Cảm Biến Quang

Cảm Biến Quang.

1.Tính chất và đơn vị đo ánh sáng – Cảm Biến Quang

a.Tính chất của ánh sáng – Cảm Biến Quang

Như chúng ta đã biết, ánh sáng vừa có tính chất sóng vừa có tính chất hạt.

Ánh sáng là một dạng của sóng điện từ, vùng ánh sáng nhìn thấy có bước sóng từ 0,4 – 0,75 μm. Trên hình biểu diễn phổ ánh sáng và sự phân chia thành các dải màu của phổ.

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

n-chiết suất của môi trường

Mối quan hệ giữa tần số v và bước sóng λ của ánh sáng xác định theo công thức:

• Khi môi trường là chân không: λ = c/v
• Khi môi trường là vật chất: λ = v/v 

Trong đó v là tần số ánh sáng

Tính chất hạt của ánh sáng thể hiện qua sự tương tác của ánh sáng với vật chất.

Ánh sáng gồm các hạt nhỏ gọi là photon, mỗi hạt mang một năng lượng nhất định, năng lượng này chỉ phụ thuộc tần số v của ánh sáng: V(Φ) =hv

Trong đó h là hằng số Planck(h=6,6256.10⁻ᶾ⁴J.s).

Bước sóng của bức xạ ánh sáng càng dài thì tính chất sóng thể hiện càng rõ, ngược lại khi bước sóng càng ngắn thì tính chất hạt thể hiện càng rõ.

b.Các đơn vị đo quang

• Đơn vị đo năng lượng

-Năng lượng bức xạ(Q): là năng lượng lan truyền hoặc hấp thụ dưới dạng bức xạ đo bằng Jun(J).

-Thông lượng ánh sáng (Φ): là công suất phát xạ, lan truyền hoặc hấp thụ đo bằng oat(W).

Φ=dQ/dt

-Cường độ độ ánh sáng (I): là luồng năng lượng phát ra theo một hướng cho trước ứng với một đơn vị gốc khối, tính bằng oat/steriadian.

I=dΦ/dΩ

-Độ chói năng lượng (L): là tỉ số giữa cường độ ánh sáng phát ra bởi một phần tử bề mặt có diện tích dA theo một hướng xác định và diện tích hình chiếu dA(n) của phần tử này trên mặt phẳng P vuông góc với hướng đó.

L=dI/dA(n)

Trong đó dA(n)=dA.cosθ, với θ là góc giữa P và mặt phẳng chứa dA.

Độ chói năng lượng đo bằng oat/Steriadian.m2.

-Độ rọi năng lượng(E): là tỉ số giữa luồng năng lượng thu được bởi một phần tư bề mặt và diện tích của phần tử đó.

E=dΦ/dA

Độ rọi năng lượng đo bằng oat/m2.

• Đơn vị đo thị giác

Độ nhạy của mắt người đối với ánh sáng có bước sóng khác nhau là khác nhau. Hình bên dưới biểu diễn độ nhạy tương đối của mắt V(λ) vào bước sóng. Các đại lượng thị giác nhận được từ đại lượng năng lượng tương ứng thông qua hệ số tỉ lệ K.V(λ).

Theo quy ước, một luồng ánh sáng có năng lượng 1W ứng với bước sóng λmax tương ứng với luồng ánh sáng bằng 680 lumen, do đó K=680.

Do vậy luồng ánh sáng đơn sắc tính theo đơn vị đo thị giác: Φv(λ)=680V(λ)Φ(λ)  lumen

Đối với ánh sáng phổ liên tục:

Tương tự như vậy ta có thể chuyển đổi tương ứng các đơn bị đo năng lượng và đơn vị đo thị giác.

Bảng liệt kê các đơn vị đo quang cơ bản.

2.Cảm biến quang dẫn – Cảm Biến Quang

a. Hiệu ứng quang dẫn – Cảm Biến Quang

Hiệu ứng quang dẫn ( hay còn gọi là hiệu ứng quang điện nội) là hiện tượng giải phóng những hạt tải điện ( hạt dẫn) trong vật liệu dưới tác dụng của ánh sáng làm tăng độ dẫn điện của vật liệu.

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 lượng tối thiểu bằng năng lượng liên kết W(ik). Khi điện tử được giải phóng khỏi nguyên tử, sẽ tạo thành hạt dẫn mới trong vật liệu.

Hạt dẫn được 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 trường hợp bán dẫn pha tạp, hạt dẫn được 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 dono Nd, có mức năng lượng nằm dưới vùng dẫn một khoảng bằng Wd đủ lớn để ở nhiệt độ phòng và khi ở trong tối nồng độ n(0) của các donor bị ion hóa do nhiệt độ là nhỏ.

Khi ở trong tối, nồng độ điện tử được giải phóng trong một đơn vị thời gian tỉ lệ với nồng độ các tạp chất chưa bị ion hóa và bằng a(Nd-n0) với hệ số a xác định theo công thức:

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 hóa trong một đơn vị thời gian tỉ lệ với các nguyên tử đã bị ion hóa n0 và nồng độ điện tử cũng chính bằng n0 và bằng r.n0², trong đó r là hệ số tái hợp.

Phương trình động học biểu diễn sự thay đổi nồng độ điện tử tự do trong khối vật liệu có dạng:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Trong đó μ là độ linh động của điện tử.

Khi nhiệt độ tăng, độ linh động của điển tử giảm, nhưng sự tăng mật độ điện tử tự do do sự kích thích nhiệt lớn hơn nhiều nên ảnh hưởng của nó là nhân tố quyết định đối với độ dẫn.

Khi chiếu sáng, các photon sẽ ion hóa các nguyên tử donor, giải phóng ta 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 lượng cho điện tử dưới dạng nhiệt năng, chỉ phần con lại mới tham gia vào giải phóng điện tử.

Do vậy, số điện tử (g) được giải phóng do bị chiếu sáng trong một giây ứng với một đơn vị thể tích vật liệu, xác định bởi công thức:

Trong đó:

G- số điện tử được 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.

η- hiệu suất lượng tử( số điện tử hoặc lỗ trống trung bình được giải phóng khi một photton bị hấp thụ).

R –  là hệ số phản xạ của bề mặt vật liệu.

λ- bước sóng ánh sáng

Φ – thông lượng ánh sáng

h- hằng số Planck.

Phương trình động học của tái hợp trong trường hợp này có dạng:

Thông thường bức xạ chiếu tới đủ lớn để số điện tử được giải phóng lớn hơn rất nhiều so với điện tử được giải phóng do nhiệt:

g>>a(Nd-n) và n>>n0

Vừa rồi mình đã giới thiệu về Cảm Biến Quang. Bài viết mang tính chất chia sẽ, hy vọng có thể giúp các bạn trong quá trình học tập và nghiên cứu.

Xem thêm: Nguyên lý chế tạo cảm biến

cách chọn công suất động cơ