Đềtéctơ - Quang học bằng Bán dẫn - Phần 1 pdf

________________________________________________________________________________ NGUYỄN CHÍ THÀNH - Đềtéctơ quang học bán dẫn – Lớp học chuyên đề Đồ Sơn – Tháng 11 năm 2004 223 Institut d’ Alembert Đềtéctơ Quang học bằng Bán dẫn NGUYỄN Chí Thành Phòng Thí nghiệm Phôtônic Lượng tử và Phân tử Trường Đại Học Sư Phạm Cachan Đơn vị Nghiên cứu Hỗn hợp số 8537, Trung Tâm Quốc gia Nghiên cứu Khoa Học Pháp 61 avenue du Président Wilson 94235 Cachan cedex Pháp ctnguyen@lpqm.ens-cachan.fr ________________________________________________________________________________ NGUYỄN CHÍ THÀNH - Đềtéctơ quang học bán dẫn – Lớp học chuyên đề Đồ Sơn – Tháng 11 năm 2004 225 MỤC LỤC I. DẪN NHẬP I.1. Nhắc lại các điểm chính trong tương tác phôtôn-bán dẫn I.1.1 Chuyển dịch điện tử trong chất bán dẫn I.1.2 Phản xạ và hấp thụ phôtôn I.2. Đềtéctơ quang học bán dẫn I.2.1. Nguyên lý vận hành cơ bản I.2.2 Các đặc trưng chung a) Hiệu suất lượng tử. b) Đáp ứng đặc trưng theo phổ . c) Độ nhạy. d) Đáp ứng thời gian . II. CÁC BỘ TIẾP GIÁP BÁN DẪN II.1 Bộ tiếp giáp p-n a) Bộ tiếp giáp p-n ở trạng thái cân bằng nhiệt động. b) Bộ tiếp giáp p-n được phân cực. c) Điện dung chuyển tiếp và điện dung khuếch tán. II.2. Tiếp xúc kim loại-bán dẫn II.2.1. Bộ tiếp giáp Schottky a) Bộ tiếp giáp Schottky ở trạng thái cân bằng nhiệt động. b) Bộ tiếp giáp Schottky được phân cực. II.2.2. Tiếp xúc thuần trở III. ĐỀTÉCTƠ QUANG HỌC LƯỢNG TỬ III.1 ĐỀTÉCTƠ QUANG DẪN ĐIỆN III.1.1 Vận hành của một đềtéctơ quang dẫn điện III.1.2 Độ khuếch đại của quang dẫn điện III.1.3 Đáp ứng thời gian III.3 ĐỀTÉCTƠ QUANG HỌC DÙNG BỘ TIẾP GIÁP III.3.1 Điốt quang p-n a) Vận hành của điốt quang p-n. b) Đáp ứng thời gian. III.3.2 Điốt quang p-i-n III.3.3 Điốt quang dùng hiệu ứng nhân điện a) Vận hành của điốt quang dùng hiệu ứng nhân điện. b) Đáp ứng thời gian . III.3.4 Điốt quang Schottky III.3.5 Điốt quang MSM (Métal-Semiconducteur-Métal) III.3.6 Điốt quang dùng cấu trúc dẫn sóng IV. TIẾNG ỒN TRONG CÁC ĐỀTÉCTƠ QUANG HỌC BÁN DẪN IV.1 Giới thiệu tổng quan IV.2 Các nguồn tiếng ồn IV.2.1 Tiếng ồn phôtôn IV.2.2 Tiếng ồn do sự tạo cặp và tái hợp IV.2.3 Tiếng ồn do nhân điện IV.2.4 Tiếng ồn nhiệt IV.2.5 Tiếng ồn 1/f IV.3 Độ nhạy đặc trưng IV.3.1 Độ nhạy đặc trưng của đềtéctơ quang học IV.3.2 Độ nhạy đặc trưng của đềtéctơ quang dẫn điện IV.3.3 Độ nhạy đặc trưng của điốt quang p-i-n IV.3.4 Độ nhạy đặc trưng của điốt quang dùng hiệu ứng nhân điện IV.3.5 Đo tín hiệu quang học bằng phép đo trực tiếp với các điốt quang a) Đo tín hiệu quang bằng phép đo trực tiếp với điốt quang p-i-n b) Đo tín hiệu quang bằng phép đo trực tiếp với điốt quang dùng hiệu ứng nhân điện V. ĐO TÍN HIỆU QUANG HỌC BẰNG PHÉP ĐO KẾT HỢP TÀI LIỆU THAM KHẢO TÓM TẮT ________________________________________________________________________________ NGUYỄN CHÍ THÀNH - Đềtéctơ quang học bán dẫn – Lớp học chuyên đề Đồ Sơn – Tháng 11 năm 2004 226 I. DẪN NHẬP Trong một hệ truyền thông quang học (chẳng hạn như truyền tín hiệu bằng sợi quang, vận hành của các linh kiện chức năng trong quang học tích hợp…), đềtéctơ quang học là linh