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

Chương 8:Linh kiện quang điện tửKhái niệm và phân loại linh kiện quang điện tửCác linh kiện biến đổi quang-điện Các linh kiện biến đổi điện-quangBộ ngẫu hợp quang điệnCác linh kiện hiển thịKhái niệm và phân loại linh kiện quang điện tửKhái 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-380nmVùng ánh sáng nhìn thấy được có bước sóng từ 380nm đến 780nmVùng hồng ngoại có bước sóng từ 780nm-100μmPhân 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 sángLinh kiện quang-điện: Biến đổi ánh sáng thành tín hiệu điệnLinh kiện kết hợp quang-điện, điện-quang:Các linh kiện hiển thị:Linh kiện quang-điệnQuang trở: Là linh kiện mà điện trở của nó giảm mạnh khi chiếu ánh sáng vàoCấu 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 mạnhCấu 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 điệnLinh kiện quang-điệnQuang trởΦ1Φ2Φ3ΦRIVLinh kiện quang-điệnĐiốt 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 ĐiốtNguyên 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 trốngĐiện 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 UΦGiá trị của dòng ngược và hiệu điện thế quang phụ thuộc vào vật liệu chế tạo, bước sóng ánh sáng và cường độ chiếu sángLinh kiện quang-điệnĐiốt quang:Linh kiện quang-điệnĐiốt quang:Đặc tuyến quang và đặc tuyến V-A của photodiodeLinh kiện quang-điệnTransistor 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 TransistorCấu 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 suốtNguyên 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 độngKhi chiếu sáng, do hiệu ứng quang áp làm xuất hiện dòng cực B, sẽ phân cực cho transistor hoạt độngLinh kiện quang-điệnTransistor quang:Đặc tuyến V-A của phototransistorLinh kiện điện-quangĐiốt phát quang (LED): Là linh kiện có thể phát ra ánh sáng (nhìn thấy hoặc không nhìn thấy) khi được phân cực thuậnNguyên 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 PlankLinh kiện điện-quangĐiốt phát quang (LED):Linh kiện điện-quangCấu 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 vàngVật liệu GaP cho ánh sáng màu xanh lá cây Vật liệu chế tạo là AlGaAs cho ánh sáng màu đỏVật liệu chế tạo là InGaN cho ánh sáng màu xanh lamLinh kiện điện-quangCấu tạo LED- Điện áp phân cực thuận cho LED lớn cỡ 2-3V- Dòng điện qua LED cỡ 15mAĐặc tuyến V-ALinh kiện điện-quangMột số loại LEDLED đơn: Khi mắc LED phải chú ý mắc điện trở hạn dòng theo nguyên tắcLED 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 TVLinh kiện điện-quangMột số loại LEDLED 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 tựLinh kiện điện-quangLED ma trậnLED 7 đoạnLinh kiện điện-quangLASER (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 sángNguyên 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 vLinh kiện điện-quangLASER bán dẫnCấu 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 thíchVật liệu chế tạo LASER là hợp chất của GaAs và tùy vào loại vật liệu sẽ quyết định bước sóng của ánh sáng phát raBuồng cộng hưởngBộ ngẫu hợp quang điệnBộ 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 thuBộ ngẫu hợp quang điệnBộ ngẫu hợp quang điện (OPTO):4N25H11D1MOC30204N322Các linh kiện hiển thịỐng 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 vàoCác linh kiện hiển thịCấu 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 tửVertical, Horizontal Deflecting: Hệ thống lái tia theo chiều ngang và theo chiều dọcCác linh kiện hiển thịHiển 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 ảnhTinh 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 nóĐộ 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 lỏngCác linh kiện hiển thịCác linh kiện hiển thịCấu tạo màn hình LCD:Các linh kiện hiển thịCấu 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 đượcĐộ 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 vàoSau khi qua (3), (2) chỉ có ánh sáng phân cực dọc mới qua được (1) để đến mắt người quan sát