Bài giảng Linh kiện điêhn tử - Chương 8: Linh kiện quang điện tử

N
H
A
T
R
A
N
G
 U
N
IV
E
R
S
IT
Y
Chương 8:
Linh kiện quang điện tử
• Khái niệm và phân loại linh kiện quang điện tử
• Các linh kiện biến đổi quang-điện
• Các linh kiện biến đổi điện-quang
• Bộ ngẫu hợp quang điện
• Các linh kiện hiển thị
N
H
A
T
R
A
N
G
 U
N
IV
E
R
S
IT
Y
Khái niệm và phân loại linh kiện 
quang điện tử
• Khái niệm: Linh kiện quang điện tử là linh kiện
hoạt động dựa trên sự tương tác giữa ánh sáng
và tín hiệu điện. Ánh sáng được đề cập đến ở
đây là dải bức xạ điện từ có bước sóng từ 50nm
đến 100μm và được chia là 3 vùng chính:
– Vùng cực tím có bước sóng từ 50nm-380nm
– Vùng ánh sáng nhìn thấy được có bước sóng từ
380nm đến 780nm
– Vùng hồng ngoại có bước sóng từ 780nm-100μm
• Phân loại: Dựa trên sự tương tác giữa ánh
sáng và tín hiệu điện người ta chia thành 3 loại:
– Linh kiện điện-quang: Biến đổi tín hiệu điện thành ánh
sáng
– Linh kiện quang-điện: Biến đổi ánh sáng thành tín
hiệu điện
– Linh kiện kết hợp quang-điện, điện-quang:
– Các linh kiện hiển thị:
N
H
A
T
R
A
N
G
 U
N
IV
E
R
S
IT
Y
Linh kiện quang-điện
• Quang trở: Là linh kiện mà điện trở của nó giảm
mạnh khi chiếu ánh sáng vào
• Cấu tạo, nguyên lý hoạt động:
– Nguyên lý hoạt động của quang trở dựa trên hiện
tượng quang điện trong: khi ánh sáng chiếu vào
quang trở, các electron bị kích thích và trở thành
electron tự do, nên điện trở của quang trở giảm mạnh
– Cấu tạo: Quang trở được làm từ vật liệu một lớp vật
liệu quang điện trong (như Cadimi Sunfit: CdS;
Cadimi Selenit: CdSn; Kẽm Sunfit: ZnS) rất mỏng phủ
lên một đế cách điện, tất cả được bọc trong lớp bảo
vệ trong suốt và đưa 2 chân dẫn điện
N
H
A
T
R
A
N
G
 U
N
IV
E
R
S
IT
Y
Linh kiện quang-điện
• Quang trở
Φ1
Φ2
Φ3
Φ
R
I
V
N
H
A
T
R
A
N
G
 U
N
IV
E
R
S
IT
Y
Linh kiện quang-điện
• Điốt quang: Là loại điốt mà khi không được
chiếu sáng thì không có dòng điện chạy qua
Điốt, còn khi được chiếu sáng thì có dòng điện
chạy qua Điốt
• Nguyên lý hoạt động của Điốt quang dựa trên
hiện tượng quang áp:
– Khi chiếu sáng vào tiếp giáp p-n năng lượng của ánh
sáng (hν≥EG), sẽ làm xuất hiện một cặp electron-lỗ
trống
– Điện trường tiếp xúc cuốn các điện tử từ bán dẫn p
sang bán dẫn n, và cuốn các lỗ trống từ bán dẫn n
sang bán dẫn p. Kết quả là dòng ngược qua tiếp giáp
được tăng lên, và ở hai khối bán dẫn n, p có một hiệu
điện thế, gọi là hiệu điện thế quang UΦ
– Giá trị của dòng ngược và hiệu điện thế quang phụ
thuộc vào vật liệu chế tạo, bước sóng ánh sáng và
cường độ chiếu sáng
N
H
A
T
R
A
N
G
 U
N
IV
E
R
S
IT
Y
Linh kiện quang-điện
Điốt quang:
N
H
A
T
R
A
N
G
 U
N
IV
E
R
S
IT
Y
Linh kiện quang-điện
Điốt quang:
Đặc tuyến quang và đặc tuyến V-A của photodiode
N
H
A
T
R
A
N
G
 U
N
IV
E
R
S
IT
Y
Linh kiện quang-điện
• Transistor quang: Là loại Transistor mà khi
không được chiếu sáng thì không có dòng điện
chạy qua Transistor, còn khi được chiếu sáng
thì có dòng điện chạy qua Transistor
• Cấu tạo của transistor quang cũng giống như
transistor lưỡng cực, nhưng cực B không không
nối ra chân điện cực mà thay vào đó là cửa sổ
cảm quang trong suốt
• Nguyên lý làm việc của transistror quang cũng
dựa vào hiện tượng quang áp:
– Khi chưa chiếu sáng thì không có dòng cực B do đó
transistor không hoạt động
– Khi chiếu sáng, do hiệu ứng quang áp làm xuất hiện
dòng cực B, sẽ phân cực cho transistor hoạt động
N
H
A
T
R
A
N
G
 U
N
IV
E
R
S
IT
Y
Linh kiện quang-điện
Transistor quang:
Đặc tuyến V-A của phototransistor
N
H
A
T
R
A
N
G
 U
N
IV
E
R
S
IT
Y
Linh kiện điện-quang
• Điốt phát quang (LED): Là linh kiện có thể phát
ra ánh sáng (nhìn thấy hoặc không nhìn thấy)
khi được phân cực thuận
• Nguyên lý hoạt động của LED dựa vào hiện
tượng quang điện và sự tái hợp trực tiếp của
các hạt dẫn:
– Khi electron nhận một năng lượng kích thích (dưới
dạng nhiệt, điện, quang,) thì nó sẽ chuyển từ mức
năng lượng cơ bản Ek (thấp) lên mức năng lượng cao
Ei (cao)
– Electron chỉ ở trạng thái kích thích trong thời gian rất
ngắn (10-8s) rồi trở lại mức năng lượng cơ bản. Quá
trình này là quá trình tái hợp của hạt dẫn và năng
lượng của nó giải phóng ra dưới dạng ánh sáng có
tấn số: ν=(Ei-Ek)/h, với h=6,625.10-34Js là hằng số
Plank
N
H
A
T
R
A
N
G
 U
N
IV
E
R
S
IT
Y
Linh kiện điện-quang
Điốt phát quang (LED):
N
H
A
T
R
A
N
G
 U
N
IV
E
R
S
IT
Y
Linh kiện điện-quang
• Cấu tạo LED cũng gồm một tiếp giáp p-n như điốt thông
thường nhưng vật liệu chế tạo và nồng độ pha tạp thì
khác. Tùy thuộc vào vật liệu chế tạo và nồng độ pha tạp
mà LED có thể phát sáng với màu sắc khác nhau
- Vật liệu chế tạo là
GaAs cho ánh sáng
hồng ngoại
- Vật liệu chế tạo là
AlInGaP cho ánh
sáng màu vàng
-Vật liệu GaP cho
ánh sáng màu xanh
lá cây
- Vật liệu chế tạo là
AlGaAs cho ánh
sáng màu đỏ
-Vật liệu chế tạo là
InGaN cho ánh sáng
màu xanh lam
N
H
A
T
R
A
N
G
 U
N
IV
E
R
S
IT
Y
Linh kiện điện-quang
Cấu tạo LED
- Điện áp phân cực thuận 
cho LED lớn cỡ 2-3V
- Dòng điện qua LED cỡ 
15mA
Đặc tuyến V-A
N
H
A
T
R
A
N
G
 U
N
IV
E
R
S
IT
Y
Linh kiện điện-quang
• Một số loại LED
– LED đơn: Khi mắc LED
phải chú ý mắc điện trở
hạn dòng theo nguyên tắc
– LED đôi: gồm 2 LED
(thường có màu khác
nhau) dùng trong một số
ứng dụng đặc biệt như đầu
đọc đĩa CD/VCD, đèn báo
nguồn TV
D
DCC
I
UV
R

1
N
H
A
T
R
A
N
G
 U
N
IV
E
R
S
IT
Y
Linh kiện điện-quang
• Một số loại LED
– LED 7 đoạn: Là 7 LED
được nối với nhau theo
kiểu Anot chung hoặc Katot
chung, để hiển thị một số
loại ký tự (thường là ký tự
số)
– LED ma trận: Là các LED
được nối với nhau theo ma
trận hàng, cột, LED sẽ
sáng khi nó được cấp
nguồn. LED ma trận được
dùng để hiển thị các ký tự
N
H
A
T
R
A
N
G
 U
N
IV
E
R
S
IT
Y
Linh kiện điện-quang
LED ma trận LED 7 đoạn
N
H
A
T
R
A
N
G
 U
N
IV
E
R
S
IT
Y
Linh kiện điện-quang
• LASER (Light Amplifier by Stimulated Emission of
Radition) bán dẫn: Là linh kiện quang học tạo ra ánh
sáng đơn sắc có tính liên kết về pha từ bức xạ tự phát
của ánh sáng
• Nguyên lý hoạt động của LASER dựa trên hiện tượng
bức xạ kích thích: đó là quá trình hạt mang điện đang ở
mức năng lượng kích thích bị cưỡng bức để trở về mức
năng lượng cơ bản khi nó nhận được một năng lượng
cưỡng bức hv. Khi đó anh sáng do nó phát ra có cùng
pha và tần số bằng v
N
H
A
T
R
A
N
G
 U
N
IV
E
R
S
IT
Y
Linh kiện điện-quang
• LASER bán dẫn
– Cấu tạo của LASER cũng giống như LED nhưng có
điểm khác là ở tiếp giáp p-n có buồng cộng hưởng
