| Chương 8 : Linh kiện quang điện tửNHATRANG UNIVERSITY • • • • • Khái niệm và phân loại linh kiện quang điện tửCác linh kiện đổi khác quang-điệnCác linh kiện biến hóa điện-quangBộ ngẫu hợp quang điệnCác linh kiện hiển thịKhái niệm và phân loại linh kiệnquang điện tửNHATRANG UNIVERSITY • Khái niệm : Linh kiện quang điện tử là linh kiệnhoạt động dựa trên sự tương tác giữa ánh sángvà tín hiệu điện. Ánh sáng được đề cập đến ởđây là dải bức xạ điện từ có bước sóng từ 50 nmđến 100 μm và được chia là 3 vùng chính : – Vùng cực tím có bước sóng từ 50 nm – 380 nm – Vùng ánh sáng nhìn thấy được có bước sóng từ380nm đến 780 nm – Vùng hồng ngoại có bước sóng từ 780 nm – 100 μm • Phân loại : Dựa trên sự tương tác giữa ánhsáng và tín hiệu điện người ta chia thành 3 loại : – Linh kiện điện-quang : Biến đổi tín hiệu điện thành ánhsáng – Linh kiện quang-điện : Biến đổi ánh sáng thành tínhiệu điện – Linh kiện tích hợp quang-điện, điện-quang : – Các linh kiện hiển thị : Linh kiện quang-điệnNHATRANG UNIVERSITY • Quang trở : Là linh kiện mà điện trở của nó giảmmạnh khi chiếu ánh sáng vào • Cấu tạo, nguyên tắc hoạt động giải trí : – Nguyên lý hoạt động giải trí của quang trở dựa trên hiệntượng quang điện trong : khi ánh sáng chiếu vàoquang trở, những electron bị kích thích và trở thànhelectron tự do, nên điện trở của quang trở giảm mạnh – Cấu tạo : Quang trở được làm từ vật tư một lớp vậtliệu quang điện trong ( như Cadimi Sunfit : CdS ; Cadimi Selenit : CdSn ; Kẽm Sunfit : ZnS ) rất mỏng dính phủlên một đế cách điện, tổng thể được bọc trong lớp bảovệ trong suốt và đưa 2 chân dẫn điệnLinh kiện quang-điện • Quang trởNHATRANG UNIVERSITYIΦ3Φ2Φ1RVΦLinh kiện quang-điệnNHATRANG UNIVERSITY • Điốt quang : Là loại điốt mà khi không đượcchiếu sáng thì không có dòng điện chạy quaĐiốt, còn khi được chiếu sáng thì có dòng điệnchạy qua Điốt • Nguyên lý hoạt động giải trí của Điốt quang dựa trênhiện tượng quang áp : – Khi chiếu sáng vào tiếp giáp p-n nguồn năng lượng của ánhsáng ( hν ≥ EG ), sẽ làm Open một cặp electron-lỗtrống – Điện trường tiếp xúc cuốn những điện tử từ bán dẫn psang bán dẫn n, và cuốn những lỗ trống từ bán dẫn nsang bán dẫn p. Kết quả là dòng ngược qua tiếp giápđược tăng lên, và ở hai khối bán dẫn n, p có một hiệuđiện thế, gọi là hiệu điện thế quang UΦ – Giá trị của dòng ngược và hiệu điện thế quang phụthuộc vào vật tư sản xuất, bước sóng ánh sáng vàcường độ chiếu sángLinh kiện quang-điệnNHATRANG UNIVERSITYĐiốt quang : Linh kiện quang-điệnNHATRANG UNIVERSITYĐiốt quang : Đặc tuyến quang và đặc tuyến V-A của photodiodeLinh kiện quang-điệnNHATRANG UNIVERSITY • Transistor quang : Là loại Transistor mà khikhông được chiếu sáng thì không có dòng điệnchạy qua Transistor, còn khi được chiếu sáng thìcó dòng điện chạy qua Transistor • Cấu tạo của transistor quang cũng giống nhưtransistor lưỡng cực, nhưng cực B không khôngnối ra chân điện cực mà thay vào đó là cửa sổcảm quang trong suốt • Nguyên lý thao tác của transistror quang cũngdựa vào hiện tượng kỳ lạ quang áp : – Khi chưa chiếu sáng thì không có dòng cực B do đótransistor không hoạt động giải trí – Khi chiếu sáng, do hiệu ứng quang áp làm xuất hiệndòng cực B, sẽ phân cực cho transistor hoạt độngLinh kiện quang-điệnNHATRANG UNIVERSITYTransistor quang : Đặc tuyến V-A của phototransistorLinh kiện điện-quangNHATRANG UNIVERSITY • Điốt phát quang ( LED ) : Là linh kiện hoàn toàn có thể phátra ánh sáng ( nhìn thấy hoặc không nhìn thấy ) khi được phân cực thuận • Nguyên lý hoạt động giải trí của LED dựa vào hiệntượng quang điện và sự tái hợp trực tiếp củacác hạt dẫn : – Khi electron nhận một nguồn năng lượng kích thích ( dướidạng nhiệt, điện, quang, … ) thì nó sẽ chuyển từ mứcnăng lượng cơ bản Ek ( thấp ) lên mức nguồn năng lượng caoEi ( cao ) – Electron chỉ ở trạng thái kích thích trong thời hạn rấtngắn ( 10-8 s ) rồi trở lại mức nguồn năng lượng cơ bản. Quátrình này là quy trình tái hợp của hạt dẫn và nănglượng của nó giải phóng ra dưới dạng ánh sáng cótấn số : ν = ( Ei-Ek ) / h, với h = 6,625. 10-34 Js là hằng sốPlankLinh kiện điện-quangNHATRANG UNIVERSITYĐiốt phát quang ( LED ) : Linh kiện điện-quangNHATRANG UNIVERSITY • Cấu tạo LED cũng gồm một tiếp giáp p-n như điốt thôngthường nhưng vật tư sản xuất và nồng độ pha tạp thìkhác. Tùy thuộc vào vật tư sản xuất và nồng độ pha tạpmà LED hoàn toàn có thể phát sáng với sắc tố khác nhau – Vật liệu sản xuất làGaAs cho ánh sánghồng ngoại – Vật liệu sản xuất làAlInGaP cho ánhsáng màu vàng-Vật liệu GaP choánh sáng màu xanhlá cây – Vật liệu sản xuất làAlGaAs cho ánhsáng màu đỏ-Vật liệu sản xuất làInGaN cho ánh sángLinh kiện điện-quangNHATRANG UNIVERSITYCấu tạo LED – Điện áp phân cực thuậncho LED lớn cỡ 2-3 V – Dòng điện qua LED cỡ15mAĐặc tuyến V-ALinh kiện điện-quangNHATRANG UNIVERSITY • Một số loại LED – LED đơn : Khi mắc LEDphải quan tâm mắc điện trởhạn dòng theo nguyên tắcVCC − U DR1 = ID – LED đôi : gồm 2 LED ( thường có màu khácnhau ) dùng trong một sốứng dụng đặc biệt quan trọng như đầuđọc đĩa CD / VCD, đèn báonguồn TVLinh kiện điện-quangNHATRANG UNIVERSITY • Một số loại LED – LED 7 đoạn : Là 7 LEDđược nối với nhau theokiểu Anot chung hoặc Katotchung, để hiển thị một sốloại ký tự ( thường là ký tựsố ) – LED ma trận : Là những LEDđược nối với nhau theo matrận hàng, cột, LED sẽsáng khi nó được cấpnguồn. LED ma trận đượcdùng để hiển thị những ký tựNHATRANG UNIVERSITYLinh kiện điện-quangLED ma trậnLED 7 đoạnLinh kiện điện-quangNHATRANG UNIVERSITY • LASER ( Light Amplifier by Stimulated Emission ofRadition ) bán dẫn : Là linh kiện quang học tạo ra ánhsáng đơn sắc có tính link về pha từ bức xạ tự phátcủa ánh sáng • Nguyên lý hoạt động giải trí của LASER dựa trên hiện tượngbức xạ kích thích : đó là quy trình hạt mang điện đang ởmức nguồn năng lượng kích thích bị cưỡng bức để trở về mứcnăng lượng cơ bản khi nó nhận được một năng lượngcưỡng bức hv. Khi đó anh sáng do nó phát ra có cùngpha và tần số bằng vLinh kiện điện-quangNHATRANG UNIVERSITY • LASER bán dẫn – Cấu tạo của LASER cũng giống như LED