Giáo trình

Kỹ thuật Điện tử

Science and Technology

Linh kiện quang Điện tử

Tổng quan

Do yêu cầu đòi hỏi ngày càng nhanh và phức tạp của công nghệ thông tin, do những ưu điểm của các hệ thống thông tin quang, mà các thiết bị điện tử hiện nay đang sử dụng rất nhiều các linh kiện quang như LED, LCD, quang trở, photođiốt, tranzito quang, LASER, sợi quang dẫn, các bộ ghép quang...Tiêu biểu cho sự tiến bộ nhanh chóng của công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn quang là sự phát hiện chất bán dẫn được liên kết từ các nguyên tố ở nhóm III và nhómV của bảng tuần hoàn Menđêlêep.

Trong chương này sẽ trình bày về cấu tạo và nguyên lý làm việc cũng như các tham số cơ bản của các linh kiện quang điện tử thường được sử dụng trong kỹ thuật thông tin hiện nay.

Đồng thời trình bày một số sơ đồ mạch ứng dụng của chúng.

Phát quang và cảm quang

Cơ sở nguyên lý

Quá trình hấp thụ:

Quá trình hấp thụ (hình 11.1a) là quá trình mà tại đó khi có một photon tương tác với vật chất thì một điện tử ở mức năng lượng cơ bản Ek sẽ nhận thêm năng lượng của photon (quang năng) và nhảy lên mức năng lượng kích thích Ei.

Quá trình bức xạ tự phát:

Bức xạ tự phát là quá trình mà các điện tử nhảy lên mức năng lượng kích thích Ei, nhưng chúng nhanh chóng trở về mức năng lượng cơ bản Ek và phát ra photon có năng lượng hν. Mỗi một bức xạ tự phát ta thu được một photon.

Hiện tượng này xảy ra không có sự kích thích bên ngoài nào và được gọi là quá trình bức xạ tự phát. Bức xạ này đẳng hướng và có pha ngẫu nhiên.

Quá trình bức xạ kích thích:

Nếu có một photon có năng lượng hν tới tương tác với vật chất mà trong lúc đó có một điện tử đang còn ở trạng thái kích thích Ei, thì điện tử này được kích thích và ngay lập tức nó di chuyển trở về mức năng lượng cơ bản Ek và bức xạ ra một photon khác có năng lượng cũng đúng bằng ν h . Photon mới bức xạ ra này có cùng pha với photon đi đến và được gọi là bức xạ kích thích (hay bức xạ cảm ứng). Xem hình 11.1c.

Ba quá trình chủ yếu của sự tương tác giữa ánh sáng và vật chất

LED phát ánh sáng nhìn thấy

Điôt phát quang là linh kiện bán dẫn quang điện tử. Nó có khả năng phát ra ánh sáng khi có hiện tượng tái hợp xảy ra trong tiếp xúc P-N. Điốt phát quang thường được gọi tắt là LED do viết tắt từ các từ tiếng Anh: Light- Emitting Diode. Tuỳ theo vật liệu chế tạo mà ta có ánh sáng bức xạ ra ở các vùng bước sóng khác nhau.

Trong mục này ta sẽ trình bày trước hết về LED bức xạ ra ánh sáng nhìn thấy gọi là LED chỉ thị. LED chỉ thị có ưu điểm là tần số hoạt động cao, kích thước nhỏ, công suất tiêu hao nhỏ, không sụt áp khi bắt đầu làm việc. LED không cần kính lọc mà vẫn cho ra màu sắc. LED chỉ thị rất rõ khi trời tối. Tuổi thọ của LED khoảng 100 ngàn giờ.

Cấu tạo:

Điôt phát quang gồm có một lớp tiếp xúc P-N và hai chân cực anốt (A), catốt (K). Anốt được nối với bán dẫn loại P, còn catốt được nối với bán dẫn loại N.

Hình dưới mô tả mô hình cấu tạo của LED và ký hiệu trong các sơ đồ mạch.

Mô hình cấu tạo và ký hiệu của LED

Nguyên lý làm việc:

Sơ đồ nguyên lý đấu LED mô tả trong hình dưới

Sơ đồ nguyên lý của LED

Khi LED phân cực thuận, các hạt dẫn đa số khuếch tán ồ ạt qua tiếp xúc P-N, chúng gặp nhau sẽ tái hợp và các photon được phát sinh. Tốc độ tái hợp trong quá trình bức xạ tự phát này tỉ lệ với nồng độ điện tử trong phần bán dẫn P và nồng độ lỗ trống trong phần bán dẫn N. Đây là các hạt dẫn thiểu số trong chất bán dẫn. Như vậy, để tăng số photon bức xạ ra cần phải gia tăng nồng độ hạt dẫn thiểu số trong các phần bán dẫn. Cường độ dòng điện của điôt tỉ lệ với nồng độ hạt dẫn được "chích" vào các phần bán dẫn, do đó cường độ phát quang của LED tỉ lệ với cường độ dòng điện qua điôt.