kiện có chức năng chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện để chúng có thể được xử lý bằng các linh kiện điện tử. Các đềtéctơ quang học dùng trong truyền thông quang học là những đềtéctơ lượng tử làm bằng bán dẫn. Trong tài liệu này, chúng tôi trình bày hai phần chủ yếu: phần đầu trình bày các đềtéctơ quang học bằng bán dẫn dưới cách nhìn của vật lý các linh kiện bán dẫn và phần sau trình bày hiệu năng của các linh kiện này trong việc đo các tín hiệu quang. Trong phần đầu, trước hết chúng tôi nhắc lại các điểm chính của tương tác phôtôn với chất bán dẫn trong cơ chế đo sóng quang và các bộ tiếp giáp bán dẫn-bán dẫn và bán dẫn-kim loại. Kế đến, chúng tôi trình bày vật lý các đềtéctơ quang học bán dẫn trên cơ sở của cơ chế quang dẫn điện trong một chất bán dẫn (đềtéctơ quang dẫn điện), trong các bộ tiếp giáp bán dẫn (điốt quang p-n, điốt quang p-i-n, điốt quang dùng hiệu ứng nhân điện) và trong các bộ chuiyển tiếp kim loại-bán dẫn (điốt quang dùng hiệu ứng Schottky, điốt quang kim loại-bán dẫn-kim loại). Trong phần sau, chúng tôi sẽ trình bày, dưới quan điểm vật lý các linh kiện, các dạng tiếng ồn (tiếng Pháp: bruit/ tiếng Anh: noise) khác nhau trong quá trình đo các tín hiệu quang bằng phép đo trực tiếp cũng như các tham số đặc trưng cho hiệu năng của các đềtéctơ lượng tử. Chúng tôi trình bày sau đó phép đo kết hợp (détection cohérente/ coherent detection) các tín hiệu quang, phép đo được sử dụng nhiều trong các hệ truyền thông quang học nhằm cải thiện hiệu năng của quá trình đo tín hiệu quang. I.1. Nhắc lại các điểm chính trong tương tác phôtôn-bán dẫn I.1.1 Chuyển dịch điện tử trong chất bán dẫn Các chuyển dịch quang học giữa các trạng thái điện tử trong một chất bán dẫn gồm: hấp thụ, bức xạ tự phát và bức xạ cưỡng bức. Quá trình hấp thụ một phôtôn trong chất bán dẫn là kết quả của việc chuyển dịch một điện tử trong vùng hoá trị sang vùng dẫn của chất bán dẫn. Quá trình này tương ứng với với việc tạo ra một cặp hạt mang điện tự do điện tử-lỗ trống xảy ra ngay sau tương tác giữa một phôtôn với chất bán dẫn. Cơ chế này được sử dụng trong phương pháp đo thông lượng phôtôn bằng chất bán dẫn . Chỉ có những phôtôn mà năng lượng lớn hơn độ rộng của vùng cấm mới được chất bán dẫn hấp thụ : hν ≥ E g . Tương tác phôtôn-điện tử (hay phôtôn-lỗ trống) này phải tuân theo các định luật bảo toàn, định luật phân bố thống kê lượng tử của các hạt mang điện có khả năng tương tác với các phôtôn. Các chuyển dịch quang học trong bán dẫn tuân theo các định luật bảo toàn sau đây: (i) Bảo toàn năng lượng : E i là năng lượng ban đầu (trước tương tác) và E f là năng lương sau cùng (sau tương tác) của điện tử và E p là năng lượng của phôtôn ; theo định luật bảo toàn năng lượng, ta có: E f - E i = ± E p (I.1) Dấu+ tương ứng với trường hợp hấp thụ một phôtôn và dấu – tương ứng với trường hợp bức xạ một phôtôn. (ii) Bảo toàn động lượng ( k p r h r = ): f k r và i k r là các vectơ sóng trước và sau tương tác của điện tử, p k r là vectơ sóng của phôtôn ; theo định luật bảo toàn động lượng, ta có : pif k kk r r r ±=− (I.2) Với cặp hạt tương tác này, trong phạm vi