-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 :

oại
0,01
0,1 0,4 0,75 1,2 10 30
100
cực tím
hồn
g
n
g
oại
h. n
g
oại xa
trông thấy
h.n.ngắn

(
à
m
)
Hình 2.1 Phổ ánh sáng

-25-

=

hW
(2.1)
Trong đó h là hằng số Planck (h = 6,6256.10
-34

L =
(2.4)
Trong đó dA
n
= dA.cos

, với

là góc giữa P và mặt phẳng chứa dA.
Độ chói năng lợng đo bằng oat/Steriadian.m
2
.
- Độ rọi năng lợng (E): là tỉ số giữa luồng năng lợng thu đợc bởi một phần tử
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().



=



d
d
)(d
)(V680
2
1
V
lumen
Tơng tự nh vậy ta có thể chuyển đổi tơng ứng các đơn vị đo năng lợng
và đơn vị đo thị giác.
Bảng 2.1 liệt kê các đơn vị đo quang cơ bản.
Bảng 2.1
Đại lợng đo Đơn vị thị giác Đơn vị năng lợng
Luồng (thông lợng) lumen(lm) oat(W)
Cờng độ cadela(cd) oat/sr(W/sr)
Độ chói cadela/m
2
(cd/m
2
) oat/sr.m
2
(W/sr.m
2
)

max-27-
Trong chất bán dẫn, các điện tử liên kết với hạt nhân, để giải phóng điện tử
khỏi nguyên tử cần cung cấp cho nó một năng lợng tối thiểu bằng năng lợng liên
kết W
lk
. Khi điện tử đợc giải phóng khỏi nguyên tử, sẽ tạo thành hạt dẫn mới trong
vật liệu.
Hạt dẫn đợc giải phóng do chiếu sáng phụ thuộc vào bản chất của vật liệu bị
chiếu sáng. Đối với các chất bán dẫn tinh khiết các hạt dẫn là cặp điện tử - lỗ trống.
Đối với trờng hợp bán dẫn pha tạp, hạt dẫn đợc giải phóng là điện tử nếu là pha
tạp dono hoặc là lỗ trống nếu là pha tạp acxepto.
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.


-
-
điện tử
h


+
Hình 2.3. ảnh hởng của bản chất vật liệu đến hạt dẫn đợc giải phóng
+ ++
W
d

+ +++
h

h

Vùn
g
dẫn
Vùn
g
hoá trị
Hình 2.4. Tế bào quang dẫn và sự chuyển mức năng lợng của điện t
ử

L
V
chiếu sán

()
2
00d
0
n.rnNa
dt
dn
=
ở trạng thái cân bằng ta có : 0
dt
dn
0
=
Suy ra:
2/1
d
2
2
0
r
N.a
r4
a
r.2
a
n






==
h
R1
.
L.A
1
V
G
g (2.9)
Trong đó:
G - số điện tử đợc giải phóng trong thể tích V trong thời gian một giây.
V=A.L, với A, L là diện tích mặt cạnh và chiều rộng tấm bán dẫn (hình 2.4).

-29-

- hiệu suất lợng tử (số điện tử hoặc lỗ trống trung bình đợc giải phóng khi
một photon bị hấp thụ).
R - là hệ số phản xạ của bề mặt vật liệu.

- bớc sóng ánh sáng.

- thông lợng ánh sáng.
h - hằng số Planck.
Phơng trình động học của tái hợp trong trờng hợp này có dạng:
()
2
d
n.rgnNa
dt

q
à
= . (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
. Thực nghiệm cho thấy số mũ của
hàm nằm trong khoảng 0,5 - 1.
2.2.2. Tế bào quang dẫn
a) Vật liệu chế tạo
Tế bào quang dẫn đợc chế tạo các bán dẫn đa tinh thể đồng nhất hoặc đơn tinh
thể, bán dẫn riêng hoặc bán dẫn pha tạp.
- Đa tinh thể: CdS, CdSe, CdTe.
PbS, PbSe, PbTe.
- Đơn tinh thể: Ge, Si tinh khiết hoặc pha tạp Au, Cu, Sb, In.
SbIn, AsIn, PIn, cdHgTe.
Vùng phổ làm việc của các vật liệu này biểu diễn trên hình 2.5
-30-

Tế bào quang dẫn có thể coi nh một mạch tơng đơng gồm hai điện trở R
c0
và R
cp
mắc song song:
Hình 2.5. Vùng phổ làm việc của một số vật liệu quang dẫn
0,2
0,6 1 2 3 4 5 10 20 30
CdS
CdSe
CdTe
PbS
PbSe
PbTe
Ge
Si
GeCu
SnIn
AsIn
CdH

cpco
c
RR
RR
R
+
=
(2.12)
Trong đó:
R
co
- điện trở trong tối.
R
cp
- điện trở khi chiếu sáng:

= aR
cp
.
a - hệ số phụ thuộc vào bản chất vật liệu, nhiệt độ, phổ bức xạ.


