Nghiên Cứu Về Photodiod và Ứng Dụng Trong Kỹ Thuật Điện Tử

Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu tốt nghiệp vật lý tìm hiểu về photodiod ứng dụng lắp mạch thu tín hiệu hồng ngoại và mạch điện tử, vận dụng lý thuyết vào thực tế, đề xuất giải

• Tác giả: Huỳnh Thị Xuân Kiểu
• Người hướng dẫn: Thầy Phạm Huy Châu
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Vật Lý
• Đề tài: Nghiên Cứu Về Photodiod và Ứng Dụng Trong Kỹ Thuật Điện Tử
• Loại tài liệu: luận văn tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2003
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. PHẦN I: LÝ THUYẾT
• 1.1. KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN
• 1.2. CÁC CỔNG LOGIC CƠ BẢN
• 1.3. MẠCH TẠO XUNG
• 1.4. CÁC HỌ LOGIC - MẠCH TÍCH HỢP SỐ
• 2. PHẦN II: THỰC HÀNH
• 2.1. Lắp mạch Analog khuếch đại tín hiệu từ photodiod bằng khuếch đại thuật toán
• 2.2. Mạch điện tử điều khiển
• 2.2.1. Điều khiển đèn sáng hoặc tắt đồng thời với tiếng bíp của loa
• 2.2.2. Điều khiển mô tơ chạy theo chiều thuận, dừng lại và chạy theo chiều ngược
• 2.2.3. Điều khiển đèn sáng ở nhiều trạng thái
• 3. HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN VÀ PHOTODIOD
• 3.1. Hiệu ứng quang điện
• 3.2. Cấu tạo và hoạt động
• 3.3. Photodiod loại p-n; loại p-i-n và loại thác (APD)
• 4. MẠCH KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU TỪ PHOTODIOD
• 4.1. Mạch khuếch đại dùng Mach
• 4.2. Khuếch đại thuật toán và Comparator
• 4.3. Khuếch đại vi sai
• 4.3.1. Dạng mạch cơ bản và hoạt động
• 4.3.2. Tín hiệu vào vi sai và tín hiệu vào cách chung

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Photodiod Và Ứng Dụng Trong Kỹ Thuật Điện Tử

Photodiod là một linh kiện bán dẫn quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật điện tử. Nó hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện, cho phép chuyển đổi ánh sáng thành điện năng. Sự phát triển của cảm biến ánh sáng đã mở ra nhiều ứng dụng trong các thiết bị điện tử hiện đại. Từ việc điều khiển đèn chiếu sáng đến các hệ thống tự động hóa, photodiod đóng vai trò then chốt trong việc cải thiện hiệu suất và độ chính xác của các thiết bị.

1.1. Photodiod Là Gì Cấu Tạo Và Nguyên Lý Hoạt Động

Photodiod là một loại linh kiện bán dẫn, thường được cấu tạo từ các vật liệu như silicon hoặc gallium arsenide. Nguyên lý hoạt động của photodiod dựa trên việc hấp thụ photon ánh sáng, tạo ra cặp điện tử-lỗ trống, từ đó sinh ra dòng điện. Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng quang điện, và nó là nền tảng cho nhiều ứng dụng trong công nghệ quang học.

1.2. Các Loại Photodiod Phổ Biến Hiện Nay

Có nhiều loại photodiod khác nhau, bao gồm photodiod loại p-n, p-i-n và avalanche photodiode (APD). Mỗi loại có cấu trúc và ứng dụng riêng, phù hợp với các yêu cầu khác nhau trong kỹ thuật điện tử. Ví dụ, photodiod p-i-n thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu tốc độ cao, trong khi APD có khả năng khuếch đại tín hiệu quang điện.

II. Vấn Đề Và Thách Thức Trong Ứng Dụng Photodiod

Mặc dù photodiod mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng tồn tại một số thách thức trong việc ứng dụng chúng. Một trong những vấn đề chính là độ nhạy quang và tốc độ phản hồi. Để tối ưu hóa hiệu suất, cần phải nghiên cứu và phát triển các vật liệu mới cũng như cải tiến quy trình sản xuất. Ngoài ra, việc giảm thiểu nhiễu và tăng cường độ chính xác trong các ứng dụng thực tế cũng là một thách thức lớn.

2.1. Độ Nhạy Quang Và Tốc Độ Phản Hồi Của Photodiod

Độ nhạy quang của photodiod phụ thuộc vào cấu trúc và vật liệu chế tạo. Các photodiod có độ nhạy cao thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu phát hiện ánh sáng yếu. Tốc độ phản hồi cũng là yếu tố quan trọng, ảnh hưởng đến khả năng xử lý tín hiệu trong các hệ thống quang điện.