nhưng cóđiểm khác là ở tiếp giáp p-n có buồng cộng hưởngFabry-Perrot, nhằm mục đích giam giữ hạt mang điện và tạo rabức xạ kích thích – Vật liệu sản xuất LASER là hợp chất của GaAs và tùyvào loại vật tư sẽ quyết định hành động bước sóng của ánhsáng phát raBuồng cộnghưởngBộ ngẫu hợp quang điệnNHATRANG UNIVERSITY • Bộ ngẫu hợp quang điện ( OPTO ) : Là cấu kiện sử dụngcả hiệu ứng quang-điện và điện-quang. Trong mộtbuồng kín có 1 điốt phát quang được ghép với một linhkiện quang-điện ( Điốt quang, transistor quang, triacquang, … ) • Khi Điốt phát sáng thì thành phần quang điện ghép với nósẽ dẫn điện và nếu Điốt khống phát sáng thì phần tửquang-điện ghép với nó cũng không dẫn điện. Do vậy, tín hiệu được truyền đi mà cách li trọn vẹn giữa phíaphát và thuBộ ngẫu hợp quang điệnNHATRANG UNIVERSITY • Bộ ngẫu hợp quang điện ( OPTO ) : 4N25 H11D14N322MOC3020Các linh kiện hiển thịNHATRANG UNIVERSITY • Ống tia điện tử CRT ( Cathode Ray Tube ) : Làlinh kiện hiển thị dựa vào sự phát sáng của mànhình huỳnh quang khi có tia điện tử đập vàoCác linh kiện hiển thịNHATRANG UNIVERSITY • Cấu tạo ống tia điện tử CRT ( Cathode Ray Tube ) Vertical, HorizontalDeflecting : Hệthống lái tia theochiều ngang vàtheo chiều dọcCathode : Phát xạ điện tử, bên trong nó có sợi đôt ( Heater ) Lưới điều khiển và tinh chỉnh ( control grid ) : Điều khiển sự quy tụ, và giatốc cho dòng tia điện tửCác linh kiện hiển thịNHATRANG UNIVERSITY • Hiển thị tinh thể lỏng ( LCD : Liquid CrystalDisplay ) : Dựa trên năng lực điều khiển và tinh chỉnh độ sángcủa tinh thể lỏng khi có ánh sáng phân cựctruyền qua để hiển thị hình ảnh • Tinh thể lỏng : Là loại vật chất đặc biệt quan trọng cũng cócấu trúc tinh thể, nhưng những nút mạng tinh thểcó thể chuyển dời trong một khoanh vùng phạm vi hẹp. Mộtnhóm những tinh thể có cấu trúc tương tự như nhauđứng gần nhau sẽ tạo thành một lớp vật chât cótrục dạng xoắn và có năng lực thay đổi độ sángcủa ánh sáng phân cực truyền qua nó • Độ xoắn của lớp vật chất lại hoàn toàn có thể được điềukhiển bằng điện áp đặt vào nó, do vậy ta có thểdùng điện áp để điều khiển và tinh chỉnh ánh sáng khi qua lớptinh thể lỏngNHATRANG UNIVERSITYCác linh kiện hiển thịCác linh kiện hiển thịNHATRANG UNIVERSITY • Cấu tạo màn hình hiển thị LCD :
Linh kiện quang-điệnNHATRANG UNIVERSITY • Quang trở : Là linh kiện mà điện trở của nó giảmmạnh khi chiếu ánh sáng vào • Cấu tạo, nguyên tắc hoạt động giải trí : – Nguyên lý hoạt động giải trí của quang trở dựa trên hiệntượng quang điện trong : khi ánh sáng chiếu vàoquang trở, những electron bị kích thích và trở thànhelectron tự do, nên điện trở của quang trở giảm mạnh – Cấu tạo : Quang trở được làm từ vật tư một lớp vậtliệu quang điện trong ( như Cadimi Sunfit : CdS ; Cadimi Selenit : CdSn ; Kẽm Sunfit : ZnS ) rất mỏng dính phủlên một đế cách điện, tổng thể được bọc trong lớp bảovệ trong suốt và đưa 2 chân dẫn điệnLinh kiện quang-điện • Quang trởNHATRANG UNIVERSITYIΦ3Φ2Φ1RVΦLinh kiện quang-điệnNHATRANG UNIVERSITY • Điốt quang : Là loại điốt