Tổng hợp đầy đủ kiến thức về diode thu quang

Trong bài viết này, chúng ta sẽ cùng Học viện iT.vn tìm hiểu Diode thu quang là gì? Đặc trưng, cấu tạo, nguyên lý hoạt động và những chế độ hoạt động của diode thu quang.

Tìm hiểu thêm: Tổng hợp kiến thức về Diode – Điện tử cơ bản

Diode thu quang là gì?

Diode thu quang (Hay còn được gọi là Điốt quang hoặc Photodiode) là loại diode sử dụng hiệu ứng quang điện để chuyển đổi photon thành điện tích. 

Trên thực tế, diode thu quang được ứng dụng rộng rãi trong các kỹ thuật điện tử, đặc biệt là các thiết bị đo đạc, truyền dẫn thông tin, giám sát và điều khiển… Vai trò chủ yếu của chúng là cảm biến một trạng thái nào đó. Ví dụ như nhận biết khi nào giấy trong một khay máy in hết.

Đặc trưng của diode thu quang

– Hiệu suất: Hiệu suất của diode thu quang là tỷ số công suất dòng điện tạo ra với quang thông (A/W).  Đáp tuyến phổ chi tiết phản ánh ở hiệu suất lượng tử của photodiode cho từng bước sóng photon và nó không đồng đều.

– Dòng tối: Dòng tối chỉ dòng rò của diode nói chung. Đối với diode thu quang là dòng điện khi không có ánh sáng chiếu vào.

– Đáp ứng thời gian: Đáp ứng thời gian được xác định dựa trên quy tắc Ramo. Nó phản ánh mức độ dòng quang điện bắt kịp thay đổi của quang thông.

Cấu tạo của diode thu quang

Diode thu quang cấu tạo gồm hai lớp bán dẫn khác loại (P – N) ghép với nhau (Lớp bán dẫn loại P mỏng hơn lớp bán dẫn loại N) còn loại mới hơn có cấu trúc PIN. Nó được cấu thành từ một số chất bán dẫn và vùng phổ ánh sáng làm việc. Phạm vi ánh sáng có thể nhìn thấy là từ 380 nm đến 780 nm. 

Nguyên lý hoạt động của diode thu quang

Diode thu quang làm việc dựa vào tiếp giáp P – N phân cực ngược. Nguồn phân cực ngược V₀ tạo ra điện trường ngoài (E_Ngoài), cùng chiều với E_tx tạo thành điện trường tổng. Điện trường này tạo thành một hàng rào thế cản trở dòng khuếch tán của các hạt mang điện. Ngược lại, các lỗ trống trong lớp bán dẫn loại N và electron trong lớp bán dẫn loại P dưới tác dụng từ E_Ngoài sẽ dễ dàng di chuyển được qua lớp tiếp xúc và tạo ra dòng điện ngược (Gọi là dòng tối).

Sau khi được phân cực ngược, ta chiếu vào photodiode một luồng sáng có bước sóng tự do (λ) nhỏ hơn bước sóng cắt (λ_c), E_s là độ rộng dải cấm. Sau đó, chất bán dẫn sẽ hấp thụ các photon. Ánh sáng chiếu vào diode đi qua lớp bán dẫn P rất mỏng, qua vùng nghèo rồi đến bán dẫn loại N. Trong quá trình này do các hạt photon bị hấp thụ dần trên suốt chiều dọc của diode nên cường độ ánh cũng giảm theo.

Tại vùng nghèo các hạt trung hòa sẽ hấp thụ các photon. Dưới tác dụng của lực điện trường ngoài lỗ trống được di chuyển sang bên lớp P còn các electron được di chuyển tới lớp N. Tiếp đến, các electron đi đến điện cực dương của nguồn (Mạch ngoài) rồi đi qua cực âm vào lớp bán dẫn P để tái hợp với các lỗ trống nhằm duy trì điện tích trung hòa. Như vậy nhờ tác dụng của điện trường phân cực ngược mà ta đã tạo ra được dòng điện thu quang.

