Bài tập lớn môn học KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG Đề tài Tìm hiểu Bộ tách sóng quang Pin

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VÂN TẢI

-o0o -Bài tập lớn môn học

KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG

Đề tài: Tìm hiểu Bộ tách sóng quang Pin

Giảng viên hướng dẫn: Ths.Phạm Hồng Quân

HÀ NỘI - 2024

Lời mở đầu

Hệ thống thông tin quang đã được áp dụng ở tất cả các quốc gia trên thế giới, cả mạng đường trục quốc gia và đường xuyên lục địa; và là một hệ thống rất quan trọng trong vấn đề truyền dẫn hiện nay Mạng quang ra đời đánh dấu bước nhảy vọt trong lĩnh vực truyền thông tốc độ cao.

Bên cạnh đó, với thời đại công nghệ thông tin ngày nay, việc nắm bắt và tối ưu hóa các thành phần cơ bản của các hệ thống thông tin quang là vô cùng cần thiết Trong số những thành phần này, bộ tách sóng quang đóng vai trò rất quan trọng, đặc biệt là trong việc biến đổi các tín hiệu quang thành tín hiệu điện và trong các ứng dụng quan trọng như truyền dẫn dữ liệu quang học và cảm biến quang học.

Tại đầu cuối của đường truyền dẫn quang phải có dụng cụ thu và chuyển đổi các thông tin được chứa trong tín hiệu quang Phần tử đầu tiên của máy thu là bộ tách quang (hay còn gọi là bộ biến đổi điện quang) Bộ tách quang cảm nhận năng lượng quang chiếu vào nó biến đổi các năng lượng quang thành dòng điện tương ứng Do tín hiệu quang nói chung là yếu và bị méo khi xuất hiện ở đầu cuối sợi quang, nên bộ tách quang phải có yêu cầu là tái tạo lại dạng tín hiệu Trong số những yêu cầu đầu tiên là đáp ứng cao hoặc độ nhạy cao trong phạm vi bước sóng bức xạ của nguồn quang đang sử dụng, sự tăng nhiễu là nhỏ nhất cho hệ thống, và tốc độ đáp ứng phải nhanh hoặc là độ rộng băng tần hiệu dụng phải tương ứng với tốc độ truyền của số liệu được yêu cầu Bộ tách quang cũng sẽ phải không nhạy với nhiệt độ, phải tương hợp với kích cỡ của sợi quang, có giá thành hợp lý so với các thành phần khác của hệ thống và phải có tuổi thọ cao Tuy nhiên rất nhiều bộ tách không có một hoặc nhiều các yêu cầu trên.

Bộ tách sóng quang Pin hay bộ tách sóng quang Photodiode Pin là các linh kiện hoạt động theo nguyên lý biến đổi trực tiếp lượng tử ánh sang thành tín hiệu điện được gọi là bộ tách quang lượng tử

Với đề tài “Tìm hiểu về Bộ tách sóng quang Pin” nhóm chúng em sẽ tập trung vào tìm hiểu khái quát về hệ thống thông tin quang, và tìm hiểu chuyên sâu về bộ tách sóng quang Pin theo các nội dung chính sau đây:

 Tổng quan hệ thống thông tin quang  Bộ tách sóng quang Pin

 Ứng dụng của Bộ tách sóng quang Pin

Bài luận được hoàn thành bởi các thành viên nhóm 5 lớp Điện tử viễn thông 4 – K62 trong thời gian tham gia môn học Kỹ thuật thông tin quang do thầy Ths.Phạm Hồng Quân giảng dạy Nội dung của bài luận được dựa trên các thông tin đã học theo chương trình học trên lớp và các tài liệu tham khảo từ nhiều nguồn.

Mọi thông tin cần góp ý xin liên hệ:

Trưởng nhóm Đào Duy Long theo hòm thư: long211400787@lms.utc.edu.vn

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 5

Chapter 1 1.1 HỆTHỐNGTHÔNGTIN 5

1.1.1 Khái quát chung 5

1.1.2 Các phần tử cơ bản của tuyến truyền dẫn quang 5

Chapter 2 1.2 KHÁIQUÁTVỀBỘTHUQUANG 6

Chapter 4 2.1 NHỮNGĐẶCĐIỂMCHUNGCỦAPHOTODIODEBÁNDẪN 11

Chapter 5 2.2 BỘTÁCHSÓNGQUANG PIN (POSITIVE INTRINSIS NEGATIVE) 11

2.2.1 Tổng quan 11

2.2.2 Cấu tạo của bộ tách sóng quang PIN 13

2.2.3 Nguyên lý hoạt động 14

2.2.4 Hiệu suất lượng tử hoá và thời gian đáp ứng 18

2.2.5 Nhiễu của bộ tách quang 20

2.2.5.1 Các nguồn nhiễu 22

2.2.5.2 Tỷ số tín hiệu trên nhiễu (S/N) 24

2.2.6 Đáp ứng thời gian của các bộ tách quang 25

2.2.6.1 Dòng quang điện ở miền trôi 25

2.2.6.2 Thời gian đáp ứng 26

2.2.7 Vật liệu chế tạo Photodiode 29

CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG CỦA PHOTODIODE 32

Chapter 6 3.1 ỨNGDỤNGTRONGTHỰCTẾ 32

Chapter 7 3.2 ƯUĐIỂMVÀNHƯỢCĐIỂM 34

3.2.1 Ưu điểm 34

3.2.2 Nhược điểm 34

CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN 35

TÀI LIỆU THAM KHẢO 36

Danh mục hình vẽ

Hình 1-1: Các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin 5

Hình 1-2: Các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin quang 6

Hình 1-3: Sơ đồ bộ nhân photon 10

Hình 2-1: Photodiode PIN 12

Hình 2-2: Cấu tạo cơ bản của photodiode PIN 13

Hình 2-3: Sơ đồ cấu trúc và vùng năng lượng của PIN 15

Hình 2-4: Hệ số hấp thụ quang thay đổi theo bước sóng 16

Hình 2-5: Hệ số đáp ứng và hiệu suất lượng tử hoá của PIN 18

Hình 2-6: Các đường cong R- tiêu biểu 20

Hình 2-7: Cấu trúc bộ thu quang đơn giản và sơ đồ tương đương của nó 22

Hình 2-8: Đáp ứng của photodiode có miền trôi dùng hết hoàn toàn 27

Hình 2-9: Đáp ứng của photodiode có miền trôi không hoàn toàn nghèo 28

Hình 2-10: Các đặc tính của photodiode PIN tiêu biểu 30

Hình 3-1: Pin Diode làm công tắc RF 33

3 SNR Signal to Noise Ration 4 PIN Positiv Intrinsis Negative

9 InGaAsP Indium gallium arsenide phosphide 10 GaAs Gali(III) arsenide

Chương I: Tổng quan hệ thống thông tin quang1.1 Hệ thống thông tin.

1.1.1 Khái quát chung.

- Từ xa xưa, một trong những điều quan tâm chủ yếu trong cuộc sống của loài người là tìm ra các hệ thống thông tin để gửi đi các bản tin từ nới này đến nơi khác Bất kỳ một hệ thống thông tin nào cũng gồm các phần tử cơ bản như hình 1-1 dưới đây:

Hình 1-1: Các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin

- Các phần tử này cũng bao gồm cả nơi đầu tiên của nguồn tin là nơi đưa một bản tin tới máy phát Máy phát tập hợp các bản tin trong kênh truyền dẫn ở cùng một dạng tín hiệu và sắp xếp theo đặc tính của kênh Kênh truyền dẫn là cầu nối khoảng cách trung gian giữa máy phát và máy thu, nó có thể là các đường truyền dẫn như cáp kim loại, ống dẫn sóng, hoặc truyền dẫn trong không khí Khi tín hiệu lan truyền trong kênh truyền dẫn nó có thể bị ảnh hưởng tới hai mặt đó là bị suy giảm và bị biến dạng tín hiệu theo sự tăng của khoảng cách truyền lan Chức năng của máy thu là thu nhận tín hiệu đã bị suy yếu và méo dạng từ kênh truyền dẫn, khuếch đại chúng và hồi phục chúng trở lại nguyên dạng giống như trước khi chúng được chuyển đến nới nhận tin.

1.1.2 Các phần tử cơ bản của tuyến truyền dẫn quang.

- Để nhìn nhận một cách đầy đủ về hệ thống thông tin sợi quang ta xem xét các phần tử cơ bản nhất có trên một tuyến truyền dẫn cáp quang Một tuyến truyền dẫn cáp quang bao gồm các phần tử cơ bản như hình vẽ 1-2.