Như vậy LED có khả năng biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang, nên nó được coi là dụng cụ phát quang.

Điện áp phân cực cho LED gần bằng độ rộng vùng cấm của vật liệu, do đó, các LED bức xạ ở các bước sóng khác nhau sẽ được chế tạo từ các vật liệu bán dẫn có độ rộng vùng cấm khác nhau và điện áp phân cực cho chúng cũng khác nhau. Tuy nhiên LED có điện áp phân cực thuận tương đối cao (khoảng từ 1,6 v đến 3 v) và có điện áp ngược cho phép tương đối thấp (khoảng từ 3 v đến 5 v).

LED phát hồng ngoại

Đối với các hệ thống thông tin quang yêu cầu tốc độ bit xấp xỉ 100 đến 200Mbit/s cùng sợi quang đa mốt với công suất quang khoảng vài chục μw, các điôt phát quang bán dẫn thường là các nguồn sáng tốt nhất.

Cấu tạo:

Cấu tạo của LED hồng ngoại cơ bản là giống các LED chỉ thị. Để bức xạ ánh sáng hồng ngoại, LED hồng ngoại được chế tạo từ vật liệu Galium Asenit (GaAs) với độ rộng vùng cấm EG = 1,43 eV tương ứng với bức xạ bước sóng khoảng 900nm.

Hình dưới mô tả cấu trúc của một LED hồng ngoại bức xạ ánh sáng 950nm.

Cấu trúc của LED hồng ngoại bức xạ bước sóng 950nm

Trong phần epitaxy lỏng trong suốt GaAs (N) tạo một lớp tinh thể có tính chất lưỡng tính với tạp chất Silic là GaAsSi (N) và một tiếp xúc P-N được hình thành. Với sự pha tạp chất Silic ta có bức xạ với bước sóng 950 nm Mặt dưới của LED được mài nhẵn tạo thành một gương phản chiếu tia hồng ngoại phát ra từ lớp tiếp xúc P-N.

Nguyên lý làm việc:

Hình dưới mô tả sơ đồ nguyên lý đấu nối LED hồng ngoại trong mạch điện.

Sơ đồ nguyên lý của LED hồng ngoại

Khi phân cực thuận cho điôt, các hạt dẫn đa số sẽ khuếch tán qua tiếp xúc P-N, chúng tái hợp với nhau và phát ra bức xạ hồng ngoại. Các tia hồng ngoại bức xạ ra theo nhiều hướng khác nhau. Những tia hồng ngoại có hướng đi vào trong các lớp chất bán dẫn, gặp gương phản chiếu sẽ được phản xạ trở lại để đi ra ngoài theo cùng hướng với các tia khác. Điêù này làm tăng hiệu suất của LED.

Ánh sáng hồng ngoại có đặc tính quang học giống như ánh sáng nhìn thấy, nghĩa là nó có khả năng hội tụ, phân kỳ qua thấu kính, có tiêu cự.... Tuy nhiên, ánh sáng hồng ngoại rất khác ánh sáng nhìn thấy ở khả năng xuyên suốt qua vật chất, trong đó có chất bán dẫn. Điều này giải thích tại sao LED hồng ngoại có hiệu suất cao hơn LED chỉ thị vì tia hồng ngoại không bị yếu đi khi vượt qua các lớp bán dẫn để ra ngoài.

Tuổi thọ của LED hồng ngoại dài đến 100000 giờ. LED hồng ngoại không phát ra ánh sáng nhìn thấy nên rất có lợi trong các thiết bị kiểm soát vì không gây sự chú ý.

Các ứng dụng cơ bản

LED dùng làm báo hiệu

LED được sử dụng làm đèn báo cho các thiết bị điện tử, đèn hiển thị chức năng, báo hiệu mức âm lượng,...

Optocouple (Ghép quang điện)

Optocouple là linh kiện cho phép ghép nối tín hiệu giữa hai hệ thống mà không đỏi hỏi phải tiếp xúc trực tiêp. Linh kiện này có một hệ thống thu phát quang.

Barriers ánh sáng

Sử dụng làm bức rào chắn ánh sáng, ứng dụng trong các hệ thống đòi hỏi phải được bảo vệ, bảo mật.

Điều khiển từ xa bằng ánh sáng

Các bộ điều khiển từ xa bằng ánh sáng nằm ở trong dải ánh sáng hồng ngoại