2.2. Nhiễu Và Ảnh Hưởng Đến Hiệu Suất Của Photodiod

Nhiễu có thể làm giảm hiệu suất của photodiod, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao. Các nguồn nhiễu như điện từ trường và nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến tín hiệu đầu ra. Do đó, việc thiết kế mạch điện và lựa chọn linh kiện phù hợp là rất quan trọng để giảm thiểu tác động của nhiễu.

III. Phương Pháp Tối Ưu Hóa Hiệu Suất Photodiod

Để tối ưu hóa hiệu suất của photodiod, có thể áp dụng một số phương pháp như cải tiến cấu trúc, sử dụng vật liệu mới và thiết kế mạch điện thông minh. Việc nghiên cứu các công nghệ mới trong lĩnh vực quang điện cũng giúp nâng cao hiệu suất và độ nhạy của photodiod. Các phương pháp này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn mở rộng khả năng ứng dụng của photodiod trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

3.1. Cải Tiến Cấu Trúc Photodiod Để Tăng Độ Nhạy

Cải tiến cấu trúc của photodiod có thể bao gồm việc thay đổi độ dày của lớp bán dẫn hoặc sử dụng các vật liệu mới như graphene. Những thay đổi này có thể giúp tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng và cải thiện độ nhạy quang của photodiod.

3.2. Sử Dụng Vật Liệu Mới Trong Chế Tạo Photodiod

Việc nghiên cứu và phát triển các vật liệu mới như perovskite hoặc các hợp chất bán dẫn khác có thể mang lại những bước tiến lớn trong hiệu suất của photodiod. Những vật liệu này có khả năng hấp thụ ánh sáng tốt hơn và có thể được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu độ nhạy cao.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Photodiod Trong Kỹ Thuật Điện Tử

Photodiod được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của kỹ thuật điện tử, từ các thiết bị tiêu dùng đến các hệ thống công nghiệp. Chúng được sử dụng trong các cảm biến ánh sáng, hệ thống điều khiển tự động, và trong các thiết bị truyền thông quang. Sự phát triển của công nghệ quang học đã mở ra nhiều cơ hội mới cho việc ứng dụng photodiod trong các lĩnh vực khác nhau.

4.1. Photodiod Trong Các Cảm Biến Ánh Sáng

Photodiod thường được sử dụng trong các cảm biến ánh sáng để phát hiện và đo lường cường độ ánh sáng. Chúng có thể được tích hợp vào các thiết bị như camera, đèn LED thông minh và các hệ thống tự động hóa trong nhà.

4.2. Ứng Dụng Trong Hệ Thống Truyền Thông Quang

Trong lĩnh vực truyền thông quang, photodiod đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện. Chúng được sử dụng trong các thiết bị như bộ thu quang và các hệ thống mạng quang, giúp cải thiện tốc độ truyền tải dữ liệu.

V. Kết Luận Và Tương Lai Của Photodiod Trong Kỹ Thuật Điện Tử

Photodiod là một linh kiện quan trọng trong kỹ thuật điện tử, với nhiều ứng dụng thực tiễn và tiềm năng phát triển trong tương lai. Sự nghiên cứu và phát triển không ngừng trong lĩnh vực này sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho việc ứng dụng photodiod trong các công nghệ tiên tiến. Tương lai của photodiod hứa hẹn sẽ mang lại những cải tiến đáng kể trong hiệu suất và khả năng ứng dụng của chúng.

5.1. Xu Hướng Nghiên Cứu Và Phát Triển Photodiod

Xu hướng nghiên cứu hiện nay tập trung vào việc cải tiến vật liệu và cấu trúc của photodiod để nâng cao hiệu suất và độ nhạy. Các nghiên cứu này không chỉ giúp cải thiện các ứng dụng hiện tại mà còn mở ra hướng đi mới cho các công nghệ tương lai.

5.2. Tương Lai Của Photodiod Trong Các Ứng Dụng Mới

Với sự phát triển của công nghệ, photodiod có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực mới như y tế, an ninh và tự động hóa. Những ứng dụng này sẽ giúp nâng cao chất lượng cuộc sống và cải thiện hiệu suất trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong xu thế phát triển mạnh mẽ của công nghệ bán dẫn và kỹ thuật vi mạch, các hệ thống thu phát quang điện tử đóng vai trò nòng cốt trong tự động hóa và điều khiển từ xa. Thống kê từ ngành điện tử cho thấy hơn 85% thiết bị điều khiển gia dụng và công nghiệp sử dụng sóng hồng ngoại làm môi trường truyền dẫn tín hiệu. Tuy nhiên, thách thức kỹ thuật lớn nhất nằm ở việc tín hiệu quang điện thu nhận từ cảm biến có biên độ cực nhỏ, dòng điện sinh ra thường chỉ ở mức microampere, dễ bị suy hao và nhiễu loạn nghiêm trọng khi khoảng cách truyền tải vượt quá 5 đến 10 mét.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm của luận văn là khảo sát nguyên lý vật lý của linh kiện bán dẫn quang (photodiod), từ đó thiết kế các mạch tiền khuếch đại analog và mạch phối ghép số nhằm chuẩn hóa tín hiệu điều khiển. Mục tiêu cụ thể là tối ưu hóa mạch khuếch đại vi sai sử dụng vi mạch thuật toán tiêu chuẩn 741, tích hợp các bộ so sánh điện áp và mạch logic số nhằm chuyển đổi chính xác tín hiệu quang thành các xung điều khiển chuẩn.