+ Máy phát quang (Transmiter): bao gồm nguồn quang (Light source) và mạch điều khiển (Drive circuit).

+ Cáp quang

+ Máy thu quang bao gồm: bộ thu quang (Photo-detector), Bộ khuếch đại (Amplifer), bộ khôi phục tín hiệu (Signal restorer)

+ Trạm lặp (Repeater): bao gồm bộ thu quang (optical receiver), bộ điện tử để khôi phục tái sinh hoặc khuếch đại tín hiệu điện, bộ phát quang (optical transmitter)

+ Các phần tử phụ: Các bộ nối (connector), nối mối (Splice), các bộ tách ghép luồng quang (Optical coupler or beam splitter)

Hình 1-2: Các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin quang

1.2 Khái quát về bộ thu quang.

- Thiết bị thu quang, hay còn gọi là bộ thu quang, là một trong những bộ phận quan trọng nhất trong hệ thống thông tin quang vì nó ở vị trí sau cùng của tổ chức hệ thống truyền dẫn nơi mà thiết bị này thu nhận mọi đặc tính tác động trên toàn tuyến đưa tới, và cũng vì thế cho nên hoạt động của nó có liên quan trực tiếp tới chất lượng toàn bộ hệ thống truyền dẫn Chức năng chính của nó là

biến đổi tín hiệu quang thu được thành tín hiệu điện Thiết bị thu quang cần có độ nhạy thu cao, đáp ứng nhanh, nhiễu thấp, giá thành hạ và đảm bảo độ tin cậy cao.

- Tại bộ thu quang, sóng tín hiệu quang từ phía phát đi tới, được biến đổi thành tín hiệu điện, rồi được khuyếch đại và phục hồi trở lại thành tín hiệu cùng dạng như ở đầu vào thiết bị phát quang Tín hiệu quang được biến đổi thành tín hiệu điện tại bộ biến đổi quang điện (O/E) Bộ biến đổi quang điện thường là một bộ tách sóng phô-tô-điôt Đây là một bộ tách sóng theo luật bình phương vì nó biến đổi công suất quang thu được trực tiếp thành dòng điện (dòng photo tại đầu ra của nó) Vì thế mà bộ thu kiểu này được gọi là bộ thu tách sóng trực tiếp DD (Direct Detection) Tín hiệu quang từ phía phát đi vào sợi quang sẽ dễ bị suy hao dần, và độ méo tăng lên theo độ dài cự ly truyền dẫn do tác động của tán xạ, hấp thụ và tán sắc trong sợi dẫn quang Vì vậy, bộ thu quang phải làm việc trong điều kiện gặp nhiều các yếu tố tác động việc thiết kế thiết bị thu quang sẽ khó khăn hơn rất nhiều so với thiết bị phát quang Bộ thu phải đảm bảo thu được tín hiệu rất yếu, bị méo và phải tách được các thành phần nhiễu khá lớn so với tín hiệu trong các bộ thu quang số thực tế, tín hiệu điện yếu thu được tại đầu ra bộ tách song sẽ được khuếch đại, cân bằng tại các bộ khuếch đại điện và bộ cân bằng tương ứng Cuối cùng , tín hiệu sẽ được phục hồi tại mạch quyết định.

- Để có được một tuyến truyền dẫn dài với tốc độ bit lớn, bộ thu quang cần phải thoả mãn những yêu cầu chính sau đây:

+ Có tỷ số tín hiệu nhiễu SNR (Signal to Noise Ration) lớn và độ nhạy thu cao.

+ Hoạt động trong điều khiển tín hiệu có băng tần lớn.

1.3 Bộ tách sóng quang.

1.3.1 Khái quát

- Tại đầu cuối của đường truyền dẫn quang phải có dụng cụ thu và chuyển đổi các thông tin được chứa trong tín hiệu quang Phần tử đầu tiên của máy thu là bộ tách quang (hay còn gọi là bộ biến đổi điện quang) Bộ tách quang cảm nhận

năng lượng quang chiếu vào nó biến đổi các năng lượng quang thành dòng điện tương ứng Do tín hiệu quang nói chung là yếu và bị méo khi xuất hiên ở đầu cuối sợi quang, nên bộ tách quang phải có yêu cầu là tái tạo lại dạng tín hiệu Trong số những yêu cầu đầu tiên là đáp ứng cao hoặc độ nhạy cao trong phạm vi bước sóng bức xạ của nguồn quang đang sử dụng, sự tăng nhiễu là nhỏ nhất cho hệ thống, và tốc độ đáp ứng phải nhanh hoặc là độ rộng băng tần hiệu dụng phải tương ứng với tốc độ truyền của số liệu được yêu cầu

Bộ tách quang cũng sẽ phải không nhạy với nhiệt độ, phải tương hợp với kích cỡ của sợi quang, có giá thành hợp lý so với các thành phần khác của hệ thống và phải có tuổi thọ cao Tuy nhiên rất nhiều các bộ tách không có một hoặc nhiều các yêu cầu trên.

