BÀI TIỂU LUẬN
MẠCH PHÁT QUANG TRONG LED, LASER, KÍCH THÍCH TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ VÀ SỐ
CHƯƠNG II: NGUỒN QUANG TRONG THÔNG TIN QUANG
2.1 Nguồn phát quang LED:
2.1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của LED:
Về cơ bản cấu tạo của LED được phát triển từ diode bán dẫn, hoạt động dựa trên tiếp giáp pn được phân cực thuận. Quá trình phát xạ ánh sang xẩy ra trong LED dưa trên hiện tượng phát xạ tự phát (hình 1) Trên thực tế thì LED có cấu trúc phức tạp hơn, gồm nhiều lớp bán dẫn để đáp ứng đồng thời các yêu cầu kỹ thuật của một nguồn quang.
-LED có cấu trúc dị thể kép có lớp bán dẫn p, n có độ rộng vùng cấm khác nhau, lớp bán dẫn p có độ rộng vùng cấm rộng ký hiệu là P, lớp bán dẫn n có động rộng vùng cấm ký hiệu là N.
-Chọn 2 lớp P, N có độ rộng vùng cấm khác nhau để tạo ra hàng thế lớn
-Khi đặt hai lớp bán dẫn p và n kế nhau, thì tại lớp tiếp giáp pn, các điện tử ở bán dẫn n sẽ khuyếch tán sang bán dẫn p để kết hợp với lỗ trống. Kết quả là tai tiếp giáp pn tạo nên một vùng có rất ít các hạt mang điện (điện tử hay lỗ trống) Nên được gọi là vùng hiếm
-Lưu ý rằng: P là chất bán dẫn có thừa lỗ trống (mang điện tích dương), n là chất bán sẫ có thừa điện tử (mang điện tích âm) Nhưng cả hai bán dẫn này đều trung hòa về điện
-Tại vùng hiếm, bán dẫn n mất đi một số các điện tử nên mang điện tích dương, còn bán dẫn p nhận them một số điện tích âm. Điều này tạo nên một điện trường VD ngăn ko cho các hạt mang điẹn khuyếch tán qua lại giữa bán dẫn p và n
-Khi phân cực thuận (V>VD) Các điện tử trong bán dẫn n sẽ vượt qua vùng tiếp giáp pn và chạy về phí cực dương của nguồn điện (đồng thời các lỗ trống sẽ về phía cực âm của nguồn điện), tạo thanh dòng điện chạy qua bán dẫn pn. Đây là nguyên lý hoạt động của diode bán dẫn
-Trong quá trình điện tử từ bán dẫn n chạy về điện cực dương, các điện tử có thể gặp các lỗ trống tại bán dẫn p (bán dẫn có thừa lỗ trống). Khi đó, các điện tử và lỗ trống sẽ kết hợp với nhau tạo liên kết cộng hóa trị giữa các nguyên tử trong bán dẫn.
-Xét về mặt năng lượng. Khi một điển tự kết hợp với lỗ trống có nghĩa là điện tử chuyển từ trạng thái năng lượng cao (vùng dẫn) Sang trạng tháy năng lượng thấp (vùng hóa trị) Giống như hiện tượng phát xạ tự phát. Khi đó, theo định luật bảo toàn năng lượng, bán dẫn sẽ phát ra một năng lượng bằng với độ chênh lệch năng lượng giữa vùng dẫn và vùng hóa trị. Nếu chất bán dẫn được sử dụng có dải cấm năng lượng trực tiếp thì nằng lượng sẽ được phát ra dưới dạng photon anh sáng, đây chính là nguyên lý phát xạ ánh sáng của diode phát quang LED.
2.1.2. Cấu trúc và các đặc tính của LED sử dụng trong thông tin quang
2.1.2.1. Cấu trúc của LED
Về cấu trúc, LED có thể được chia làm 2 loại
- LED phát xạ mặt SLED (surface LED)
- LED phát xạ rìa ELED (edge LED)
LED phát xạ mặt SLED (Surface LED) Là loại LED có ánh sáng được phát ra ở phía mặt của LED. Hình 2.2 minh hoạ một loại SLED, được gọi là LED Burrus do cấu trúc của LED được chế tạo đầu tiên bởi Burrus và Dawson Trong cấu trúc này, vùng phát xạ ánh sáng (vùng phát quang) Của LED được giới hạn trong một vùng hẹp bằng cách sử dụng một lớp cách điện để hạn chế vùng dẫn điện của tiếp xúc P.