Trong quá trình photon di chuyển ở bên ngoài vùng nghèo, các photon cũng bị hấp thụ và tạo ra các cặp điện tử – lỗ trống. Tuy nhiên các lỗ trống trong lớp N và electron trong lớp P di chuyển rất chậm do lực điện trường yếu, va chạm vào các hạt mang điện trái dấu và tái hợp với nhau. Vì thế nên các hạt mang điện này bị loại trừ và thời gian tồn tại của chúng rất ngắn.

Trong lớp bán dẫn gần với vùng nghèo vẫn có các hạt trung hòa về điện, khi có ánh sáng tới các photon sẽ cung cấp năng lượng cho các electron bứt ra khỏi nguyên tử để tạo thành các cặp electron – lỗ trống. Sau đó, các cặp này được khuếch tán qua vùng nghèo. Dưới tác động của điện trường ngoài chúng tách ra và di chuyển đến các cực của nguồn điện. Bởi số lượng các hạt mang điện ở vùng này không nhiều nên không ảnh hưởng quá lớn đến đáp ứng chung của diode. Tuy nhiên chúng dẫn đến các xung của đáp ứng bị kéo dài ở sườn sau. Vì vậy nên khi sử dụng ở các hệ thống tốc độ cao sẽ gây trễ, giao thoa giữa các ký hiệu và tăng tỷ số lỗi bit BER cho hệ thống.

Chế độ hoạt động của diode thu quang

Diode thu quang có 3 chế độ hoạt động như sau:

– Chế độ quang điện: Chế độ làm việc không đặt thiên áp, ánh sáng tạo ra dòng điện và dòng điện này có thể được sử dụng làm nguồn cấp điện. Đây chính là hoạt động điển hình của pin mặt trời.

– Chế độ quang dẫn: Chế độ làm việc đặt thiên áp ngược. Từ đó làm mở rộng vùng nghèo, tăng tiếng ồn, tăng dòng rò và làm giảm điện dung tiếp giáp nhưng không ảnh hưởng đến dòng quang điện.

– Chế độ tuyết lở: Chế độ làm việc thiên ngược đủ lớn. Điều này làm cho khi photon tạo ra cặp điện tử – lỗ trống thì sự tăng tốc do điện trường đủ mạnh sẽ kích thích sự tạo cặp khác theo hoạt động của sự cố sạt lở tuyết. Tóm lại, nó làm tăng độ khuếch đại và đặc trưng đáp ứng với sự kiện.

Trên đây là chia sẻ của HOCVIENiT.vn về những kiến thức về diode thu quang. Nếu có bất cứ thắc mắc nào về các kiến thức liên quan đến máy tính thì bạn có thể để lại bình luận bên dưới bài viết này. Và đừng quên đón đọc các bài viết mới nhất của HOCVIENiT.vn nhé.

Các bài viết liên quan:

Diode chỉnh lưu là gì? Tổng hợp kiến thức về diode chỉnh lưu

Diode zener là gì? Tìm hiểu chi tiết về diode zener

Diode phát quang là gì? Tìm hiểu về diode phát quang

Diode xung là gì? Ứng dụng của diode xung

Diode biến dung là gì? Nguyên lý hoạt động và ứng dụng của diode biến dung

Diode tiếp điểm là gì? Cấu tạo và ứng dụng của diode tiếp điểm

Mọi chi tiết xin vui lòng liên hệ:
CÔNG TY CỔ PHẦN HỌC VIỆN IT
MST: 0108733789
Tổng đài hỗ trợ: 024 3566 8686 – Hotline: 0981 223 001
Facebook: www.fb.com/hocvienit
Đăng ký kênh Youtube để theo dõi các bài học của Huấn luyện viên tốt nhất: http://bit.ly/Youtube_HOCVIENiT
Hệ thống cơ sở đào tạo: https://hocvienit.vn/lien-he/
Học viện IT.vn – Truyền nghề thực tế cùng bạn đến thành công!