- Có nhiều loại bộ tách quang trong đó chủ yếu được chia thành hai nhóm:

+ Nhóm 1: bao gồm các bộ tách quang Phyroelectric liên quan đến sự chuyển đổi của photon thành nhiệt quang nóng Sự hấp thụ photon dẫn đến sự thay đổi nhiệt của vật liệu tách quang Điều này làm biến đổi hằng số điện mà nó thường được đo như là khả năng thay đổi Đáp ứng của bộ tách này là khá bằng phẳng trên dải phổ rộng nhưng tốc độ của nó bị hạn chế bới tốc độ làm mát của bộ tách sau khi nó đã bị kích thích Nhóm này hầu như không được sử dụng trong các hệ thống thông tin quang.

+ Nhóm 2: Là các linh kiện hoạt động theo nguyên lý biến đổi trực tiếp lượng tử ánh sáng thành tín hiệu điện được gọi là bộ tách quang lượng tử (hay gọi đơn giản là bộ tách quang) Các bộ tách quang lượng tử lại được chia thành hai loại:  Loại thứ nhất: Là các linh kiện sử dụng hiệu ứng quang ngoại nghĩa là quá trình

phát xạ điện tử vào không gian khi có tác động của các lượng tử Các linh kiện này là các tế bào quang điện chân không hoặc các bộ nhận điện tử (Photomultiplier), Bộ nhân quang (Photomultiplier) bao gồm một cực quang âm và một bó nhân điện tử trong ống chân không có khả năng khuếch đại lớn và nhiễu thấp Thế nhưng kích thước lớn và yêu cầu điện áp cao của chúng làm chúng không thích hợp với các hệ thống sợi quang.

 Loại thứ hai: Là các linh kiện sử dụng hiệu ứng quang nội nghĩa là quá trình tạo

ra các phần tử mang điện trong chất rắn Các linh kiện này bao gồm: Thyristor, Photoresitance, Phototransitor và Photodiode Trong số các bộ tách quang bán

dẫn, photodiode được sử dụng với khả năng hầu như độc chiếm đối với các hệ thống sợi quang bởi vì kích thước nhỏ, vật liệu thích hợp, thời gian đáp ứng nhanh và phù hợp với công nghệ vi điện tử Hai kiểu photodiode thường dùng trong các hệ thống thông tin quang là bộ tách quang kiểu PIN (Positiv Intrinsis Negativ) và diode quang thác APD (Avalanche Photo Diode).

- Trong đề tài này, chúng ta sẽ chỉ tập trung tìm hiểu về bộ tách sóng quang PIN.

1.3.2 Tách sóng quang

1.3.2.1 Quá trình tách sóng quang

- Quá trình thu sóng điện từ bao gồm quá trình hấp thụ các photon của trường tới Tuy nhiên, do năng lượng photon tại các tần số sóng vô tuyến thấp nên khó nhận thấy các tác động của quá trình lượng tử hoá sóng điện từ tại các tần số

này Tách sóng quang về căn bản khác nhiều so với tách sóng rf vì có sự khác

nhau rất nhiều giữa năng lượng photon trong hai vùng phổ tần này Với sóng

“rf”, quá trình thu sóng được thực hiện qua một chiếc anten làm bằng vật liệu

dẫn điện tốt Sau bước đầu tiên này, dòng điện cảm ứng trong anten được khuếch đại và xử lý điện từ để thu tín hiệu phù hợp cho giải điều chế và giai đoạn tách sóng cuối cùng Do vậy, sự tương tác cơ bản trong quá trình thu sóng

“rf” liên quan đến đáp ứng của các điện tử vùng với trường điện từ tới Hiện

nay, các vật dẫn tốt có rất nhiều điện tử trong vùng dẫn phân bố đều trên các mức năng lượng Do vậy, không có giới hạn dưới năng lượng photon đối với quá trình hấp thụ tại tần số vô tuyến Điều này rõ ràng khác so với hiệu ứng điện quang cũng như tách sóng quang nói chung.