các chất bán dẫn thường dùng và các phôtôn trong dãi phổ hồng ngoại, người ta chứng minh rằng : k électron >> k photon . Điều này dẫn đến kết quả là: k f ≈ k i (I.3) absorption ( a ) (b) (c) émission transitions non-radiatives absorption thermalisatio n Hình I.1 : Các chuyển dịch giữa các vùng trong chất bán dẫn: (a) chuyển dịch trực tiếp; (b,c) chuyễn dịch gián tiếp Nghĩa là vectơ sóng điện tử được bảo toàn trong tương tác với phôtôn. Người ta biểu diễn sự bảo toàn vectơ sóng điện tử bằng một vectơ sóng có vị trí thẳng đứng trong không gian k . Như vậy, vì lý do bảo toàn vectơ sóng điện tử trong tương tác với phôtôn, chỉ có những chuyển dịch điện tử có vị trí thẳng đứng trong không gian k mới được xem là chuyển dịch quang học . Điều kiện này chỉ có thể thực hiện được trong các chất bán dẫn có vùng cấm trực tiếp (tức là đỉnh của vùng hoá trị ngay hàng thẳng đứng với đáy của vùng dẫn) (hình I.1.a). Thực vậy, trong một chất bán dẫn có vùng cấm trực tiếp, các chuyển dịch quang học theo vị trí thẳng đứng tuân theo đúng các định luật bảo toàn năng lượng (E C - E V = hν) và động lượng (k f = k i ). Hiện tượng bức xạ và hấp thụ dễ được thực hiện trong các chất bán dẫn kiểu này. ________________________________________________________________________________ NGUYỄN CHÍ THÀNH - Đềtéctơ quang học bán dẫn – Lớp học chuyên đề Đồ Sơn – Tháng 11 năm 2004 227 Trong các chất bán dẫn có vùng cấm gián tiếp (tức là đỉnh của vùng hoá trị không xếp hàng thẳng đứng với đáy của vùng dẫn), chuyển dịch quang học chỉ có thể thực hiện được với điều kiện có thêm một cơ chế chuyển dịch phụ thích hợp. Trong cơ chế này, sự đóng góp của một hạt tương tác thứ ba (như phônôn quang học chẳng hạn) là cần thiết để tuân thủ các định luật bảo toàn. Trong trường hợp này, các chuyển dịch điện tử giữa đáy của vùng dẫn và đỉnh của vùng hoá trị (hình I.1.b) không còn vị trí thẳng đứng trong không gian k ; chúng không còn là chuyển dịch quang học nữa. Trong loại vật liệu này, chuyển dịch quang học khó có khả năng thực hiện được, lý do là vì các định luật bảo toàn không còn được tôn trọng. Ngược lại, trong loại vật liệu có vùng cấm gián tiếp, hấp thụ một phôtôn là điều có thể thực hiện được, nhờ vào một cơ chế trung gian như được trình bày trên hình I.1.c. Trong trường hợp này, một phôtôn có năng lượng lớn hơn độ rộng của vùng cấm (hν > E C - E V ) có thể đưọc hấp thụ bằng một chuyển dịch quang học có vị trí thẳng đứng giữa đỉnh của vùng hoá trị và đáy thứ hai của vùng dẫn (vectơ sóng k được bảo toàn), năng lượng thừa trong quá trình hấp thụ này sẽ được tiêu tán dưới dạng nhiệt trong vật liệu. Chỉ có những hạt tải điện mà năng lượng, động lượng và mật độ trạng thái thỏa mãn các điều kiện bảo toàn mới có khả năng tham gia vào các tương tác với phôtôn. Các hạt tải điện này được gọi tên là các hạt tải điện quang học (gọi tắt là hạt quang tải điện). I.1.2 Phản xạ và hấp thụ phôtôn Hình I.2 Gọi Φ 0 (E) là thông lượng phôtôn tới với năng lượng E = hν. Thông lượng này được đo bằng số phôtôn có năng lượng E đập lên một đơn vị bề mặt của chất bán dẫn trong một đơn vị thời gian. R(E) là hệ số phản xạ của