Do đó, tại vùng tích cực của LED có mật độ dòng điện cao dẫn đến hiệu suất phát quang lớn. Ánh sáng của SLED được đưa vào trong sợi quang tại phía mặt tiếp xúc N. Tại đây, tiếp xúc N và lớp nền N được cắt bỏ đi một phần có kích thước tương ứng với sợi quang. Bằng cách này sẽ hạn chế được sự hấp thụ photon trong lớp N và tăng hiệu suất ghép ánh sáng vào trong sợi quang. Tuy nhiên, vẫn có một phần lớn năng lượng ánh sáng được phát ra ngoài vùng đặt sợi quang. Do đó, hiệu suất ghép ánh sáng vào sợi quang của SLED không cao, thấp hơn so với ELED.
Trong cấu trúc này, các điện cực tiếp xúc (bằng kim loại) Phủ kín mặt trên và đáy của LED. Ánh sáng phát ra trong lớp tích cực (active layer) Rất mỏng. Lớp tích cực này được làm bằng chất bán dẫn có chiết suất lớn được kẹp giữa bởi hai lớp bán dẫn P và N có chiết suất nhỏ hơn.
Cấu trúc này hình thành một ống dẫn sóng trong ELED. Do vậy, ánh sáng phát ra ở lớp tích cực được giữ lại và lan truyền dọc theo trong ống dẫn sóng này. Kết quả là, ánh sáng được phát ra ở hai đầu ống dẫn sóng, tức là phát xạ ở phía cạnh của LED. Sợi quang sẽ được đặt ở một đầu của lớp tích cực để ghép ánh sáng vào. Với đặc điểm cấu trúc như vậy, ELED có vùng phát sáng hẹp và góc phát quang nhỏ. Do đó, hiệu suất ghép ánh sáng vào sợi quang lớn hơn so với SLED.
2.1.2.2. Đặc tính P-I của LED
Nguyên lý hoạt động của LED cho ta thấy rằng, số photon phát xạ phụ thuộc vào số điện tử (do dòng điện cung cấp) Chạy qua vùng tiếp giáp pn, kết hợp với lỗ trống trong lớp bán dẫn p. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng, không phải điện tử nào đi qua lớp bán dẫn p cũng kết hợp với lỗ trống và không phải quá trình kết hợp điện tử lỗi trống. (chuyển trạng thái năng lượng từ vùng dẫn sang vùng hóa trị) Nào cũng tạo ra photon ánh sáng.
Năng lượng được tạo ra này có thể duới dạng năng lượng nhiệt. Do vậy, sô photon được tạo ra còn phụ thuộc vào hiệu xuất lượng tử nội ηint (internal quantum efficient) Của chất bán dẫn. Hiệu xuất ηint đựoc định nghĩa là tỷ số giữa số photon được tạo (Nph) Ra trên số điện tử được dòng điện bơm vào LED (Ne) ηint = Nph/Ne Công xuất phát quang (năng lượng ánh sáng trên một đơn vị thời gian) Của LED có thể được xác định theo số photon phát xạ như sau:
P=E/t=Nph. Eph/t= (Ne. ηint. Eph) /t
Ngoài ra ta có cường độ dòng điện chạy qua LED: I=Ne. E/t
Với Ne là số điện tử do dòng điện cung cấp, e là điện tích của điện tử. Khi xẩy ra quá trình phát xạ ánh sáng, năng lượng của photon phát xạ bằng với độ chênh lệch năng lượng của điện tử khi ở vùng dẫn và vùng hóa trị Eph là năng lượng của photon là độ chênh lệch năng lượng của điện tử khi ở vùng dẫn và vùng hóa trị Suy ra mỗi quang hệ P-I giữa công xuất phát quang và dòng điện được xác định như sau:
P= [(ηint. Eph) /e]. I