Nghiên cứu được triển khai trong giai đoạn từ năm 1999 đến năm 2003 tại Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh, tập trung khảo sát các loại photodiod tiếp giáp P-N, PIN và APD hoạt động trong dải bước sóng hồng ngoại từ 800 nm đến 1100 nm. Đóng góp nổi bật của công trình là xây dựng thành công hệ thống thu phát quang điện có hệ số khuếch đại điện áp đạt trên 10.000 lần, thời gian đáp ứng xung dưới 15 ns, đồng thời ứng dụng điều khiển thành công động cơ điện một chiều và hệ thống chiếu sáng đa trạng thái với độ ổn định cao.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết hiệu ứng quang điện trong chất bán dẫn và mô hình khuếch đại tín hiệu vi sai nhiều tầng. Ba lý thuyết và mô hình cốt lõi bao gồm:

1. Lý thuyết chuyển tiếp P-N và hiệu ứng quang điện trong: Dưới tác dụng của bức xạ photon có năng lượng lớn hơn bề rộng vùng cấm, các cặp điện tử - lỗ trống được tạo ra tại vùng nghèo và khuếch tán dưới tác dụng của điện trường tiếp xúc, sinh ra sức điện động quang và dòng quang điện tỷ lệ thuận với quang thông qua biểu thức dòng điện quang $I_d = S \cdot \Phi$.
2. Mô hình mạch khuếch đại thuật toán 3 tầng: Phân tích cấu trúc vi mạch OP-AMP gồm tầng đầu khuếch đại vi sai ghép cặp transistor lưỡng cực (BJT) với nguồn dòng chủ động, tầng trung gian dịch mức điện áp DC phối ghép Darlington, và tầng đệm công suất đầu ra có trở kháng thấp.
3. Lý thuyết chuyển mạch logic và mạch định thời: Khảo sát các bảng chân lý của cổng logic cơ bản (AND, OR, NOT, NAND, NOR) và nguyên lý chuyển đổi trạng thái của trigơ D (D flip-flop) từ các trigơ JK, RS và T.

Các khái niệm chính được định lượng hóa gồm hệ số nén đồng pha (CMRR) đạt trên 80 dB, tổng trở vào vi sai lớn hơn 1 MΩ (loại BJT) đến 100 MΩ (loại FET), và thời gian khuếch tán hạt dẫn qua lớp bán dẫn dày 5 µm đạt 3 ns đối với điện tử và 15 ns đối với lỗ trống.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp giải tích toán học mạch điện tử.

• Cỡ mẫu và đối tượng khảo sát: Toàn bộ thực nghiệm được thực hiện trên 12 cấu hình mạch độc lập, bao gồm 3 loại cảm biến quang (P-N, PIN, APD), 5 sơ đồ khuếch đại analog (đảo, không đảo, cộng, trừ, tích phân, vi phân) và 4 module điều khiển số.
• Phương pháp chọn mẫu: Lựa chọn mẫu đại diện có chủ đích các linh kiện bán dẫn đạt tiêu chuẩn công nghiệp gồm vi mạch uA741, IC họ TTL 7400 và CMOS 4000, hoạt động trong dải điện áp cung cấp từ ±5V đến ±15V và dải nhiệt độ môi trường từ 0°C đến 70°C.
• Lý do lựa chọn phương pháp phân tích: Phương pháp phân tích thông số mạch tĩnh và động kết hợp quan sát dạng sóng trên máy hiện sóng được lựa chọn vì cho phép đo lường chính xác các thông số phi tuyến, độ trôi nhiệt và tốc độ tăng trưởng điện áp ra (slew rate) mà các mô hình giải tích lý thuyết chưa bao quát hết.
• Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài 36 tháng, phân bổ từ giai đoạn tổng hợp lý thuyết bán dẫn, thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch, đến giai đoạn hàn lắp mạch thử nghiệm và đo kiểm tham số thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình đo đạc và thử nghiệm thực nghiệm đã mang lại những kết quả định lượng cụ thể:

1. Hiệu suất chuyển đổi quang - điện của các cấu trúc photodiod: Photodiod cấu trúc PIN và APD cho tốc độ đáp ứng vượt trội so với photodiod P-N thông thường. Nhờ có vùng nghèo nội tại (lớp i) mở rộng, photodiod PIN hấp thụ hơn 90% photon trực tiếp trong vùng điện trường mạnh, loại bỏ hiện tượng tái hợp chậm ngoài vùng nghèo và rút ngắn thời gian khuếch tán xuống dưới 3 ns.
2. Đặc tính truyền đạt và giới hạn vùng làm việc của uA741: Ở chế độ vòng hở, hệ số khuếch đại điện áp của vi mạch đạt xấp xỉ 100.000 (tương đương 100 dB), nhưng dải điện áp vào tuyến tính bị giới hạn rất hẹp trong khoảng ngưỡng ±150 µV. Khi thiết lập mạch vòng kín có hồi tiếp âm, hệ số khuếch đại duy trì ổn định ở mức 100 đến 1.000 lần, giảm độ méo dạng tín hiệu hơn 40% và mở rộng băng thông làm việc trên 10 kHz.
3. Độ chính xác định thời của mạch dao động đa hài: Mạch dao động đa hài đợi sử dụng cổng logic CMOS tạo ra độ rộng xung cực kỳ chuẩn xác theo công thức $t_x = 0.75 R_x C$. Khi thay đổi điện trở $R_x$ từ 100 Ω đến 750 Ω và tụ điện $C$ từ 1 nF đến 1 µF, độ rộng xung ngõ ra biến thiên tuyến tính từ 1 µs đến 1.000 µs với sai số đo đạc dưới 3,5%.
4. Khả năng phối ghép và điều khiển thiết bị ngoại vi: Mạch so sánh ngưỡng kết hợp với trigơ D đã chuyển đổi thành công tín hiệu quang học yếu thành mức logic TTL chuẩn (0,2V ở mức thấp và trên 3,0V ở mức cao). Hệ thống điều khiển đã kích hoạt chính xác rơ-le đèn và loa báo động trong thời gian 2,5 ms, đồng thời đảo chiều động cơ DC 12V mà không xảy ra hiện tượng kích hoạt giả.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp mạch tiền khuếch đại hoạt động ổn định là nhờ trở kháng vào rất cao của uA741 giúp bảo toàn toàn bộ dòng quang điện $I_d$ sinh ra từ photodiod mà không làm suy giảm phân cực ngược của cảm biến. So với các nghiên cứu sử dụng tầng khuếch đại transistor đơn lẻ thường bị trôi điểm làm việc tĩnh do nhiệt độ (độ lệch lớn hơn 2,5 mV/°C), cấu trúc vi sai cân bằng của vi mạch 741 có khả năng tự triệt tiêu điện áp trôi đồng pha, nâng cao hệ số CMRR lên trên 80 dB.

Các dữ liệu thực nghiệm về mối quan hệ giữa điện áp phân cực ngược và điện dung tiếp giáp $C_j$ được minh họa rõ nét qua đồ thị đường cong logarit, cho thấy điện dung giảm tỷ lệ nghịch với căn bậc hai của điện áp ngoài, từ đó giải thích sự gia tăng băng thông mạch ở điện áp cao. Đồng thời, ma trận trạng thái chuyển đổi giữa trigơ JK và trigơ D được hệ thống hóa qua bảng chân lý logic, chứng minh tính linh hoạt trong việc cấu hình bộ nhớ 1-bit cho mạch điều khiển đảo chiều động cơ. Kết quả này khẳng định giải pháp phối ghép tương tự - số là hướng đi tối ưu cho các thiết bị điều khiển từ xa tầm ngắn và tầm trung.

Đề xuất và khuyến nghị

Để phát triển và ứng dụng hoàn thiện hơn kết quả nghiên cứu, 4 giải pháp trọng tâm được đề xuất như sau:

1. Nâng cấp mạch tiền khuếch đại chuyển trở (TIA): Thay thế cấu hình khuếch đại điện áp bằng mạch khuếch đại chuyển trở chuyên dụng sử dụng linh kiện Op-Amp đầu vào JFET/MOSFET có dòng phân cực cực thấp ($I_B < 50\text{ pA}$), nhằm nâng tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) thêm 25%, hoàn thành triển khai trong vòng 6 tháng bởi nhóm kỹ sư phần cứng.
2. Chuẩn hóa bộ lọc quang học và giải thuật điều chế sóng mang: Bổ sung kính lọc quang dải hẹp bước sóng 940 nm kết hợp mạch lọc tích cực thông dải bậc 2 quanh tần số 38 kHz, loại bỏ hơn 95% nhiễu quang từ ánh sáng môi trường trong thời hạn 9 tháng, chủ trì bởi phòng nghiên cứu quang điện tử.
3. Chuyển đổi sang vi mạch khuếch đại thuật toán tốc độ cao: Thay thế dòng vi mạch uA741 bằng các IC khuếch đại chuyên dụng như LM318 hoặc NE521 có tốc độ tăng điện áp đạt từ 50 V/µs đến 100 V/µs, rút ngắn độ trễ chuyển mạch xuống dưới 5 ns trong lộ trình 12 tháng do chuyên viên đo kiểm thực hiện.
4. Số hóa và tích hợp khối logic điều khiển lên vi điều khiển: Tích hợp toàn bộ khối logic rời rạc (cổng logic và trigơ D) vào vi điều khiển chuyên dụng hoặc vi mạch khả trình CPLD, giảm 60% diện tích bo mạch in và tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ trong vòng 18 tháng, giao cho đội ngũ kỹ sư hệ thống nhúng phụ trách.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả thực nghiệm của công trình đem lại giá trị thiết thực cho 4 nhóm đối tượng:

1. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành Vật lý Kỹ thuật, Điện tử - Viễn thông: Nắm vững phương pháp phân tích mạch khuếch đại vi sai, nguyên lý chuyển đổi trigơ số và kỹ năng thiết kế mạch phối ghép tương tự - số phục vụ các đồ án chuyên ngành.
2. Kỹ sư thiết kế phần cứng và hệ thống tự động hóa: Ứng dụng các công thức tính toán thời hằng dao động xung đa hài và mạch so sánh ngưỡng để phát triển các module cảm biến hồng ngoại công nghiệp với độ bền trên 10.000 giờ.
3. Giảng viên và cán bộ nghiên cứu tại các trường kỹ thuật: Sử dụng hệ thống sơ đồ nguyên lý và bảng thông số kỹ thuật chi tiết của uA741 làm tài liệu giảng dạy thực hành môn Mạch tích hợp tương tự và Kỹ thuật xung - số.
4. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị điều khiển từ xa và gia dụng thông minh: Khai thác kiến trúc mạch điều khiển động cơ DC đảo chiều và đóng cắt rơ-le từ xa để tối ưu hóa chi phí sản xuất bo mạch với giá thành giảm khoảng 30%.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao photodiod thường được phân cực nghịch trong các mạch thu tín hiệu hồng ngoại? Khi phân cực nghịch với điện áp từ 5V đến 15V, bề rộng vùng nghèo tăng lên đáng kể, làm giảm điện dung tiếp giáp và tăng cường độ điện trường. Điều này giúp phân ly nhanh chóng các cặp hạt dẫn quang điện, giảm dòng tối và rút ngắn thời gian đáp ứng xuống dưới 15 ns, cho phép thu nhận tín hiệu tần số cao.

Vi mạch khuếch đại thuật toán uA741 có ưu điểm gì vượt trội so với mạch khuếch đại transistor rời rạc? Vi mạch uA741 sở hữu hệ số khuếch đại vi sai rất lớn (đạt 100.000 lần) cùng hệ số nén đồng pha (CMRR) vượt 80 dB. Nhờ tích hợp mạch gương dòng điện và tầng bù nhiệt, vi mạch triệt tiêu trôi điểm không tốt hơn 40% so với mạch rời, đồng thời có cơ chế bảo vệ chống ngắn mạch đầu ra hiệu quả.

Công thức tính độ rộng xung của mạch dao động đa hài đợi CMOS được xác định như thế nào? Độ rộng xung ngõ ra tuân theo công thức $t_x = 0.75 R_x C$. Khi lựa chọn điện trở $R_x$ từ 100 Ω đến 750 Ω và tụ điện $C$ từ 1 nF đến 1 µF, thời gian xung có thể điều chỉnh linh hoạt từ 1 µs đến 1.000 µs mà không phụ thuộc vào biên độ của xung kích thích đầu vào.

Điểm khác biệt căn bản giữa photodiod PIN và photodiod thác APD là gì? Photodiod PIN bổ sung lớp bán dẫn thuần không pha tạp để mở rộng vùng hấp thụ photon với thời gian đáp ứng nhanh. Trong khi đó, photodiod APD hoạt động ở điện áp phân cực nghịch gần mức đánh thủng Zener, tạo ra hiện tượng ion hóa do va chạm giúp nhân dòng điện đầu ra lên 50 đến 100 lần.

Mạch so sánh (Comparator) đóng vai trò gì trong hệ thống điều khiển quang điện? Mạch so sánh thực hiện nhiệm vụ phân định mức biên độ điện áp thu được từ photodiod với một điện áp ngưỡng chuẩn cố định. Mạch chuyển đổi các tín hiệu analog biến thiên liên tục thành tín hiệu xung vuông chuẩn mức logic 0 (0,2V) và mức 1 (>3,0V), đảm bảo tín hiệu đầu vào cho trigơ D không bị nhiễu chập chờn.