- hệ số có giá trị từ 0,5 - 1.
Thông thờng R
cp
<<R
c0
, nên có thể coi R
c
=R


/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:

=
a
V
I
P
(2.15)
Đối với luồng bức xạ có phổ xác định, tỉ lệ chuyển đổi tĩnh:

1
a
VI

=


)(
I
)(S


= (2.28)
-150 -100 -50 0 50
Nhiệt độ (
o
C)
10

30
50
100
b)
Nhiệt độ vật đen tu
y
ệt đối (K)
Đ
ộ
nh
ạy
tơn
g
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

Tại mặt tiếp xúc hình thành một vùng nghèo hạt dẫn vì tại vùng này tồn tại một điện
trờng và hình thành hàng rào thế V
b
.
Hình 2.9 Dùng tế bào quang dẫn điều khiển rơle
a) Điều khiển trực tiếp b) Điều khiển thông qua tranzito khuếch đại
+
+

-34-
Khi không có điện thế ở ngoài đặt lên chuyển tiếp (V=0), dòmg điện chạy qua
chuyển tiếp
i
= 0, thực tế dòng I chính là dòng tổng cộng của hai dòng điện bằng
nhau và ngợc chiều:
- Dòng khuếch tán các hạt cơ bản sinh ra khi ion hoá các tạp chất (lỗ trong
trong bán dẫn loại P, điện tử trong bán dẫn loại N) do năng lợng nhiệt của các hạt
dẫn cơ bản đủ lớn để vợt qua hàng rào thế.
- Dòng hạt dẫn không cơ bản sinh ra do kích thích nhiệt (điện tử trong bán dẫn
P, lỗ trống trong bán dẫn N) chuyển động dới tác dụng của điện trờng E trong
vùng nghèo.

xuất hiện thêm các cặp điện tử - lỗ trống. Để các hạt dẫn này tham gia dẫn điện cần
phải ngăn cản sự tái hợp của chúng, tức là nhanh chóng tách rời cặp điện tử - lỗ
trống. Sự tách cặp điện tử - lỗ trống chỉ xẩy ra trong vùng nghèo nhờ tác dụng của
điện trờng.
Vùn
g
chu
y
ển tiế
p
E
P
N
Vùn
g
n
g
hèo
V
b
Hình 2.10 Sơ đồ chuyển tiếp P - N và hiệu ứng quang điện trong vùng nghèo

+
N
P

h


+


b) Chế độ hoạt động
- Chế độ quang dẫn:
Sơ đồ nguyên lý (hình 2.12a) gồm một nguồn E
s
phân cực ngợc điôt và một
điện trở R
m
để đo tín hiệu. Dòng ngợc qua điôt:

p0
d
0r
II
kT

à
W
150
à
W
200
à
W
20
40
60
Thôn
g
lợn
g
I
r

E
S

+
I
N
P

+
Hình 2.11 Cấu tạo điôt loại PIN



d

0, ta có:

P0R
III +=

Thông thờng I
0
<<I
P
do đó I
R


I
P
.
Phơng trình mạch điện:

DR
VVE =
Trong đó
rmR
IRV = cho phép vẽ đờng thẳng tải

(hình 2.11b).
Dòng điện chạy trong mạch:

mm

= 0.
Ta có:
0II
kT
qV
expI
p0
d
0
=++







Rút ra:






+=
0
P
b
I
I

-37-
Khi chiếu sáng yếu I
P
<<I
0
:

0
P
OC
I
I
.
q
kT
V
=

Trong trờng hợp này V
OC
(kT/q=26mV ở 300K) nhỏ nhng phụ thuộc tuyến tính
vào thông lợng.
Khi chiếu sáng mạnh, I
P
>>I
0
và ta có:

0
P

chính bằng I
P
và tỉ lệ với thông lợng (hình 2.14):
PSC
II = Hình 2.13 Sự phụ thuộc của thế hở mạch vào thông lợng
Thôn
g
luợn
g
, mW
0,1 1 10 100
0
0,2
0,4
V
OC
, V
Hình 2.14 Sự phụ thuộc của dòng ngắn






=


=
hc
XexpR1q
I
)(S
P

Với
s
.
Độ nhạy phổ phụ thuộc vào

, hiệu suất lợng tử

, hệ số phản xạ R và hệ số
hấp thụ .

