño löôøng vaø kieåm tra töï ñoäng.
Sô ñoà hình 5-21, c duøng ñeå kieåm tra c
choùi, maøu saéc…).
Sô ñoà hình 5-21, d ñöôïc söû duïng roäng raõi ñeå ño nhieàu ñaïi löôïng khoâng ñieän
khaùc nhau. Doøng aùnh saùng Φo töø nguoàn chieáu ñi qua ñoái töôïng caàn khaûo saùt, chaúng
haïn moät chaäu chaát loûng m
Sô ñoà hình 5-21
ng ieän.
trôû.
ùn daãn döïa treân hieäu öùng quang ñieän trong: Ñoä daãn
nfit cadmi, selenit cadmi (nhaïy
antimo
ngoaïi).
quang ,
kieän ε
mieàn n g
trò seõ n
trôû thaø
Quang trôû laø duïng cuï ba
ñieän cuûa chaát baùn daãn taêng (ñieän trôû giaûm) khi ñöôïc roïi saùng baèng aùnh saùng thích
hôïp. Sô ñoà caáu truùc cuûa quang trôû treân hình 5-22.
Neàn baùn daãn thöôøng laøm baèng caùc
chaát su
trong vuøng aùnh saùng khaû kieán); sunfit chì,
nit indi (nhaïy trong vuøng hoàng
Khi chieáu aùnh saùng vaøo beà maët
trôû neáu aùnh saùng tôùi thoûa maõn ñieàu
≥ ∆Ε (beà roäng vuøng caám theo thuyeát
aên löôïng), caùc ñieän töû töø mieàn hoùa
haûy leân mieàn troáng (mieàn daãn) vaø
nh ñieän töû töï do (ñieän töû daãn). Keát
quaû laøm taêng electron daãn trong baùn daãn, töùc laøm giaûm ñieän trôû cuûa noù, hay laøm taêng
ñoä daãn . Xuaát hieän ñoä daãn phuï – quang daãn.
Bieåu dieãn ñoä quang daãn
σ
Φ:
µ
ΦΦ
=
en (5-43)
Trong ñoù: Φ=
Φ1
β
n (5-44)
Φ – quang thoâng tôùi; β1 – heä soá tæ leä phuï thuoäc vaøo taàn soá aùnh saùng tôùi vaø vaän
toác taùi hôïp caùc ñieän tích mang.
Khi maéc quang trôû vaøo maïch vôùi nguoàn suaát ñieän ñoäng E (hình 5-22). Doøng
quang ñieän trong maïch seõ coù daïng:
ES
I
ΦΦ
=
(5-45)
A
Ù
nh
Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 150 -
Trong ñoù: E – cöôøng ñoä ñieän tröôøng;
S – dieän tích tieát dieän ngang cuûa quang trôû;
σΦ – ñoä quang daãn.
– ÖÙng duïng: Quang trôû ñöôïc söû duïng trong traéc quang, trong caùc maïch ñieàu khieån.
5.3. Pin quang ñieän.
töû mang khueách taùn qua lôùp
tieáp gia
laøm giaûm theá hieäu tieáp xuùc, vaø laøm xuaát
hieän ta
Pin quang ñieän laø thieát bò baùn daãn söû duïng hieäu öùng quang – ganvanic. Caáu
taïo cuûa pin quang ñieän goàm 2 lôùp baùn daãn p-n (hình 5-23)
Khi chieáu aùnh saùng vaøo beà maët pin, caùc foâton bò haáp thuï seõ kích thích caùc
nguyeân töû baùn daãn taïo caëp electron - loã troáng. Caùc phaàn
ùp p-n vaø phaân caùch noù baèng ñieän tröôøng phuï thuoäc vaøo daáu cuûa caùc ñieän tích.
Trong mieàn n tích tuï caùc electron thöøa, coøn trong mieàn p tích tuï caùc loã troáng thöøa. Keát
quaû, caû hai mieàn tích ñieän n (-) vaø p (+) vaø
ïi lôùp tieáp giaùp moät suaát ñieän ñoäng quang ñieän.
Ñoä lôùn cuûa suaát ñieän ñoäng quang ñieän:
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎛
= ln I
kT
E⎝+
Φ1
o
I (5-46)
I
Φ – doøng quang.
Ùng d
keá, loä saùng keá.
ñoä trong oùi
, t ï ñoäng.
e
Trong ñoù: k – haèng soá bolzermant;
T – nhieät ñoä tuyeät ñoái;
I
o – doøng nhieät;
–Ö uïng:
Trong quang traéc, lux keá, lumen
Pin quang ñieän Si duøng ño nhieät
phoå hoàng ngoaïi;
Trong caùc maùy quay chieáu phim
daõi 350÷2000 C vì noù nhaïy vô
ruyeàn tín hieäu vaø ñieàu khieån tö
5.4. Photo diode.
Photo diode laø moät diode baùn daãn coù theå hoaït ñoäng ôû 2 cheá ñoä: cheá ñoä quang
aø cheá ñ– ganvanic nhö moät pin quang ñieän v
Sô ñoà caáu truùc cuûa photo diode chæ ra treân hình 5-24, a.
oä photo diode khi maéc vôùi nguoàn ngoaøi.