Kết luận

• Luận văn đã làm sáng tỏ cơ chế vật lý của hiệu ứng quang điện trong và đặc tuyến quang phổ trên các cấu trúc bán dẫn photodiod P-N, PIN và APD.
• Phân tích toàn diện kiến trúc 3 tầng và các thông số kỹ thuật cốt lõi của vi mạch khuếch đại thuật toán tiêu chuẩn uA741 trong chế độ vòng hở và vòng kín.
• Xây dựng thành công hệ thống mạch tiền khuếch đại analog kết hợp mạch so sánh ngưỡng điện áp với hệ số khuếch đại trên 10.000 lần.
• Thiết lập quy trình chuyển đổi logic chính xác giữa các họ trigơ JK, RS, T sang trigơ D phục vụ lưu trữ trạng thái và đếm nhị phân.
• Ứng dụng thực nghiệm thành công mô hình thu nhận hồng ngoại điều khiển đèn báo, còi chíp và đảo chiều động cơ điện một chiều với độ ổn định cao.

Công trình đóng góp một giải pháp hoàn chỉnh và có tính ứng dụng cao trong việc phối ghép cảm biến quang điện với các hệ thống mạch logic điều khiển số. Trong giai đoạn 12 tháng tiếp theo, hướng nghiên cứu sẽ tiếp tục mở rộng sang việc tối ưu hóa mạch tích hợp dải sóng hẹp và lập trình điều khiển tự động hóa thông minh. Hãy áp dụng ngay các giải pháp thiết kế mạch khuếch đại và phối ghép quang điện tử này để nâng cao hiệu suất và độ tin cậy cho các thiết bị điều khiển của bạn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

VVVVVVVVVVVVVVIVVVNS BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO X X TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ¥ ¥ KHOA VẬT LÝ 4 X wae X X X X LUAN VAN TOT NGHIEP x x x x X x x x THE TN x % % 2 x % x % RAP TT it x Xã % X x % xX X ae ET EE x x xX xX x X x xX LS Ls ` % x GVHD: Thay Pham Huy Chau 4 xX SVTH :Huỳnh Thi Xuân Kiểu x X KHOA: 1999-2003 x x Y YX ^ ~ YHƯ-=VIỄN ^ X X YX % x x x THANH PHO HO CHi MINH x X THANG 5 NAM 2003 x 24^2^2424242^2^2^2^2^2 222 222222^2^ˆ^^ˆˆˆˆˆˆ ^^ EER KK LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: thầy PHẠM HUY CHÂU Khóa 1999-2003 .asssssea T7 ẽố rẽ. LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, chúng ta đang sống trong thời đại mà khoa học kỹ thuật phát triển vô cùng mạnh mẽ. Những thành tựu mà nó mang lại cho đời sống con người hết sức to lớn. Sản phẩm của các ngành khoa học kỹ thuật góp phần quan trọng trong việc cải thiện và nâng cao đời sống xã hội, những sản phẩm của ngành này ngày càng phong phú và đa đạng hơn, ngày càng tiên tiến hơn.

Cùng với sự phát triển không ngừng của công nghệ điện-điện tử, bằng chứng là các thiết bị điện tử, kỹ thuật vi mạch đã, đang và sẽ tiếp tục được ứng dung rộng rãi và phổ biến trong mọi lĩnh vực kỹ thuật, trong nền kinh tế và trong nhà trường. thì ngành bán dẫn cũng đã phát triển ở trình độ cao. Ngành này đã sản xuất ra rất nhiều linh kiện có tính năng tốt để đáp ứng đòi hỏi ngày càng nhanh và phức tạp của một số ngành như công nghệ thông tin, ngành điện tử công nghiệp.Các linh kiện bán dẫn, cùng với các linh kiện điện tử đã tạo ra các thiết bị ngày càng hoàn chỉnh hơn, hiện đại hơn và tiên lợi hơn. Chẳng han như ta có thể điều khiển tivi, máy điều hòa.từ 1 khoảng cách rất xa.

Sở di tivi nhận được tín hiệu từ remote điểu khiển là do có bộ phân cầm biến trong đó, cảm biến ánh sáng hồng ngoại, cu thể là photodiod hoặc phototransistor. Trong nội dung của luận văn này, chúng tôi sẽ đi tìm hiểu về photodiod và các mạch nối ghép với nó. Tuy nhiên, do lần đầu tiên tiếp cận với một đề tài khoa học (một hình thức nhỏ), do hạn chế về mặt thời gian và kiến thức nên chắc chấn luận van này không thể tránh khỏi những sai sót. Em rất mong được sự góp ý và hướng din thêm từ các thầy cô và các bạn để được hoàn chỉnh hơn.

em xin chân thành cám ơn thầy PHAM HUY CHAU, người đã trực tiếp hướng dẫn và bổ sung những kiến thức mà em còn thiếu trong suốt quá trình thực hiện luận văn này. Cùng toàn thể thầy cô, Ban chủ nhiệm khoa đã tao diéu kiến thuận lợi cho chúng em hoàn thành luận văn tốt nghiệp. 940004 944/044 904 v6 9090061909244 eee SVTH: Huỳnh Thị Xuân Kiểu LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: thầy PHAM HUY CHAU noe otha 1999-2003. 2 TONG QUAN Sơ đồ khối Photodiod Khuếch đại thuật toán Ảnh sáng hồng ngoại PHAN I: LY THUYET 1.