- Khác so với thu sóng vô tuyến, tách sóng tần số quang diễn ra giữa chùm sóng quang tới và các điện tử vùng hoá trị giới hạn trong các nguyên tử trong bộ tách sóng Chùm ánh sáng bị hấp thụ bới các nguyên tử trong vùng hiếm của photodiode là điều cần quan tâm đầu tiên trong hệ thống truyền thông cáp quang Quá trình tách sóng được bắt đầu bằng quá trình hấp thụ photon và hiện tượng nhảy mức đồng thời của các điện tử trong vùng hoá trí lên vùng dẫn Để hiện tượng này xảy ra, năng lượng của chùm photo tới phải đủ lớn để cho điện tử vượt qua vùng trống Không giống như thu sóng vô tuyến, điều kiện này đặt

ra yêu cầu về giới hạn dưới của tần số sóng quang mà photodiode có thể thu được Hiện tượng này biểu thị qua sự tồn tại của tần số cắt dưới có thể quan sát được trong hiệu ứng quang điện Đáp ứng của hệ thống anten vô tuyến là phụ thuộc vào tần số, nhưng không có tần số cắt dưới một cách rõ ràng Hai loại thiết bị thu sóng được sử dụng trong hệ thống thông tin sợi quang là bộ nhân photon và photodiode.

1.3.2.2 Các bộ nhân photon

- Năm 1905, Einstein chứng minh rằng hiệu ứng quang điện là một bằng chứng rõ ràng về sự lượng tử hoá ánh sáng thành các đơn vị năng lượng rời rạc gọi là các photon Ông đã giải thích thí nghiệm quan sát tần số cắt trong hiệu ứng quang điện bằng cách chỉ ra rằng năng lượng photon cần thiết để xảy ra hiệu ứng quang điện phải như sau:

hf ≥ Eg + công thoát ra khỏi bề mặt

- Công thoát khỏi bề mặt trong biểu thức này được quy định bằng dòng năng cần

thiết để thoát khỏi hàng rào thế luôn tồn tại ở đường biên các bề mặt Không phải tất cả quá trình hấp thụ photon thoả mãn điều kiện tần số cắt đều dẫn đến bức xạ điện tử; tuy vậy, trung bình trên một số lượng lớn các hiện tượng như vậy đều tạo ra dòng đáp ứng tỉ lệ với cường độ ánh sáng tới Nếu tần số sóng nhỏ hơn tần số cắt thì không có dòng đáp ứng cho dù cường độ ánh sáng tới lớn đến đâu Kích thích nhiệt và những tia vũ trụ trừ có cường độ cao sẽ tạo ra dòng “tối” rất nhỏ ngay cá khi không có ánh sáng chiếu vào bộ thu quang Có thể giảm dòng sinh ra do nhiệt bằng cách làm lạnh các bộ thu photodiode, bảo vệ bộ khuếch đại photon bằng cách bọc kim bao phủ xung quanh PMT để giảm ảnh hưởng của các phần tử năng lượng cao Sơ đồ khuếch đại photon đơn giản được minh hoạ ở hình sau:

Hình 1-3: Sơ đồ bộ nhân photon

Chương II: Bộ tách sóng quang PIN

2.1 Những đặc điểm chung của photodiode bán dẫn.

- Tương tác chủ yếu trong quá trình tách sóng bằng photodiode bán dẫn là sự hấp

thụ photon và đồng thời là sự kích thích điện tử từ vùng hoá trị lên vùng dẫn Kết quả mỗi lần hấp thụ này là phát sinh ra một cặp điện tử lỗ trống Tối thiểu, photon tới phải có năng lượng để đưa điện tử từ đỉnh của vùng hóa trị sang đáy của vùng dẫn qua vùng cấm Năng lượng này được biểu diễn bằng giá trị Eg Tuy nhiên, không như hiệu ứng quang điện, các điện tử vùng dẫn duy trì trong chất bán dẫn và không cần tính đến công để thoát khỏi bề mặt Có thể biểu diễn ngắn gọn hiệu ứng này là bước sóng của photon phải thoả mãn điều kiện λ0 < λc

ở đây:

λc( μmm )= 1,24

Eg(eV )

