BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH ĐỖ VĂN HẢI KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TRƯNG QUANG HỌC CỦA QUANG TRỞ CdS VÀ ỨNG DỤNG CỦA NÓ LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ CHUYÊN NGÀNH: QUANG HỌC VINH- 2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH ĐỖ VĂN HẢI KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TRƯNG QUANG HỌC CỦA QUANG TRỞ CdS VÀ ỨNG DỤNG CỦA NÓ LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ CHUYÊN NGÀNH: QUANG HỌC MÃ SỐ: 60.44.11 NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS. NGUYẾN MẠNH AN VINH- 2011 LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến TS. Nguyễn Mạnh An, người thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đở và tạo điều kiện của Phòng thí nghiệm, thực hành thuộc khoa Kĩ thuật Công Nghệ Trường Đại học Hồng Đức – Thanh Hóa trong suốt quá trình tôi hoàn thành bản Luận văn này. Chúng tôi xin được cảm ơn sâu sắc đến PGS. TS. Đinh Xuân Khoa (Hiệu trưởng trường Đại học Vinh, Chủ nhiệm chuyên ngành quang học), TS. Đoàn Hoài Sơn (Chủ nhiệm khoa Vật lý), và quý thầy cô giáo trong khoa Vật lý, khoa sau đại học, phòng quản lý NCKH trường Đại Học Vinh về những ý kiến đóng góp khoa học bổ ích cho nội dung luận văn, tạo điều kiện tốt nhất trong thời gian chúng tôi học tập tại trường. Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, những người thân, những đồng nghiệp và tập thể anh, chị em học viên cao học khóa 17 đã dành tình cảm, động viên, giúp đỡ tôi vượt qua những khó khăn để hoàn thành luận văn. Vinh, tháng 11 năm 2011 Học viên Đỗ Văn Hải LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này do chính bản thân thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Mạnh An. Kết quả công trình được thực hiện hoàn toàn độc lập thông qua việc nghiên cứu tài liệu và làm thực nghiệm tại trường Đại Học Hồng Đức. Hiện tại chưa có công trình nào công bố kết quả tương tự như luận văn của tôi. Tác giả luận văn Đỗ Văn Hải MỤC LỤC - Trang phụ bìa - Lời cảm ơn - Lời cam đoan - Mục lục Trang Mở đầu .01 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ QUANG TRỞ 1.1. Hiệu ứng quang dẫn 03 1.2. Tế bào quang dẫn 06 1.2.1. Vật liệu chế tạo .06 1.2.2. Các đặc trưng của tế bào quang dẫn .07 1.2.2.1. Điện trở 07 1.2.2.2. Độ nhạy 08 1.2.3. Độ tuyến tính .13 1.2.4. Sai số và độ chính xác .15 1.2.5. Đặc điểm và ứng dụng của tế bào quang dẫn .16 Kết luận chương 1 17 CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU MỘT SÔ ĐẶC TRƯNG CỦA QUANG TRỞ CdS 2.1. Sự phụ thuộc của điện trở của quang trở vào độ rọi .18 2.2. Độ nhạy .22 Kết luận chương 2 25 CHƯƠNG III. ỨNG DỤNG CỦA QUANG TRỞ TRONG TỐI THIỂU HÓA NĂNG LƯỢNG CHIẾU SÁNG BẰNG ĐIỆN 3.1. Xây dựng mô hình 26 3.1.1. Xây dựng các điểm làm việc 27 3.1.2. Sơ đồ nguyên lý 28 3.1.3. Tính toán cho các thông số mạch điện 29 3.2. Sơ đồ kết quả lắp ráp mô hình 36 3.3. Kết quả và thảo luận .38 Kết luận chương 3 39 Kết luận chung .40 TÀI LIỆU THAM KHẢO .41 MỞ ĐẦU Vào đầu những năm 1980 có nhiều loại linh kiện quang điện tử ra đời, nó bắt đầu xác định chỗ đứng vững chắc và dần dần giữ vai trò quyết định trong lĩnh vực phát triển các hệ thống thông tin quang mới tiếp theo trong tương lai. Chúng là những phần tử rất quan trọng trong các ngành kỹ thuật như truyền tin, đo lường, điều khiển tự động,…Trong các linh kiện đó, quang trở là một linh kiện thu quang có rất nhiều ứng dụng trong khoa học và công nghệ cũng như trong đời sống thực tiễn. Nhờ việc phân biệt được cường độ ánh sáng khi chiếu vào nó đã giúp cho ngành chế tạo cảm biến phát triển mạnh, rất nhiều các hệ thống tự động sử dụng cảm biến về ánh sáng, nhờ những cảm biến ánh sáng mà các thiết bị hoạt động trở nên thông minh và tiết kiệm