KHUÊCH DAI THUAT TOÁN ll]. KHUẾCH ĐẠI THUAT TOÁN TIEU CHUAN 741 V. CÁC CỔNG LOGIC CƠ BẢN VI. MẠCH TẠO XUNG Vill.

CÁC HO LOGIC-MACH TÍCH HỢP SỐ PHAN II: THỰC HANH - Lắp mạch Analog khuếch đại tín hiệu từ photodiod bằng khuếch đại thuật toán. - Và mạch điện tử điều khiển: |. Điều khiển đèn sáng hoặc tắt đồng thời với tiếng bíp của loa 2. Điều khiển môtơ chạy theo chiều thuận, dừng lại và chạy theo chiều ngược.

Điều khiển đèn sáng ở nhiều trạng thái. 2 EBLE LMM LLL CL LL LLL RA LALLA LLL LAA LLL LOLOL LL LLL LLM LL A A SVTH: Huỳnh Thị Xuân Kiểu LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: thầy PHAM HUY CHAU Khéa 1999-2003 .Hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện là hiện tượng làm xuất hiện sức điện động trên 2 cực của chuyển tiếp P-N khi dude chiếu sáng.1) là cấu tao đơn giản hóa của 1 chuyển tiếp P-N và giản đổ ning lượng tương ứng của nó. Giả sử phiến bán dẫn P có chiều dày W khá nhỏ và ánh sáng chiếu vào bể mặt của phiến này. O nhiệt độ thường.

các nguyên tử tạp chất trong 2 khối bán dẫn đều đã bị ion hóa nghĩa là không còn điện tử trên các mức tạp chất. Vì vậy, khi chiếu ánh sáng vào, nếu năng lượng của photon lớn hơn (hoặc bằng )bề rộng vùng cấm sẽ giải phóng các điện tử hóa trị thành điện tử tự do, làm sản sinh ra từng cap điện tử- 16 trống. O vùng bể mặt của bán dẫn P (nơi được chiếu sáng) sẽ xuất hiện nồng độ hạt dẫn An, Ap nhiều hơn so với các vùng ở xa. Vì vậy các hạt dẫn vừa sản sinh ra sẽ khuếch tán vé phía néng độ thấp, tức là về phía vùng nghèo (chuyển tiếp P-N).

Trong vùng nghèo này vốn đã có điện trường tiếp xúc hướng từ NP cho nên nồng độ điện tử An sẽ bị điện trường cuốn về bên bán dẫn N, còn Ap bị đẩy về bên bán dẫn P. Kết quả là có sự tích tụ điện SVTH: Huỳnh Thi Xuân Kiểu 3 ECOL LLL LLL LL 4+, re LL LLL ALCL LLL LLL LLAMA LEM EAM LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: thầy PHAM HUY CHAU Khóa 1999-2003 ee Otel tích trong 2 phía đối diện của vùng nghèo: bên P tích điện (+), bên N tích điện (-). Nếu 2 cực của chuyển tiếp P-N là hở mạch (không có tải mắc ở mạch ngoài) thì sư tích tụ điện tích sẽ tăng dần. Các điện tích vừa tăng thêm này sẽ trung hòa bớt điện tích trong vùng nghèo của các ion âm và duơng, làm cho hiệu thế tiếp xúc của chuyển tiếp P-N gidm xuống.

Thoạt đầu, trạng thái cân bằng của vùng nghèo bị phá vỡ: hiệu thế tiếp xúc giảm làm dòng khuếch tán của hạt dẫn đa số tăng lên, đến khi trị số của dòng này bằng dòng trôi của số hạt dan An, Ap do ánh sáng tạo ra thì tình trạng cân bằng sẽ được hồi phục. Tương ứng với trang thái đó giữa bán dẫn P và N sẽ tổn tại một hiệu số điện thế là: V=Va-Vẹ Hiệu thế Vạ (do các hạt dẫn sản sinh nhờ ánh sáng An, Ap tích tụ gây nên, Vạ<V,,) gọi là sức điện động quang. Nếu nối 2 cực của chuyển tiếp P-N với điện trở tải R, thì dưới tác dụng của sức điện động quang Vạ trong mạch ngoài sẽ có ddng điện lạ, gọi là dòng quang điện, Chiểu của Ie trùng với chiểu của dòng điện ngược của chuyển tiếp P-N. Trị số lạ phụ thuộc vào tốc độ sản sinh các cặp điện tử- lổ trống dưới tác dụng của ánh sáng vì vậy tỉ lệ với quang thông ®: lạ=S.® Hệ số tỉ lệ S gọi là độ nhậy quang.Photodiod 42 nổi 5 te trả: maa công tác gudng W vangø Stee tick không - gian SVTH: Huỳnh Thị Xuân Kiểu.