Hệ thức trên là điều kiện cần để tách một photon trong photodiode, chứ không phải là điều kiện đủ Trường quang tới có thể được tách bằng photodiode chỉ khi các quá trình hấp thụ photon này sinh ra dòng điện đáng kể ở mạch ngoài Nếu hiệu ứng của cặp điện tử - lỗ trống sinh ra do quá trình hấp thụ photon bị khử do quá trình tái hợp trước khi phát sinh ra dòng điện ngoài, quá trình được coi như chưa hề xảy ra Không giống như diode laser, photodiode được thiết kế để đáp ứng với một dải bước sóng rộng, độ rộng vùng trống là tham số chính trong thiết kế photodiode.

2.2 Bộ tách sóng quang PIN (Positive Intrinsis Negative)

2.2.1 Tổng quan.

- Bộ tách sóng quang PIN, hay photodiode PIN, là sự thay đổi cấu trúc của

photodiode tiếp giáp bằng cách thêm vào lớp không pha tạp giữa hai loại n và loại p như trên hình 2-1, và được biết đến là bộ tách sóng quang được sử dụng phổ biến và rộng rãi nhất hiện nay.

- Vùng nghèo trong photodiode PIN bao gồm toàn bộ vùng giữa Giống như

trong lớp tiếp giáp p-n, ở đây tồn tại hàng rào thế ngăn cản dòng hạt tải đa số đi vào vùng trống mở rộng được tạo bởi hai mặt giữa vùng i Điện trường phát sinh do các hạt mang điện tại hai bề mặt này Các lỗ trống và các điện tử tự do trong vùng nghèo bị đẩy theo chiều đối diện vào các vùng mà tại đó chúng thành các hạt tải đa số Giống như trường hợp photodiode một lớp tiếp giáp p-n, những hạt tải dư thừa sinh ra dòng điện mạch ngoài.

Hình 2-4: Photodiode PIN

- Một ưu điểm quan trọng của photodiode Pin là cải thiện được các đặc tính đáp

ứng tần số sinh ra do giảm điện dung của vùng nghèo (CDR) Tác dụng tăng độ dài đối với điện dung vùng nghèo được giải thích bằng công thức tụ điện bản mặt song song C=εA/d Trái lại, đáp ứng tần số cũng phụ thuộc vào thời gian điện tích đi qua vùng nghèo, vùng nghèo mở rộng của cấu trúc Pin làm tăng thời gian chuyển tiếp Vùng trống rộng hơn dẫn đến điện trường yếu hơn so với điện trường trong các photodiode một lớp tiếp giáp p-n với cùng thiên áp Tuy nhiên, cấu trúc Pin tạo ra đáp ứng nhanh nhất.

- Photodiode PIN có một số ưu điểm so với photodiode một lớp tiếp giáp p-n.

Thứ nhất, hầu như tất cả các photon vào vùng nghèo đều được hấp thụ tại đây và hầu như không có photon nào đi qua vùng kế tiếp (vùng n trong hình 2-1) Có lẽ ưu điểm quan trọng nhất của cấu trúc Pin là số lượng các photon bị hấp thụ ở vùng p,n giảm rất nhiều, do đó giảm hầu hết hiệu ứng kéo dài xung như miêu tả trước đây Ngoài ra, tính chất này làm tăng đáp ứng tần số của photodiode.

- Dòng điện chạy trong các vùng p, n phần lớn là do sự khuếch tán, trong khi

dòng có hướng điều khiển bởi điện trường là loại dòng chủ yếu trong vùng nghèo mở rộng Kết quả là đáp ứng thời của diode PIN tốt hơn so với một loại photodiode bán dẫn khác là photodiode p-n Để có được đáp ứng tần số ở 50GHz, vùng i và tiết diện phải được chế tạo càng nhỏ càng tốt Bởi vì tiết diện hẹp khó ghép ánh sáng vào photodiode; một số bộ thu PIN được goi là nhành nhất có hiệu suất lượng tử khá nhỏ Mặc dù có một số ý kiến trái chiều khi so sánh giữa photodiode p-n và Pin, song ta đều nhận thấy rằng photodiode PIN tốt hơn photodiode p-n vì nó làm giảm hiệu ứng kéo dài xung và đáp ứng tần số tốt hơn.