0,4
0,2
0,1
0,4 0,6 0,8
1,0
1,2

(
à
m)

P

0,04
S(

)
S(

P
)
0,3 0,4 0,5 0,6
0,7
0,8 0,9 1,0

(
à
m)
0
0,1

P
P
có giá trị khoảng0,1%/
o
C.
d) Sơ đồ ứng dụng photodiot
- Sơ đồ làm việc ở chế độ quang dẫn:
Đặc trng của chế độ quang dẫn:
+Độ tuyến tính cao.
+ Thời gian hồi đáp ngắn.
+ Dải thông lớn.
Hình 2.16 trình bày sơ đồ đo dòng ngợc trong chế độ quang dẫn.
Sơ đồ cơ sở
(hình 2.17a):

r
1
2
m0
I
R
R
1RV






+=

CRCR = . Bộ khuếch đại ở đây phải có dòng vào rất nhỏ và sự suy giảm do nhiệt
cũng phải không đáng kể.
- Sơ đồ làm việc ở chế độ quang thế:
Đặc trng của chế độ quang thế:
+ Có thể làm việc ở chế độ tuyến tính hoặc logarit tuỳ thuộc vào tải.
E
S

R
m

I
r

R
1

R
2

V
0
C
P1
R
m
E
S
R
1

sc
.
Trong chế độ này:
scm0
I.RV =

Sơ đồ logarit
(hình 2.18b): đo điện áp hở mạch V
oc
.
oc
1
2
0
V
R
R
1V






+=
V
co
R
1
R
2
V
0

+
_
I
OC

R
1
=R
m

R
m

V
0
_

+
Hình 2.18 Sơ đồ mạch đo ở chế độ quang áp
a)
b)

=
Dòng I
r
đóng vai trò dòng bazơ, nó gây nên dòng colectơ I
c
:

()
(
)
(
)
p0rc
I1I1I1I
+

+
+

=+

=


- hệ số khuếch đại dòng của tranzito khi đấu chung emitơ.
Có thể coi phototranzito nh tổ hợp của một photodiot và một tranzito (hình 2.19b).
Phodiot cung cấp dòng quang điện tại bazơ, còn tranzito cho hiệu ứng khếch đại .
Các điện tử và lỗ trống phát sinh trong vùng bazơ (dới tác dụng của ánh sáng) sẽ bị
phân chia dới tác dụng của điện trờng trên chuyển tiếp B - C.
Trong trờng hợp tranzito NPN, các điện tử bị kéo về phía colectơ trong khi lỗ

(
)
0cp
hc
XexpR1q1
I




+

=
Đối với một thông lợng
0
cho trớc, đờng cong phổ hồi đáp xác định bởi
bản chất của điot B-C: vật liệu chế tạo (thờng là Si) và loại pha tạp (hình 2.20). Đối
với một bớc sóng cho trớc, dòng colectơ I
c
không phải là hàm tuyến tính của

-42-
thông lợng hoặc độ chiếu sáng bởi vì hệ số khuếch đại

phụ thuộc vào dòng I
c
(tức
là cũng phụ thuộc thông lợng), nghĩa là
0
c

cổng logic hoặc một thyristo (hình 2.21).

S()
S(
p)
(%)
100
80
60
40
20
0,4 0,6 0,8 1,0

(
à
m)
Hình 2.20 Đờng cong phổ hồi đáp của photodio
t
+
+
+

2.2.5. Phototranzito hiệu ứng trờng
Phototranzito hiệu ứng trờng (photoFET) có sơ đồ tơng đơng nh hình
2.23.
Trong phototranzito hiệu ứng trờng, ánh sáng đợc sử dụng để làm thay đổi
điện trở kênh. Việc điều khiển dòng máng I
D
đợc thực hiện thông qua sự thay đổi
điện áp V
GS
giữa cổng và nguồn. Trong chế độ phân cực ngợc chuyển tiếp P-N giữa
cổng và kênh, điện áp này sẽ xác định độ rộng của kênh và do đó dòng máng có
dạng:

2
P
GS
DSSD
V
V
1II


hoặc bảo hoà và có thể coi độ hhạ
y
khôn
g
đổi. Tron
g
điều kiện đó, dòn
g
colectơ có dạng:
Hình 2.23 Phototranzito hiệu ứng trờng
a) Sơ đồ cấu tạo b) Sơ đồ mạch
-
G
D
S
b)
a)
S
G
D
+

-44-
V
P
- điện áp thắt kênh.
Khi bị chiếu sáng, chuyển tiếp P-N hoạt động nh một photodiot cho dòng ngợc:

P0r
III +=

2.3. Cảm biến quang điện phát xạ
2.3.1. Hiệu ứng quang điện phát xạ

Hiệu ứng quang điện phát xạ hay còn đợc gọi là hiệu ứng quang điện ngoài là
hiện tợng các điện tử đợc giải phóng khỏi bề mặt vật liệu tạo thành dòng khi chiếu
vào chúng một bức xạ ánh sáng có bớc sóng nhỏ hơn một ngỡng nhất định và có
thể thu lại nhờ tác dụng của điện trờng.
Cơ chế phát xạ điện tử khi chiếu sáng vật liệu xẩy ra theo ba giai đoạn:
- Hấp thụ photon và giải phóng điện tử bên trong vật liệu.
- Điện tử vừa đợc giải phóng di chuyển đến bề mặt.
- Điện tử thoát khỏi bề mặt vật liệu.
Khi một điện tử hấp thụ photon và đợc giải phóng, di chuyển của nó trong
khối vật liệu mang tính ngẫu nhiên theo mọi hớng, do đó chỉ một lợng rất nhỏ
hớng tới bề mặt. Mặt khác, trong quá trình di chuyển, các điện tử này có thể va
chạm với các điện tử khác và mất đi một phần năng lợng do đó chỉ một lợng nhỏ
điện tử đợc giải phóng tới đợc bề mặt. Mặt khác, sự phát xạ của các điện tử sau
khi đã đến đợc bề mặt chỉ có thể xẩy ra khi động năng của nó đủ thắng đợc hàng
rào thế phân cách vật liệu với môi trờng.
Với tất cả những điều kiện trên, số điện tử phát xạ trung bình khi một photon bị
hấp thụ (hiệu suất lợng tử ) thờng nhỏ hơn 10% và ít khi vợt quá 30%.

-45-
Vật liệu chế tạo: Phụ thuộc vào bớc sóng ánh sáng, vật liệu chế tạo photocatot
có thể chọn trong các loại sau:
- AgOCs nhạy ở vùng hồng ngoại.
- Cs
3
Sb, (Cs)Na
2
KSb và K

-6
- 10
-8
mmHg). Trong ống đặt một catot có khả
năng phát xạ khi đợc chiếu sáng và một anot. Sơ đồ tơng đơng và sự thay đổi của dòng anot I
a
phụ thuộc vào điện thế anot -
catot V
ak
biểu diễn trên hình 2.25.
4
3
2
1
0
20 40 60 80 100 120
Hình 2.25 Sơ đồ tơng đơng và đặc trng I - v của tế bào quang điện chân không
a)
b)

-46-
Đặc trng I - V có hai vùng rõ rệt:
+ Vùng điện tích không gian đặc trng bởi sự tăng mạnh của dòng khi điện áp
tăng.
+ Vùng bảo hoà đặc trng bởi sự phụ thuộc không đáng kể của dòng vào điện
áp.
Tế bào quang điện đợc sử dụng chủ yếu trong vùng bảo hoà, khi đó nó giống
nh một nguồn dòng, giá trị của dòng chỉ phụ thuộc vào thông lợng ánh sáng mà
nó nhận đợc. Điện trở trong

của tế bào quang điện rất lớn và có thể xác định từ
độ dốc của đặc tuyến ở vùng bảo hoà:









điện chân không. Khi điện áp cao, điện tử chuyển động với tốc độ lớn làm ion hoá
các nguyên tử khí, kết quả là dòng anot tăng lên từ 5 - 10 lần.
2.3.4. Thiết bị nhân quang
Khi bề mặt vật rắn bị bắn phá bởi các điện tử có năng lợng cao, nó có thể phát
xạ các điện tử (gọi là phát xạ thứ cấp). Nếu số điện tử phát xạ thứ cấp lớn hơn số
0,5.10
-2
lm
Hình 2.26 Đặc trng và độ nhạy của tế bào quang điện dạng khí
I
a
(àA)
V
ak
(V)
2
1
0
20 40 60 80 100 120
10
-2
lm
1,5.10
-2
lm
2.10
-2
lm
V
ak


Hệ số khuếch đại của thiết bị nhân quang xác định theo công thức:
()
n
tc
M =

c
- hệ số thu nhận điện tử hữu hiệu của các cực.

t
- hệ số chuyển tải hữu hiệu từ điện cực này sang điện cực khác.
- hệ số phát xạ thứ cấp (số điện tử thứ cấp phát ra khi có một điện tử đập vào điện
cực).
Với số điện cực n = 5 - 15, hệ số phát xạ thứ cấp

= 5 - 10 và

t
> 90%, thì M
~10
6
- 10
8
.