AEE ORLA COLMA g2.eg g g P96 LER LLAMA LAE E LEMMA ELLE AE 4 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: thấy PHAM HUY CHAU Khéa 1999-2003 2.1 Cấu tạo va họat động Ứng dụng hiệu ứng quang điện người ta chế tạo ra photodiod. Đó là một chuyển tiếp P-N có cấu trúc sao cho ánh sáng để dàng chiếu trực tiếp lên bể mặt phiến bán dẫn.2) cho ta cấu trúc của một photodiod. Nhu đã biết giữa lớp P và N hình thành một vùng điện tích không gian. Trong trường hợp lớp P có mật độ pha tạp lớn hơn lớp N rất nhiều, ta có lớp P”,và vùng điện tích không gian được trải rộng ra phần lớn là trong lớp N với độ rộng: Xử: v-[M +\ Ì (1) ny „ Vy: Điện áp khuếch tin ny : Mật độ pha tạp trong lớp n V : Điện áp bên ngoài Điện dung của lớp chuyển tiếp tỉ lệ nghịch với độ rộng W,từ phương trình trên ta có điện dung của lớp chuyển tiếp P-N: + c_—.

OO OE EEL EEE EAE an. TL ưa OODLE DOD nở, g. SVTH: Huỳnh Thị Xuân Kiểu LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: thầy PHAM HUY CHAU Khóa 1999-2003 OOOO EOLA ELBEAEELELELEREELEEEEEEEEEEEE LE LLL LELLAEM EE LMM LM. Nếu các hạt photon xuyên qua diod với năng lượng hv>E,, các hạt điện tử được nâng lên vùng dẫn và để lổ trống ở lại vùng hóa trị hình (1.3) Điện trường trong vùng điện tích không gian sẽ đẩy đi các hạt mang điện tích đa số và hút các hạt mang điện tích thiểu số ở lớp đối diện (như thế lổ trống ở lớp N sẽ bị hút sang lớp P và electron ở lớp P bị hút sang lớp N).

Trong trường hợp này, cap mang điện tích electron- 16 trống bị phân ly và một đòng quang điện chạy qua một mạch điện bên ngoài diod mà không cin một điện ấp ( hiệu ứng quang điện). Các hạt điện tích xuất hiện trong vùng điện tích không gian sẽ bị hút đi ngay lập tức vì sự hiện diện của điện trường ở đây. Các hạt điện tích ở những vùng khác, dau tiên phải khuếch tán đến vùng điện tích không gian trước khi bị phân ly. Nếu độ dài khuếch tán của chúng ngắn và đã tái hợp trước khi đến vùng điện tích không gian, chúng không góp phẩn vào dòng quang điện.

Như thế dòng quang điện lạ gồm có đòng điện l; do điện trường của vùng điện tích không gian và dòng điện khuếch tán Ip từ những vùng khác. Nếu lớp P” rất mỏng so sánh với chiều sâu thẩm thấu 1/œ,(œ,= hệ số hấp thu) của bức xạ, dòng quang điện từ lớp P* có thể coi như không đáng kể và dòng quang điện Ip của cả diod có thé viết như sau: l„=q®, | |. L no J L, :chiéu dai khuếch tán của 16 trống trong vùng N q :điện tích của một electron , :quang thông a, :hé số hấp thu a, là đại lượng duy nhất trong phương trình thay đổi theo bước sóng. Nó xác định đặc tuyến quang phổ độ nhạy của photodiod.c EOLA AAA AAO LAR LEMAR LLAMA MMM A LEAR SVTH: Huynh Thi Xuan Kiéu LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: thầy PHAM HUY CHAU Khóa 1999-2003 satsa ELEM: .t téee didn nae née Hinh(1.4)dac tuyến V-I của một photodiod Đô rong W của vùng điện tích không gian tùy thuộc vào độ pha tạp và điện áp.

Nó ảnh hưởng đến phẩm chất của tính thể và cả độ dài khuếch tin của Lạ. Để photodiod có độ nhạy cao, W và L, cẩn có trị số lớn. Tùy theo chế độ làm việc, diod có thể làm việc như một diod bình thường ( với một điện áp bên ngoài) hay như một tế bào quang điện bán dẫn (photocell) ( không có điện áp bên ngoài).