Fabry-Perrot, nhằm giam giữ hạt mang điện và tạo ra
bức xạ kích thích
– Vật liệu chế tạo LASER là hợp chất của GaAs và tùy
vào loại vật liệu sẽ quyết định bước sóng của ánh
sáng phát ra
Buồng cộng 
hưởng
N
H
A
T
R
A
N
G
 U
N
IV
E
R
S
IT
Y
Bộ ngẫu hợp quang điện
• Bộ ngẫu hợp quang điện (OPTO): Là cấu kiện sử dụng
cả hiệu ứng quang-điện và điện-quang. Trong một
buồng kín có 1 điốt phát quang được ghép với một linh
kiện quang-điện (Điốt quang, transistor quang, triac
quang,)
• Khi Điốt phát sáng thì phần tử quang điện ghép với nó
sẽ dẫn điện và nếu Điốt khống phát sáng thì phần tử
quang-điện ghép với nó cũng không dẫn điện. Do vậy,
tín hiệu được truyền đi mà cách li hoàn toàn giữa phía
phát và thu
N
H
A
T
R
A
N
G
 U
N
IV
E
R
S
IT
Y
Bộ ngẫu hợp quang điện
• Bộ ngẫu hợp quang điện (OPTO):
4N25
H11D1
MOC3020
4N322
N
H
A
T
R
A
N
G
 U
N
IV
E
R
S
IT
Y
Các linh kiện hiển thị
• Ống tia điện tử CRT (Cathode Ray Tube): Là
linh kiện hiển thị dựa vào sự phát sáng của màn
hình huỳnh quang khi có tia điện tử đập vào
N
H
A
T
R
A
N
G
 U
N
IV
E
R
S
IT
Y
Các linh kiện hiển thị
• Cấu tạo ống tia điện tử CRT (Cathode Ray Tube)
Cathode: Phát xạ điện tử, bên trong nó có sợi đôt (Heater)
Lưới điều khiển (control grid): Điều khiển sự hội tụ, và gia 
tốc cho dòng tia điện tử
Vertical, Horizontal 
Deflecting: Hệ 
thống lái tia theo 
chiều ngang và 
theo chiều dọc
N
H
A
T
R
A
N
G
 U
N
IV
E
R
S
IT
Y
Các linh kiện hiển thị
• Hiển thị tinh thể lỏng (LCD: Liquid Crystal
Display): Dựa trên khả năng điều khiển độ sáng
của tinh thể lỏng khi có ánh sáng phân cực
truyền qua để hiển thị hình ảnh
• Tinh thể lỏng: Là loại vật chất đặc biệt cũng có
cấu trúc tinh thể, nhưng các nút mạng tinh thể
có thể di chuyển trong một phạm vi hẹp. Một
nhóm các tinh thể có cấu trúc tương tự nhau
đứng gần nhau sẽ tạo thành một lớp vật chât có
trục dạng xoắn và có khả năng thay đổi độ sáng
của ánh sáng phân cực truyền qua nó
• Độ xoắn của lớp vật chất lại có thể được điều
khiển bằng điện áp đặt vào nó, do vậy ta có thể
dùng điện áp để điều khiển ánh sáng khi qua
lớp tinh thể lỏng
N
H
A
T
R
A
N
G
 U
N
IV
E
R
S
IT
Y
Các linh kiện hiển thị
N
H
A
T
R
A
N
G
 U
N
IV
E
R
S
IT
Y
Các linh kiện hiển thị
• Cấu tạo màn hình LCD:
N
H
A
T
R
A
N
G
 U
N
IV
E
R
S
IT
Y
Các linh kiện hiển thị
• Cấu tạo màn hình LCD:
– (6): Lớp nền: Cung cấp ánh sáng nền (ánh sáng trắng) có vô số
phương phân cực khác nhau. Thường là đèn huỳnh quang hoặc
đèn xenon
– (5): Kính lọc phân cực ngang, chỉ cho ánh sáng có phương phân
cực ngang đi qua
– (2); (4): Điện cực trong suốt, được nối với tín hiệu đưa vào, có
tác dụng điều khiển độ xoắn của lớp tinh thể lỏng
– (1): Kính lọc phân cực dọc và lớp bảo vệ, chỉ cho ánh sáng có
phương phân cực dọc đi qua
– (3): Lớp tinh thể lỏng, độ xoắn của lớp tinh thể lỏng được điều
khiển bởi điện cực (3), (5)
• Nguyên lý hoạt động:
– Ánh sáng trắng từ (6)→(5), chỉ có ánh sáng phân cực ngang là
qua được
– Độ xoắn của (3) được điều khiển bởi điện áp tín hiệu vào (2),
(4), do đó ánh sáng từ (5) tới cũng thay đổi theo điện áp tín hiệu
vào
– Sau khi qua (3), (2) chỉ có ánh sáng phân cực dọc mới qua được
(1) để đến mắt người quan sát