A
B
Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
H
ình 5-23. Pin quang ñieän
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 151 -
anvanic (hình 5-24, b)
c ät
5.4.1.Cheá ñoä photo-g
: Khoâng coù nguoàn ñieän aùp ngoaøi. Khi ñöôïc chieáu saùng 2 ñaàu photo diode seõ où mo
ieäu ñh ieän theá U vaø qua taûi R seõ coù doøng:
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛−−== Φ1 kT
eU
oeII
R
U
I (5-47)
Trong ñoù Io – doøng nhieät; IΦ – doøng quang ñieän.
5.4.2. Cheá ñoä photo diode (hình 5-24, c).
Khi maéc
oøng baèng hieäu
noái tieáp seõ xuaát hieän
soá caùc doøng aûy qua tieáp giaùp p-n:
vôùi taûi moät nguoàn suaát ñieän ñoäng E, trong maïch
d ch
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛−−=
+
=
+
Φ1
)(
kT
EUe
oeII
R
EU
I (5-48)
Ñaây laø phöông trình cô baûn xaùc laäp cheá ñoä laøm vieäc cuûa photo diode vôùi
guoàn ñieän aùp ngoaøi.
Treân hình 5-25 trình baøy hoï ñaëc tuyeán voân-ampe cuûa photo diode. Goùc phaàn
tö thöù n uûa diode. Goùc phaàn tö thöù tö (IV) moâ
taû ñaëc tuyeán coâng taùc cuûa photo diode trong cheá ñoä photo – ganvanic. Ñieåm caét cuûa
caùc ñaëc tuyeán vôùi truïc doøng ñieän töông öùng vôùi cheá ñoä ng maïc
coøn ñieåm caét vôùi truïc ñieän aùp chæ cheá ñoä khoâng taûi khi hôû maïch nguoàn U. Goùc phaàn
diode. Ñöôøng ñaëc tuyeán ñi qua goác toïa
oä öùng ôùi trö øng hô de, noù gioáng ñaëc tuyeán voân-ampe cuûa
c cuûa photo diode;
heá ñoä photo diode.
a) b) c)
Hình 5-24. a) Caáu truù
b) Cheá ñoä photo-ganvanic;
n
haát (I) öùng vôùi cheá ñoä phaân cöïc thuaän c
aén h loái ra photo diode,
tö thöù ba (III) laø ñaëc tuyeán trong cheá ñoä photo
ñ v ô ïp khoâng chieáu saùng dio
c) C
diode thöôøng.
Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com
Kyõ Thuaät Ño Löôøng Ñieän –Ñieän töû - 152 -
aïn vôùi caùc photo diode thöôøng côõ 10 MHz.
– ÖÙng duïng: Trong traéc quang, quay chieáu phim, ñieän baùo truyeàn aûnh, ñöa thoâng
tin loái vaøo ra maùy tính ñieän töû .
5.5. Photo
Hình 5
-
25. H
oñaëctuye
á
nvo
â
n
-
ampe cu
û
aphoto
Phaïm vi phoå nhaïy caûm cuûa photo diode phuï thuoäc vaät lieäu cheá taïo:
Loaïi Si: 0,6 ÷ 1 µm;
Ge: 0,5 ÷ 1,7 µm.
Caùc photo diode coù thôøi gian xaùc laäp nhoû hôn so vôùi quang trôû. Taàn soá giôùi
h
transistor.
Photo transistor où caáu uùc gio öôøng p-n-p hoaëc n-p-n.
Caáu taïo vaø kyù hieäu cuûa photo transistor n-p-n vôùi söï chieáu saùng vuøng ñaùy chæ ra treân
hình 5-
o cuûa transstor vaø coù theå chieáu vaøo
theo hö
goùc vaø chieáu vaøo ñaùy transistor.
Photo transistor coù theå maéc trong sô ñoà ño gioáng nhö transistor thoâng thöôøng
theo caùc sô ñoà E chung, B chung vaø C chung, cuõng nhö coù th ñaá thaønh
hôû 1 trong 3 cöïc. Khi ñoù noù seõ hoaït ñoäng gioáng nhö moät photo diode.
iaùp base – colector cuûa transistor laø moät photo diode. Töø sô ñoà
töông ñ
c tr áng nhö moät transistor th
26.
E
B
C
E
C
B
C
B
b)
E
c)
a)
Hình 5-2
6
Thöïc teá coù theå chieáu saùng baát kyø mieàn naø
ôùng song song hoaëc theo höôùng vuoâng goùc vôùi tieáp giaùp p-n, nhöng hieäu öùng
lôùn nhaát xaûy ra khi chieáu aùnh saùng theo höôùng vuoâng
eå u diode khi ñeå
Kyù hieäu vaø sô ñoà töông ñöông cuûa photo diode chæ ra treân caùc hình 5-26, b vaø
5-26, c. Nhö vaäy tieáp g
öông ta thaáy raèng: phaïm vi ñoä nhaïy cuûa photo transistor cuõng gioáng nhö cuûa
photo diode töông öùng. Sô ñoà maéc photo transistor trong moät boä caûm bieán quang hoïc
nhö hình 5-27.
R
R
Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
+Vcc +Vcc +Vcc
Vo
Vo
a) b) c)
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com