điện hơn. Nhờ tính chất điện của quang trở phụ thuộc vào cường độ ánh sáng chiếu tới nó mà quang trở được sử dụng khá nhiều trong các mạnh đo, điều khiển tự động. Một trong những ứng dụng đơn giản nhưng hết sức có ý nghĩa nhất là các mạnh đóng ngắt đèn khi trời tối. Nó làm giảm thiểu công lao động cũng như giúp cắt giảm năng lượng chiếu sáng không cần thiết. Tuy nhiên các mạnh đóng ngắt đèn điện chỉ thực hiện ở hai chế độ hoặc tắt, hoặc mở mà chưa tính đến việc cung cấp điện năng vừa đủ để chiếu sáng hợp lý. Điều này rất có triển vọng ứng dụng cho các phòng làm việc, văn phòng, phòng học, . Trước đây [8] đã quan tâm về vấn đề này nhưng còn một số hạn chế như chưa khảo sát đầy đủ các loại nguồn sáng, chưa khảo sát độ nhạy để lựa chọn mạch điện tử phù hợp, chưa tính toán các tham số của mạch để có hiệu quả lớn nhất (độ nhạy và độ ổn định của mạch chưa cao). Với luận văn này chúng tôi đã khắc phục được những nhược điểm đó và đó cũng là điểm đóng góp chính của luận văn. Chính vì vậy trong khuôn khổ luận văn tôi 1 lựa chọn nghiên cứu đề tài: “Khảo sát các đặc trưng quang học của quang trở CdS và ứng dụng của nó”. Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, luận văn gồm 3 chương. Chương I. Tổng quan về quang trở; Chương II. Nghiên cứu một số đặc trưng của quang trở CdS và chương III. Ứng dụng quang trở trong tối thiểu hóa năng lượng chiếu sáng bằng điện. 2 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ QUANG TRỞ 1.1. Hiệu ứng quang dẫn Hiệu ứng quang dẫn (hay còn gọi là hiệu ứng quang điện trong) 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 lk . Khi điện tử được giải phóng khởi nguyên tử, sẽ tạo thành hạt dẫn mới trong vật liệu. Hạt dẫn được giải phóng do chiếu sáng không những phụ thuộc vào bản chất của vật liệu bị chiếu sáng mà còn phụ thuộc vào cường độ sáng cũng như bước sóng ánh sáng chiếu tới. Đối với các chất bán dẫn tinh khiết, các hạt dẫn là cặp điện tử - lỗ trống (hình 1.1). Đối với trường hợp bán dẫn pha tạp, các hạt dẫn được giải phóng là điện tử nếu pha tạp chất dono hoặc là lỗ trống nếu pha tạp chất acepto. Giả sử có một tấm bán dẫn phẳng có thể tích V pha tạp loại N có nồng độ các hạt dono N d có mức năng lượng nằm dưới vùng dẫn một khoảng bằng W d đủ lớn để ở nhiệt độ phòng và khi ở trong bóng tối nồng độ n o của các dono bị ion hoá do nhiệt là nhỏ (hình 1.2). Khi ở trong tối, nồng độ điện tử tỉ lệ với nồng độ các tạp chất chưa bi ion hoá và bằng a(N d – n o ), với hệ số a được xác định theo công thức: 3 - điện tử + lỗ trống hν + - - điện tử hν + lỗ trống hν Hình 1.1. Ảnh hưởng của bán dẫn vật liệu đến hạt dẫn được giải phóng d qw a exp kT   = −  ÷   (1.1) 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 hoá trong một đơn vị thời gian tỉ lệ với các nguyên tử đã bị ion hóa n o và nồng độ điện tử cũng chính bằng n o và bằng 2 o r.n , 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 [1]: ( ) 2 o d o o dn a N n r.n dt = − − Ở trạng thái cân bằng ta có: o dn 0 dt = Suy ra: 1/ 2 2 d o 2 a.N a a n 2.r 4r r   = + +  ÷   (1.2) Độ dẫn trong tối được biểu diễn bởi hệ thức: o o q nσ = µ (1.3) Trong đó µ là độ linh động của điện tử. 4 V chiếu sáng L ++ + + + + + hν hν W d Vùng dẫn Vùng hóa trị Hình 1.2. Tế bào quang dẫn và sự chuyển mức năng lượng của điện tử . VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH ĐỖ VĂN HẢI KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TRƯNG QUANG HỌC CỦA QUANG TRỞ CdS VÀ ỨNG DỤNG CỦA NÓ LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ CHUYÊN NGÀNH: QUANG. QUANG HỌC VINH- 2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH ĐỖ VĂN HẢI KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TRƯNG QUANG HỌC CỦA QUANG TRỞ CdS VÀ ỨNG DỤNG CỦA NÓ LUẬN VĂN THẠC