Trong công thức trên, Eph có đơn vị là(j). Nếu Eph được tính bằng đơn vị (eV), thì công xuất phát quang là: P (mW) = [(ηint. Eph (eV)]. I (mA) Hiệu xuất lượng tử nội ηint phụ thuộc vào vật liệu bán dẫn được sử dụng và cấu trúc của nguồn quang. Do đó, đối với mỗi loại nguồn quang khác nhau sẽ có đặc tuyến P-I khác nhau. Công xuất phát quang tỷ lệ thuận với dòng điện cung cấp và trong trường hợp lý tưởng, đặc tuyến P-I thay đổi tuyến tính như hình sau:
2.1.2.3. Đặc tính phổ của LED
Trong thông tin quang, ánh sáng do nguồn quang phát ra không phải tại một bước song mà tại một khoảng bước song. Điều này dẫn đến hiện tượng tán sắc sắc thể (chromatic dispersion) Làm hạn chế cự ly là dung lượng truyền dẫn của tuyến mạng. Tính chất này của nguồn quang nói chung và LED nói riêng được giải thích như sau:
-Các nguồn quang trong thông tin quang được chế tạo từ chất bán dẫn. Do đó các điện tử nằm trong một vùng năng lượng chứ không phải ở một mức năng lượng
-Các điện tử khi chuyển từ các mức năng lượng Ej trong vùng dẫn xuống mức năng lượng Ei trong vùng hóa trị sẽ tạo ra photon có bước sóng
-Do có nhiều mức năng lượng khác nhau trong các vùng năng lượng nên sẽ có nhiều bước sóng ánh sáng được tạo ra.
-Phân bố mật độ điện tử trong vùng dẫn và vùng hóa trị không đều nhau, dẫn đến công xuất phát quang tại các bước song không đều nhau
-Bước sóng có công xuất lớn nhất được gọi là bước sóng trung tâm. Bước sóng này thay đổi theo nhiệt độ do phân bố mật độ điện tử trong các vùng năng lượng thay đổi theo nhiệt độ
Độ rộng của phổ quang được định nghĩa là khoảng bước sóng do nguồn quang phát ra có công xuất bằng 0,5 lần công xuất đỉnh (hay giảm 3dB).
Độ rộng phổ của LED phụ thuộc vào loại vật liệu chế tạo nguồn quang. Ánh sáng có bước sóng 1,3àm do LED chế tạo bằng bán dẫn InGaAsP có độ rộng phổ từ
50-60nm. LED được chế tạo bằng bán dẫn GaAs phát ra ánh sáng có độ rộng phổ hẹp hơn 1,7 lần sao với LED chế tạo bằng bán dẫn InGaAsP
---------------------------------------
MỤC LỤC
Danh mục hình vẽ
Chương I: Giới thiệu về nguồn phát quang trong thông tin quang
1.1 Các dải năng lượng
1.2 Nguồn quang bán dẫn
Chương II: Nguồn quang trong thông tin quang
2.1 Nguồn phát quang LED
2.1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của LED
2.1.2. Cấu trúc và các đặc tính của LED
2.1.2.1 Cấu trúc của LED
2.1.2.2 Đặc tính P-I của LED
2.1.2.3. Đặc tính phổ của LED
2.1.3. Mạch phát quang dùng LED
2.1.3.1. Mạch phát quang dùng LED với tín hiệu điều chếlà tín hiệu analog
2.1.3.2. Mạch phát quang dùng LED với tín hiệu điều chếlà tín hiệu số
2.2. Nguồn phát LASER
2.2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Laser
2.2.2. Các đặc tính kĩ thuật của Laser Diode
2.2.2.1 Công suất phát
2.2.2.2 Thông số điện
2.2.2.3. Góc phát quang
2.2.3. Mạch phát quang dùng Lazer Diode
2.2.2.5 Độ rộng phổ
2.2.2.6 Nhiễu trong Laser
2.2.2.4 Hiệu suất ghép quang
---------------------------------------------------
keyword: download,bai tieu luan,mach phat quang,trong led, laser,kich thich,tin hieu tuong,tu va so
Nhận xét
Đăng nhận xét