chất bán dẫn đối với bức xạ có năng lượng E (phần lớn các chất bán dẫn có hệ số phản xạ là R ≈ 30%). Φ t (E) là thông lượng truyền qua, nghĩa là thông lượng các phôtôn xâm nhập vào bên trong thể tích của chất bán dẫn và Φ r (E) là thông lượng của các phôtôn năng lượng E phản xạ trên bề mặt của chất bán dẫn (hình I.2): Φ t (E) = [1-R(E)] Φ 0 (E). Hình I.3 : Giản đồ phân bố thông lượng phôtôn trong bán dẫn Đặc trưng của sự hấp thụ các phôtôn trong quá trình truyền bên trong chất bán dẫn là hệ số hấp thụ α(E,x), được định nghĩa như sau : )xE,( )xE,(d dx 1 x)(E, Φ Φ −=α (I.4) Như vậy ta có: Φ(E,x) = Φ 0 (E)[1-R(E)] exp[-α(E)x] (I.5) Hệ số phản xạ R(E) phụ thuộc vào bản chất của chất bán dẫn, nhưng nói chung giá trị của nó ít thay đổi theo năng lượng phôtôn khi mà năng lượng này rất gần với năng lượng vùng cấm của chất bán dẫn ; như vậy chúng ta có thể viết: R(E) = R. Trái lại, giá trị của hệ số này thay đổi rất nhiều theo góc chiếu của chùm tia tới. Giá trị này đạt cực tiểu khi chùm tia tới thẳng góc với bề mặt bán dẫn và khi đó hệ số phản xạ bằng : 2 S S 1n 1n R         + − = (I.6) trong đó n S là chiết suất của môi trường bán dẫn. Nếu chùm tia tới gồm các phôtôn đơn sắc, hệ số quang học tạo cặp điện tử-lỗ trống sẽ bằng đúng tỷ suất biến mất của các phôtôn : G(E,x) = dx )xE,(d Φ − = (1-R) Φ 0 (E)α(E) exp[-α(E)x] Nếu chùm tia kích thích là đa sắc thì hệ số quang học tạo cặp là : G(E,x) = ∫ E x)dE',G(E' (I.7) Đối với một chất bán dẫn, nếu hệ số hấp thụ α(E) = 0 đối với tất cả phôtôn mà năng lượng E < E g (vật liệu trong ________________________________________________________________________________ NGUYỄN CHÍ THÀNH - Đềtéctơ quang học bán dẫn – Lớp học chuyên đề Đồ Sơn – Tháng 11 năm 2004 228 suốt đối với các phôtôn này) và α(E) ≈ hằng số đối với tất cả các phôtôn mà năng lượng E > E g , chúng ta có thể viết : G(E,x) = α (1-R) exp(-αx) ')dE(E' 0 ∫ ∞ Φ Eg (I.8) Nếu Φ 0 là thông lượng của tất cả các phôtôn mà năng lượng E > E g thì ta có: G(E,x) = α Φ 0 (1-R) exp(-αx) (I.9) Hình I.4 : Biến đổi của hệ số hấp thụ và bế dày hấp thụ theo độ dài sóng của 4 chất bán dẫn (theo[11]) Hệ số hấp thụ của vật liệu bán dẫn thay đổi theo bước sóng (hay theo năng lượng phôtôn) của bức xạ kích thích. Hình I.4 biểu diễn đường cong hệ số hấp thụ theo bước sóng của bức xạ kích thích của 4 loại vật liệu bán dẫn thường dùng trong công nghệ chế tạo các đềtéctơ quang học. Các phôtôn được hấp thụ tạo sinh các cặp điện tử-lỗ trống (là các hạt quang tải điện) thặng dư trong vật liệu bán dẫn. Có hai loại quá trình xảy ra ngay sau khi tạo cặp đối với các hạt quang tải điện: hoặc là chúng tự tái hợp trong quá trình khuếch tán bên trong bán dẫn với thời gian sống τ (thời gian sống τ n của điện tử và thời gian sống τ p của lỗ trống), hoặc là chúng bị điện trường quét ngay về các tiếp điểm thuần trở (ohmique - ohmic) với mạch ngoài. Các phương trình mô tả các cơ chế này được suy ra từ các phương trình tiến hoá sau đây: x J e 1 n t)(x,G t n n n optique ∂ ∂ + τ ∆ −= ∂ ∂ (I.10) x J e 1 p t)(x,G t p p p optique ∂ ∂ − τ ∆ −= ∂ ∂ (I.11) trong đó mật độ dòng điện tử J n và mât độ dòng lỗ trống