- Một loại photodiode PIN khác rất hữu ích là sử dụng cấu trúc lớp tiếp giáp

không đồng nhất dành riêng cho vùng i của photodiode Khác với diode laser lớp tiếp giáp không đồng nhất , những thiết bị này được thiết kế để làm việc với một dải bước sóng rộng Để photodiode tiếp giáp không đồng nhất làm việc ở một bước sóng là điều không cần thiết Trong trường hợp đặc biệt năng lượng trống trong vùng i được thiết kế sao cho0 tương thích với việc thu tín hiều truyền 0 ở mức 1,3 hoặc 1,55µm Mặt khác, các vùng n và p được cấu trúc không chỉ là vật liệu bán dẫn tinh khiết , mà bao gồm cả GaAs hay InP, không có các lớp tiếp giáp không đồng nhất Điều này tạo ra độ phân cách các mức năng lượng trong các vùng trống này khá lớn để hấp thụ ánh sáng tại bước sóng của tín hiệu quang thu được Nhờ vậy, không có hấp thụ photon hoặc phát sinh ra các hạt điện trong vùng p và n Ngăn ngừa hiệu ứng khuếch tán và do đó triệt tiêu hiệu ứng kéo dài xung Thiết kế phúc tạp này tạo ra photodiode tốc độ cao với tần số cắt 3 dB rất lớn.

2.2.2 Cấu tạo của bộ tách sóng quang PIN.

- Nguyên tắc biến đổi quang- điện của photodiode PIN dựa vào nguyên lý biến

đổi quang điện của lớp tiếp giáp p-n được phân cực ngược Cấu trúc cơ bản của photodiode PIN được chỉ ra ở hình 2-2.

Hình 2-5: Cấu tạo cơ bản của photodiode PIN

- Cấu tạo của photodiode PIN bao gồm:

+ Một tiếp giáp gồm 2 bán dẫn tốt là P+ và N+ làm nền, ở giữa có một lớp mỏng bán dẫn yếu loại N hay một lớp tự dẫn I (Intrisic).

+ Trên bề mặt của lớp bán dẫn P+ là một điện cực vòng (ở giữa để cho ánh sáng thâm nhập vào miền I).

+ Đồng thời trên lớp bán dẫn P+ có phủ một lớp mỏng chất chống phản xạ để tránh tổn hao ánh sáng vào.

+ Điện áp phân cực ngược để cho diode không có dòng điện (chỉ có thể có một dòng ngược rất nhỏ, gọi là dòng điện tối)

2.2.3 Nguyên lý hoạt động

- Diode tách quang PIN dựa trên cấu trúc của của PD p-n bằng cách xen vào giữa

lớp p và lớp n một lớp bán dẫn thuần i Vùng nghèo trong diode tách quang Pin bao gồm toàn bộ lớp i Trong vùng nghèo hình thành một hàng rào thế ngăn cản các hạt tải điện đa số đi vào vùng nghèo Điện trường này được tạo ra nhờ các khối điện tích cố định nằm về hai phía của tiếp giáp giữa lớp i với các lớp p và n Các lỗ trống và các điện tử trong lớp i được hình thành khi vùng nghèo hấp thụ photon Ưu điểm quan trọng của Pin diode là cải thiện được đáp ứng tần số do điện dung của diode CD rất bé Đạt được điều này nhờ xen thêm lớp i Để

giải thích vấn đề này, sử dụng biểu thức xác định điện dung của một tụ điện phẳng song song: C=ε 0∗ε r∗A

- Trong đó ε0 là hằng số điện môi của không gian tự do, εr là hằng số điện môi tương đối của môi trường giữa hai má tụ điện, A là diện tích của má tụ điện, d là khoảng cách hai má tụ điện

- Mặt khác đáp ứng tần số cũng phụ thuộc vào thời gian chuyển dịch của các hạt

tải điện qua vùng nghèo Vùng nghèo mở rộng của Pin diode làm chậm thời gian chuyển dịch Vùng nghèo càng rộng thì thời gian chuyển dịch càng dài Điện trường trong vùng nghèo của Pin diode yếu hơn điện trường trong cấu trúc diode p-n Tuy nhiên cấu trúc Pin diode có đáp ứng nhanh nhất so với các diode khác.

