-24-
Chơng II
Cảm biến quang
2.1. Tính chất và đơn vị đo ánh sáng
2.1.1. Tính chất của ánh sáng
Nh chúng ta đã biết, ánh sáng vừa có tính chất sóng vừa có tính chất hạt.

á
nh sáng là một dạng của sóng điện từ, vùng ánh sáng nhìn thấy có bớc sóng
từ 0,4 - 0,75 àm. Trên hình 2.1 biểu diễn phổ ánh sáng và sự phân chia thành các dải
màu của phổ.

Vận tốc truyền ánh sáng trong chân không c = 299.792 km/s, trong môi trờng
vật chất vận tốc truyền sóng giảm, đợc xác định theo công thức:
n
c
v =

n - chiết suất của môi trờng.
Mối quan hệ giữa tần số và bớc sóng của ánh sáng xác định bởi biểu thức:
- Khi môi trờng là chân không :

100
cực tím
hồn
g ngoại
h. ngoại xa
trông thấy
h.n.ngắn
(àm)
Hình 2.1 Phổ ánh sáng

-25-
=

hW
(2.1)
Trong đó h là hằng số Planck (h = 6,6256.10
-34
J.s).
Bớc sóng của bức xạ ánh sáng càng dài thì tính chất sóng thể hiện càng rõ,
ngợc lại khi bớc sóng càng ngắn thì tính chất hạt thể hiện càng rõ.
2.1.2. Các đơn vị đo quang
a) Đơn vị đo năng lợng
- Năng lợng bức xạ (Q): là năng lợng lan truyền hoặc hấp thụ dới dạng bức xạ đo
bằng Jun (J).
- Thông lợng ánh sáng (

): là công suất phát xạ, lan truyền hoặc hấp thụ đo bằng
oat (W):
dt
dQ

bề mặt và diện tích của phần tử đó.
dA
d
E

=
(2.5)
Độ rọi năng lợng đo bằng oat/m
2
.
b) Đơn vị đo thị giác

Độ nhạy của mắt ngời đối với ánh sáng có bớc sóng khác nhau là khác nhau.
Hình 2.2 biểu diễn độ nhạy tơng đối của mắt V(

) vào bớc sóng. Các đại lợng
thị giác nhận đợc từ đại lợng năng lợng tơng ứng thông qua hệ số tỉ lệ K.V().

-26-
Theo quy ớc, một luồng ánh sánh có năng lợng 1W ứng với bớc sóng
max

Cờng độ cadela(cd) oat/sr(W/sr)
Độ chói cadela/m
2
(cd/m
2
) oat/sr.m
2
(W/sr.m
2
)
Độ rọi lumen/m
2
hay lux (lx) oat/m
2
(W/m
2
)
Năng lợng lumen.s (lm.s) jun (j)

2.2. Cảm biến quang dẫn
2.2.1. Hiệu ứng quang dẫn
Hiệu ứng quang dẫn (hay còn gọi là hiệu ứng quang điện nội) là hiện tợng
giải phóng những hạt tải điện (hạt dẫn) trong vật liệu dới tác dụng của ánh sáng
làm tăng độ dẫn điện của vật liệu.
Hình 2.2 Đờng cong độ nhạy tơng đối của mắt

(
à
m)
V(

Giả sử có một tấm bán dẫn phẳng thể tích V pha tạp loại N có nồng độ các
donor N
d
, có mức năng lợng nằm dới vùng dẫn một khoảng bằng W
d
đủ lớn để ở
nhiệt độ phòng và khi ở trong tối nồng độ n
0
của các donor bị ion hoá do nhiệt là
nhỏ. Khi ở trong tối, nồng độ điện tử đợc giải phóng trong một đơn vị thời gian tỉ
lệ với nồng độ các tạp chất cha bị ion hoá và bằng a(N
d
-n
o
), với hệ số a xác định
theo công thức:
+
lổ trống

-28-






=
kT
qW
expa
d
(2.6)
Trong đó q là trị tuyệt đối của điện tích điện tử, T là nhiệt độ tuyệt đối của
khối vật liệu, k là hằng số.
Số điện tử tái hợp với các nguyên tử đã bị ion hoá trong một đơn vị thời gian tỉ
lệ với các nguyên tử đã bị ion hoá n
0
và nồng độ điện tử cũng chính bằng n
0
và bằng
r.
2
0
n
, trong đó r là hệ số tái hợp.
Phơng trình động học biểu diễn sự thay đổi nồng độ điện tử tự do trong khối
vật liệu có dạng:
()
2