J p được xác định bằng các phương trình: Enµ x n D e J nn n + ∂ ∂ = (I.12) Epµ x p D e J pp p + ∂ ∂ −= (I.13) e là điện tích của điện tử ; n, D n , µ n và p, D p , µ p lần lượt là mật độ, hệ số khuếch tán và độ linh động của điện tử và của lỗ trống trong bán dẫn. I.2. Đềtéctơ quang học bán dẫn I.2.1. Nguyên lý vận hành cơ bản Hình I.5 : Ba cơ chế của đo lượng tử sóng quang học: (a) phép đo tương ứng vói chuyển dịch quang học giữa hai vùng kèm với với tạo cặp điện tử-lỗ trống ; (b) với cơ chế vượt rào thế bằng hiện tượng quang phát xạ bên trong vật liệu ; (c) dịch chuyển quang học từ một mức liên kết đến một mức tự do (theo [1]) ________________________________________________________________________________ NGUYỄN CHÍ THÀNH - Đềtéctơ quang học bán dẫn – Lớp học chuyên đề Đồ Sơn – Tháng 11 năm 2004 229 Nguyên lý vận hành cơ bản của các đềtéctơ quang học bán dẫn là : trong trạng thái không có kích thích quang học, các hạt tải điện trong các vật liệu bán dẫn không có khả năng tạo ra trạng thái dẫn điện ; bởi vì, hoặc là chúng cư ngụ trong một vùng không có khả năng tham gia dẫn điện (chẳng hạn trong vùng hoá trị bị lấp kín, như đềtéctơ quang học bán dẫn nội bẩm) ; hoặc là chúng bị chặn bởi một rào thế năng (chẳng hạn như rào thế Schottky), hoặc là chúng tồn tại trên một mức lượng tử liên kết (như là đềtéctơ quang học bán dẫn ngoại lai, đềtéctơ quang học dùng giếng lượng tử). Như vậy chính dịch chuyển quang học giữa hai tập hợp các mức năng lượng lượng tử (tập hợp này đóng góp vào trạng thái dẫn điện, tập hợp kia đóng góp vào trạng thái không dẫn điện) là nguồn gốc của cơ chế đo sóng quang học (hay đo thông lượng phôtôn). Nguyên lý đó giải thích vì sao người ta dùng tên gọi chủng loại chung cho các đềtéctơ quang học bán dẫn là đềtéctơ lượng tử . I.2.2 Các đặc trưng chung Các đặc trưng của một đềtéctơ quang học là: a) Hiệu suất lượng tử. ● Hiệu suất lượng tử trong : η i = (Thông lượng các hạt quang tải điện)/(Thông lượng các phôtôn tới) = 1- exp(- αd) (voir figure I.4). ● Hiệu suất quang học : η optique = 1 – R ● Hiệu suất toàn bộ ( hiệu suất lượng tử ) : η= η i .η optique = (1-R)[ 1- exp(-αd)] (I.14) α (đơn vị m -1 ) là hệ số hấp thụ của vật liệu và d (đơn vị m) là độ dài (hay độ sâu) của vùng hấp thụ trong đềtéctơ. Hiệu suất lượng tử là một hàm số của bước sóng vì hệ số hấp thụ và hệ số phản xạ thay đổi theo bước sóng. b) Đáp ứng đặc trưng theo phổ. Hình I.6 : Biểu diễn đường đáp ứng đặc trưng theo phổ của các đềtéctơ bán dẫn Đáp ứng đặc trưng của một đềtéctơ được định nghĩa bằng tỷ số sau : ℜ i = (Cường độ dòng quang điện)/(Công suất chiếu sáng của sóng quang tới) 1,24 (µm)g h ge Φ h geΦ P I inc ph i λη = ν η = ν η ==ℜ (A/W) (I.15) với η : hiệu suất lượng tử; g : hệ số khuếch đại của đềtéctơ ; e : điện tích cơ bản ; ν và λ : tần số và bước sóng của sóng quang tới. Đáp ứng đặc trưng của một đềtéctơ lượng tử phụ thuộc vào bước sóng tới. Các đường biểu diễn đáp ứng đặc trưng của đềtéctơ lượng tử có một giới hạn trên theo bước sóng ( bước sóng ngưỡng ) tương ứng với độ rộng của vùng cấm của chất bán dẫn (hình I.6). Hình I.7 biểu diễn các đường đáp ứng