1. Khái niệm diode quang

Diode quang hay diode quang (photodiode) là một linh kiện bán dẫn biến đổi tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện dựa trên hiệu ứng quang điện. Hiểu một cách đơn giản, thiết bị có mối nối P-N đặc biệt tạo ra dòng điện khi có ánh sáng chiếu vào được gọi là diode quang. Nó còn được gọi là bộ tách sóng quang hay bộ cảm biến quang. Nên nhớ diode quang hoạt động ở chế độ phân cực ngược nhé các bạn. Chiều ngược với chiều của diode đó.

Trong mạch điện thì diode quang có ký hiệu tương tự diode nhưng có thêm 2 mũi tên chiếu vào, biểu thị ánh sáng chiếu vào diode quang.

2. Cấu tạo của diode quang

Hình 2 mô tả chi tiết về cấu tạo của diode quang. Trong đó, mối nối P-N của thiết bị đặt bên trong vật liệu thủy tinh. Điều này được thực hiện để cho phép năng lượng ánh sáng truyền qua nó một cách dễ dàng. Vì chỉ có phần tiếp giáp tiếp xúc với ánh sáng, do đó phần khác của vật liệu thủy tinh thường được sơn màu đen hoặc được mạ kim loại. Đáng chú ý là cường độ dòng điện chạy qua thiết bị có đơn vị là micro-ampe (mA) và được đo qua ampe kế.

3. Các loại diode quang

Hiện nay có ba loại diode thu quang đang được sử dụng chủ yếu bao gồm diode thu quang hiệu suất, diode thu quang dòng tối, diode thu quang đáp ứng thời gian. Trong đó, diode thu quang hiệu suất là tỷ số công suất dòng điện tạo ra với quang thông A/W. Số lượng tử photodiode cho từng bước sóng photon không đều. Diode thu quang dòng tối dòng rò của diode dòng điện khi không có ánh sáng chiếu vào. Diode thu quang ứng thời gian hoạt động trên nguyên tắc ramo, phản ánh dòng quang điện bắt kịp thay đổi của quang thông.

4. Nguyên lý làm việc của diode quang

Khi một photon có năng lượng dồi dào chạm vào diode, nó sẽ tạo ra một vài lỗ trống điện tử. Cơ chế này con được gọi là hiệu ứng quang điện bên trong. Nếu sự hấp thụ phát sinh ở phần tiếp giáp của vùng suy giảm thì các hạt tải điện sẽ bị loại bỏ khỏi phần tiếp giáp bởi điện trường sẵn có trong vùng suy giảm. Do đó, các lỗ trống trong vùng dịch chuyển sẽ dịch chuyển về phía cực dương và các điện tử sẽ di chuyển về phía cực âm, do đó tạo ra một dòng điện ngược. Nó được gọi như vậy bởi vì dòng điện này hoàn toàn là kết quả của dòng chảy của các hạt tải điện thiểu số và do đó sẽ chảy khi thiết bị không tiếp xúc với bức xạ (Không có ánh sáng chiếu vào).

• Khi chưa được chiếu sáng: Các electron có mặt ở phía P và các lỗ trống ở phía N là hạt tải điện thiểu số. Khi đặt một điện áp phân cực ngược nhất định thì hạt tải điện nhỏ nhất, các lỗ trống từ phía N chịu lực đẩy từ điện thế dương của pin (cực âm của nguồn) và các electron từ phía P chịu lực đẩy từ thế âm của pin (cực dương của nguồn). Do sự chuyển động này, điện tử và lỗ trống tái kết hợp tại chỗ nối và sẽ tạo ra vùng suy giảm ở chỗ nối (mối tiếp giáp P-N) từ đó tạo ra một dòng điện nghịch có cường độ rất nhỏ. Bên cạnh đó, dòng điện nghịch này tiếp tục bị suy giảm do có sự kết hợp giữa điện tử và lỗ trống ở đường giao nhau để tạo ra các nguyên tử trung hòa.
• Khi được chiếu sáng: Bây giờ, mối tiếp xúc P-N của diode quang được chiếu sáng bằng ánh sáng. Khi ánh sáng rơi trên bề mặt của mối tiếp xúc thì nhiệt độ của đường giao nhau sẽ tăng lên. Điều này làm cho electron và lỗ trống tách ra khỏi nhau. Khi hai electron tách ra thì electron từ phía N bị hút về phía cực dương của nguồn. Tương tự, các lỗ trống ở phía P bị thu hút bởi cực âm của nguồn. Với sự gia tăng cường độ ánh sáng, nhiều hạt mang điện được tạo ra và chảy qua mạch điện, qua đó, sinh ra dòng điện lớn qua diode quang. Dòng điện này sau đó được sử dụng để dẫn điện các mạch khác của hệ thống. Vì vậy, chúng ta có thể nói cường độ năng lượng ánh sáng tỷ lệ thuận với dòng điện qua thiết bị.

5. Các chế độ làm việc và ưu-nhược điểm của diode quang

a. Diode quang có ba 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.

b. Ưu-nhược điểm của diode quang

• Về ưu điểm: diode quang cho có khả năng đáp ứng nhanh khi tiếp xúc với ánh sáng, mang lại tốc độ hoạt động cao và có giá thành rẻ. Ngoài ra, việc sử dụng diode quang cũng mang lại nhiều lợi ích đối với môi trường vì nó tiêu thụ ít năng lượng, không chứa thủy ngân và có lượng khí thải carbon.
• Về nhược điểm: Diode quang có độ nhạy thấp đối với ánh sáng yếu do nó không có cơ chế khuếch đại nội tại. Hiệu suất của diode quang thường bị ảnh hưởng bởi dòng tối, bước sóng ánh sáng và nhiệt độ bên ngoài. Ngoài ra, diode quang có dải rộng hẹp gây ra một số hạn chế nhất định ở các điều sử dụng nhất định.

6. Ứng dụng của diode quang trong thực tế

Ngày nay, diode quang đóng vai trò quan trọng trong các thiết bị điện tử, công nghệ tiên tiến có thể kể đến như:

• Công nghệ LED: Đèn LED là một ứng dụng phổ biến của diode quang, được sử dụng rộng rãi trong chiếu sáng nội thất, ngoại thất, và trong các thiết bị điện tử. LED có hiệu suất cao, tuổi thọ dài, và khả năng chống sốc tốt, giúp tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường.
• Công nghệ photovoltaic: Đây là công nghệ sử dụng diode quang để chuyển đổi ánh sáng thành điện năng. Các tấm pin mặt trời là ví dụ điển hình của công nghệ này, cho phép tạo ra năng lượng tái tạo từ ánh sáng mặt trời.
• Công nghệ quang điện tử: Diode quang được sử trong trong các hệ thống quang điện để phát hiện và phân tích ánh sáng. Các ứng này bao gồm cảm biến quang, hệ thống viễn thông sợi quang và thiết bị đo lường quang học.
• Công nghệ quang học: Diode quang cũng được ứng dụng trong các thiết bị quang học như máy ảnh kỹ thuật số, máy chiếu và các thiết bị hình ảnh khác dùng để phát hiện và xử lý ánh sáng.

‍