mà khi không đượcchiếu sáng thì không có dòng điện chạy quaĐiốt, còn khi được chiếu sáng thì có dòng điệnchạy qua Điốt • Nguyên lý hoạt động giải trí của Điốt quang dựa trênhiện tượng quang áp : – Khi chiếu sáng vào tiếp giáp p-n nguồn năng lượng của ánhsáng ( hν ≥ EG ), sẽ làm Open một cặp electron-lỗtrống – Điện trường tiếp xúc cuốn những điện tử từ bán dẫn psang bán dẫn n, và cuốn những lỗ trống từ bán dẫn nsang bán dẫn p. Kết quả là dòng ngược qua tiếp giápđược tăng lên, và ở hai khối bán dẫn n, p có một hiệuđiện thế, gọi là hiệu điện thế quang UΦ – Giá trị của dòng ngược và hiệu điện thế quang phụthuộc vào vật tư sản xuất, bước sóng ánh sáng vàcường độ chiếu sángLinh kiện quang-điệnNHATRANG UNIVERSITYĐiốt quang : Linh kiện quang-điệnNHATRANG UNIVERSITYĐiốt quang : Đặc tuyến quang và đặc tuyến V-A của photodiodeLinh kiện quang-điệnNHATRANG UNIVERSITY • Transistor quang : Là loại Transistor mà khikhông được chiếu sáng thì không có dòng điệnchạy qua Transistor, còn khi được chiếu sáng thìcó dòng điện chạy qua Transistor • Cấu tạo của transistor quang cũng giống nhưtransistor lưỡng cực, nhưng cực B không khôngnối ra chân điện cực mà thay vào đó là cửa sổcảm quang trong suốt • Nguyên lý thao tác của transistror quang cũngdựa vào hiện tượng kỳ lạ quang áp : – Khi chưa chiếu sáng thì không có dòng cực B do đótransistor không hoạt động giải trí – Khi chiếu sáng, do hiệu ứng quang áp làm xuất hiệndòng cực B, sẽ phân cực cho transistor hoạt độngLinh kiện quang-điệnNHATRANG UNIVERSITYTransistor quang : Đặc tuyến V-A của phototransistorLinh kiện điện-quangNHATRANG UNIVERSITY • Điốt phát quang ( LED ) : Là linh kiện hoàn toàn có thể phátra ánh sáng ( nhìn thấy hoặc không nhìn thấy ) khi được phân cực thuận • Nguyên lý hoạt động giải trí của LED dựa vào hiệntượng quang điện và sự tái hợp trực tiếp củacác hạt dẫn : – Khi electron nhận một nguồn năng lượng kích thích ( dướidạng nhiệt, điện, quang, … ) thì nó sẽ chuyển từ mứcnăng lượng cơ bản Ek ( thấp ) lên mức nguồn năng lượng caoEi ( cao ) – Electron chỉ ở trạng thái kích thích trong thời hạn rấtngắn ( 10-8 s ) rồi trở lại mức nguồn năng lượng cơ bản. Quátrình này là quy trình tái hợp của hạt dẫn và nănglượng của nó giải phóng ra dưới dạng ánh sáng cótấn số : ν = ( Ei-Ek ) / h, với h = 6,625. 10-34 Js là hằng sốPlankLinh kiện điện-quangNHATRANG UNIVERSITYĐiốt phát quang ( LED ) : Linh kiện điện-quangNHATRANG UNIVERSITY • Cấu tạo LED cũng gồm một tiếp giáp p-n như điốt thôngthường nhưng vật tư sản xuất và nồng độ pha tạp thìkhác. Tùy thuộc vào vật tư sản xuất và nồng độ pha tạpmà LED hoàn toàn có thể phát sáng với sắc tố khác nhau – Vật liệu sản xuất làGaAs cho ánh sánghồng ngoại – Vật liệu sản xuất làAlInGaP cho ánhsáng màu vàng-Vật liệu GaP choánh sáng màu xanhlá cây – Vật liệu sản xuất làAlGaAs cho ánhsáng màu đỏ-Vật liệu sản xuất làInGaN cho ánh sángLinh kiện điện-quangNHATRANG UNIVERSITYCấu tạo LED – Điện áp phân cực thuậncho LED lớn cỡ 2-3 V – Dòng điện qua LED cỡ15mAĐặc tuyến V-A
|