đặc trưng tiêu biểu của vài đềtéctơ quang học bán dẫn. Hình I.7 : Đáp ứng đặc trưng theo phổ của vài đềtéctơ quang học bán dẫn [theo [6]) ________________________________________________________________________________ NGUYỄN CHÍ THÀNH - Đềtéctơ quang học bán dẫn – Lớp học chuyên đề Đồ Sơn – Tháng 11 năm 2004 230 Đáp ứng của một đềtéctơ có thể bị xuống cấp tuỳ theo điều kiện chiếu sáng trên nó. Một đáp ứng đúng phải là đáp ứng phụ thuộc tuyến tính vào công suất chiếu sáng của sóng tới. Thế nhưng, đáp ứng của một đềtéctơ trở nên bão hoà khi mà nó được chiếu sáng quá mức. Do đó, cần thiết phải biết dải động tuyến tính (dynamique linéaire/ linear dynamic range) đáp ứng của một đềtéctơ quang học để sử dụng đúng thiết bị này. c) Độ nhạy. Đại lượng biểu diễn khả năng đo công suất chiếu sáng tối thiểu của sóng quang tới mà vẫn không bị lẫn với tiếng ồn của đềtétơ được gọi là độ nhạy của đềtéctơ. Tham số biểu diễn độ nhạy này là độ nhạy đặc trưng ( détectivité / detectivity ) của đềtéctơ. Chúng ta sẽ thảo luận về độ nhạy đặc trưng của đềtéctơ trong chương III * . d) Đáp ứng thời gian . Các hằng số thời gian đóng góp vào việc giới hạn đáp ứng thời gian (dưới đây gọi tắt là đáp thời ) của đềtéctơ quang học là: ● Thời gian để các hạt quang tải điện vượt qua vùng hoạt tính của bán dẫn (với sự hiện diện của điện trường); ● Thời gian sống của các hạt quang tải điện trong vùng khuếch tán; ● Hằng số thời gian RC, là đáp thời của mạch điện hợp thành từ điện dung và điện trở của đềtéctơ với mạch đọc tín hiệu điện. ● Hằng số thời gian thiết lập hệ số khuếch đại trong các đềtéctơ quang học dùng hiệu ứng nhân điện. Dải truyền qua của các đềtéctơ lượng tử rất rộng (dải truyền qua của các đềtéctơ quang học cực nhanh có thể đạt đến hàng trăm GHz). II. CÁC BỘ TIẾP GIÁP BÁN DẪN Các đềtéctơ quang học bán dẫn được thực hiện chủ yếu trên cơ sở các bộ tiếp giáp (jonctions – junctions): hoặc là một bộ tiếp giáp cấu tạo từ hai loại bán dẫn khác nhau (loại n và loại p), cả hai được chế tạo từ một vật liệu bán dẫn duy nhất (bộ tiếp giáp đồng thể), hoặc là một bộ tiếp giáp cấu tạo từ hai loại bán dẫn khác nhau được chế tạo từ hai vật liệu bán dẫn khác nhau (bộ tiếp giáp dị thể), hoặc là một bộ tiếp giáp kim loại-bán dẫn (tiếp giáp Schottky) hoặc là một bộ tiếp giáp kim loại-điện môi-bán dẫn (cấu trúc MIS). Trong tập bài giảng này chúng tôi trình bày hai loại tiếp giáp dùng trong việc chế tạo các đểtéctơ quang học: tiếp giáp bán dẫn-bán dẫn vả tiếp giáp kim loại-bán dẫn. II.1 Bộ tiếp giáp p-n Bộ tiếp giáp p-n được cấu tạo từ một vật liệu bán dẫn được pha tạp loại p một bên và pha tạp loại n bên còn lại (hình II.1.a). Đường đặc trưng I(V) của dòng điện chạy qua bộ tiếp nối p-n biểu thị hiệu ứng chỉnh lưu. a) Bộ tiếp giáp p-n ở trạng thái cân bằng nhiệt động Để khảo sát các bộ tiếp nối p-n, chúng tôi dùng mô hình đơn giản của bộ tiếp nối gián đoạn (jonction abrupte/ abrupt junction) một chiều: với phần giá trị x > 0, chất bán dẫn được pha tạp loại n với mật độ không đổi N D các nguyên tử cho (donneurs/ donors); với phần giá trị x < 0, chất bán dẫn được pha tạp loại p với mật độ không