Hình 2-6: Sơ đồ cấu trúc và vùng năng lượng của PIN

- Cấu trúc của loại này bao gồm miền bán dẫn p và n cách lý bởi miền tự dẫn rất

yếu (i) Trong sự hoạt động bình thường điện áp phân cực ngược khá lớn được cấp cho dụng cụ để miền tự dẫn dùng hết hoàn toàn các hạt mang điện Tức là mật độ tập trung các hạt ở miền n và p là coi như không đáng kể khi so với độ tập trung tạp chất ở miền này.

- Do cấu trúc cơ bản bên trong của nó, lớp i nằm ở giữa có trở kháng cao và hầu

tại trong lớp i Khi có một photon đi tới mà mang một năng lượng lớn hơn (hoặc bằng) với năng lượng vùng cấm của vật liệu bán dẫn dùng để chế tạo phô-tô-điôt,photon này có thể bỏ ra năng lượng của nó và kích thích một điện tử từ vùng hóa trị sang vùng dẫn Quá trình này sẽ phát ra các cặp điện tử-lỗ trống tự do, các cặp này chủ yếu được phát ra trong vùng trôi và được gọi là các hạt mang photo hoặc các điện tử photon.

- Khi có một photon bất ngờ (ngẫu nhiên có năng lượng lớn hơn hoặc bằng năng

lượng dải cấm của vật liệu bán dẫn, photon có thể đưa ra năng lượng của nó và kích tích một điện tử từ dải hoá trí lên dải dẫn Quá trình này tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống tự do được gọi là các hạt điện quang (photocarriers), do chúng là các hạt mang điện được sinh ra nhờ photon như được thể hiện ở hình vẽ 2-3 Bộ tách quang được thiết kế bình thường để cho các hạt mang điện này được phát ea chủ yếu ở miền dùng hết (miền tự dòng dùng hết), ở đó hầu hết ánh sáng ngẫu nhiên được hấp thụ Sự hiện diện của điện trường cao tại miền dùng hết dẫn đến các hạt mang điện cách ly và bị tập hợp ngang qua miền phân cự ngược Điều này đưa ra sự tăng dòng chảy trong mạch điện ngoài , với một dòng điện tử chảy đối với mọi cặp hạt điện được sinh ra, dòng điện này được gọi là dòng quang điện.

Hình 2-7: Hệ số hấp thụ quang thay đổi theo bước sóng

- Khi dòng các hạt mang điện chảy qua vật liệu, một số cặp điện tử - lỗ trống sẽ

tái hợp và vì thế sẽ không xuất hiện Trung bình các hạt mang điện sẽ di chuyển

một khoảng cách Ln hoặc Lp đối với điện tử hoặc lỗ trống Độ dài này gọi là độ dài khuếch tán Thời gian mang lại sự tái hợp điện tử và lỗ trống gọi là thời gian tồn tại của hạt mang điện và được miêu tả bởi Tn vàTp Thời gian này và độ dài khuếch tán quan hệ bởi:

Ln = (Dn Tn)1/2.Lp = (Dp Tr)1/2.

- Trong đó Dn và Dp là hệ số khuếch tán của điện tử và lỗ trống, nó được biểu

diễn bởi đơn vị là cm2/s.

- Bức xạ quang lại hấp thụ trong vật liệu bán dẫn tuân theo luật hàm mũ.

P(x) = P0.[1-e^(- αs(x)x )](2-1)

Trong đó:

+ αs(x) là hệ số hấp thụ tại bước sóng

+ P0 là mức năng lượng quang ngẫu nhiên

+ P(x) là năng lượng bị hấp thụ trên khoảng cách x

- Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ quang vào bước sóng được cho ở hình 2-4 với một vài vật liệu chế tạo diode Như các đường cong đã chỉ ra rõ ràng rằng, αs

phụ thuộc vào bước sóng Vì thế vật liệu bán dẫn riêng biệt có thể chỉ được dùng trên một phạm vi bước sóng giới hạn Bước sóng giới hạn trên c được xác định bởi năng lượng dải cấm Eg của vật liệu:

c = =

Nếu Eg được biểu diễn theo đơn vị eV thì c được tính theo đơn vị là µm.

- Bước sóng giới hạn khoảng 1,06 µm với Si và 1,6 đối với Ge Với các bước sóng dài hơn năng lượng photon không kích thích có hiệu quả đối với một điện tử từ dải hoá lên dải dẫn.

Ví dụ: Photodiode cấu tạo từ GaAs có năng lượng Eg = 1,43 eV tại nhiệt độ 3000K, ta có thể tính được bước sóng cắt:

c = = = 869nm