++=
(2.7)
Độ dẫn trong tối đợc biểu diễn bởi hệ thức:
00
nqà=
(2.8)
Trong đó
à
là độ linh động của điện tử.
Khi nhiệt độ tăng, độ linh động của điện tử giảm, nhng sự tăng mật độ điện tử
tự do do sự kích thích nhiệt lớn hơn nhiều nên ảnh hởng của nó là nhân tố quyết
định đối với độ dẫn.
Khi chiếu sáng, các photon sẽ ion hoá các nguyên tử donor, giải phóng ra các
điện tử. Tuy nhiên không phải tất cả các photon đập tới bề mặt vật liệu đều giải
phóng điện tử, một số bị phản xạ ngay ở bề mặt, một số bị hấp thụ và chuyển năng
lợng cho điện tử dới dạng nhiệt năng, chỉ phần còn lại mới tham gia vào giải
phóng điện tử. Do vậy, số điện tử (g) đợc giải phóng do bị chiếu sáng trong một
giây ứng với một đơn vị thể tích vật liệu, xác định bởi công thức:
( )



==
h
R1


()
nNag
d
>>
và n>>n
0

Trong điều kiện trên, rút ra phơng trình động học cho mật độ điện tử ở điều kiện
cân bằng dới tác dụng chiếu sáng:
2/1
r
g
n






=
(2.10)
Độ dẫn tơng ứng với nồng độ điện tử ở điều kiện cân bằng:

nqà=
. (2.11)
Từ công thức (2.9), (2.10) và (2.11) ta nhận thấy độ dẫn là hàm không tuyến
tính của thông lợng ánh sáng, nó tỉ lệ với

1/2

C0
của các quang điện trở phụ thuộc rất lớn vào hình
dạng hình học, kích thớc, nhiệt độ và bản chất hoá lý của vật liệu chế tạo. Các chất
PbS, CdS, CdSe có điện trở tối rất lớn ( từ 10
4


- 10
9


ở 25
o
C), trong khi đó SbIn,
SbAs, CdHgTe có điện trở tối tơng đối nhỏ ( từ 10 - 10
3
ở 25
o
C). Điện trở R
c

của cảm biến giảm rất nhanh khi độ rọi tăng lên. Trên hình 2.6 là một ví dụ về sự
thay đổi của điện trở cảm biến theo độ rọi sáng.


Độ rọi sán
g (lx)
0,1 1 10 100
10
2

10
4

10
6

10
6

1000

-31-

cpco
cpco
c
RR
RR
R
+
=
(2.12)
Trong đó:
R

GGG += (2.1)
Trong đó:
- G
co
là độ dẫn trong tối: G
co
= 1/R
co
.
- G
cp
là điện trở khi chiếu sáng: G
co
= 1/R
cp
=


/a.
Khi đặt điện áp V vào tế bào quang dẫn, dòng điện qua mạch:

P0cpco
IIVGVGI +=+=

Trong điều kiện sử dụng thông thờng I
0
<<I
P
, do đó dòng quang điện của tế bào
quang dẫn xác định bởi biểu thức:

- Khi điện áp đặt vào đủ nhỏ, độ nhạy tỷ lệ thuận với điện áp đặt vào tế bào
quang dẫn. Khi điện áp đặt vào lớn, hiệu ứng Joule làm tăng nhiệt độ, dẫn đến độ
nhạy giảm (hình 2.7).
Trờng hợp bức xạ ánh sáng là đơn sắc, I
p
phụ thuộc vào

, độ nhạy phổ của tế
bào quang dẫn xác định nhờ đờng cong biểu diễn sự phụ thuộc của hồi đáp vào
bớc sóng (hình 2.8a)
3
1
3
5
10
30
50
100
b)
Nhiệt độ vật đen tuyệt đối (K)
Độ nhạy tơng đối
300
400 500
10
-3
10
-2
10
-1
1
5
10

-33-
Độ nhạy phổ của tế bào quang dẫn là hàm phụ thuộc nhiệt độ nguồn sáng,
khi nhiệt độ tăng độ nhạy phổ tăng.
Khi bức xạ không phải là đơn sắc, dòng I
p
và do đó độ nhạy toàn phần phụ
thuộc phổ bức xạ (hình 2.8b).

.
Hình 2.9 Dùng tế bào quang dẫn điều khiển rơle
a) Điều khiển trực tiếp b) Điều khiển thông qua tranzito khuếch đại
+
+