đổi N A các nguyên tử nhận (accepteurs/ acceptors). Ở ngay sát lớp tiếp giáp (xung quanh vị trí x = 0 ): p(x) < p p = N A và n(x) < n n = N D . Vùng điện tích không gian (ZCE) đặc trưng bằng điện tích cố định –eN A bên phía p và điện tích cố định eN D bên phía n (hình II.1.a et c). Sự phân bố điện tích lưỡng cực này tạo nên một điện trường và do đó một hiệu thế V d ( hiệu thế khuếch tán ). Hiệu thế này, trong trạng thái cân bằng cho phép xếp ngang hàng các mức năng lượng Fermi; với k B là hằng số Boltzmann, ta có:         = 2 i AD B d n NN ln e Tk V (II.1) Từ phương trình Poisson, ta có thể suy ra hàm số hiệu thế : p 2 p S A n 2 n S D V )d-(x 2ε eN V)d-(x 2ε eN - V(x) +=+= (II.2) trong biếu thức này ε S là hằng số điện môi của chất bán dẫn. Điện trường hướng theo trục x và được biểu diễn bằng: )d-(x ε eN - E(x) p S A = cho trường hợp d p <x<0 và )d-x( ε eN E(x) n S D = cho trường hợp 0<x<d n (II.3) Trong hai vùng trung hoà (không có điện tích không gian cố định), ta có : E = 0. Từ đó suy ra độ rộng của vùng điện tích không gian ZCE : W = d n + d p = 1/2 2 i AD D A Dp 1/2 2 i AD A D Dn n NN ln N N 1 1 2L n NN ln N N 1 1 2L                     + +                     + (II.4) * Về độ nhạy của đềtéctơ còn có một tham số khác, thường được sử dụng trong hệ truyền thông quang học, để biểu diễn khả năng thu tín hiệu thông tin của hệ thống. Đó là độ nhạy của máy thu ( sensibilité du récepteur – receiver sensivity ). Đại lượng này được định nghĩa như là khả năng đo một công suất quang học ngưỡng, ấn định bởi hệ thống, mà không bị lẫn với tiếng ồn của máy thu. Vấn đề này sẽ được trình bày trong bài giảng về hệ thống truyền thông quang học. ________________________________________________________________________________ NGUYỄN CHÍ THÀNH - Đềtéctơ quang học bán dẫn – Lớp học chuyên đề Đồ Sơn – Tháng 11 năm 2004 231 với 2/1 D 2 BS Dn N2e Tk ε L         = và 2/1 A 2 BS Dp N2e Tk ε L         = lần lượt là độ dài Debye trong vùng n và trong vùng p. Độ dài Debye là đại lượng đo chiều sâu xâm nhập của các hạt điện tự do trong vùng ZCE. Nếu bộ tiếp giáp được cấu tạo theo cách không đối xứng, vùng ZCE sẽ triển khai chủ yếu trong vùng ít pha tạp . Chẳng hạn trong bộ tiếp giáp p + n : N A >> N D , ta có : W 2/1 2 i AD Dnn n NN ln2L d                 ≈≈ (II.5) Hình II.1. Bộ tiếp giáp gián đoạn p-n ở trạng thái cân bằng nhiệt động b) Bộ tiếp giáp p-n được phân cực Khi bộ tiếp giáp p-n được áp điện thế, rào thế năng của nó bị biến đổi và kết quả là các hạt tải điện tự do sẽ khuếch tán từ vùng có mật độ cao sang vùng có mật độ thấp. Nếu hiệu thế phân cực V app > 0, ta có trạng thái phân cực thẳng ( polarisation en direct/ forward bias ) (hình II.2) và nếu V app < 0, ta có phân cực ngược ( polarisation en inverse / reverse bias ) (hình II.3). (i) Phân cực thẳng . Khi ta áp một hiệu thế V app thấp để phân cực thẳng bộ tiếp giáp, hiệu thế này lả tách xa hai mức năng lượng Fermi nằm hai bên của vùng ZCE : E Fp = E Fn - eV app . Trong hai vùng trung hoà điện thế vẫn không đổi, nơi duy nhất trong bộ tiếp giáp mà điện thế có thể giảm là vùng điện tích không gian ZCE. Độ rộng của vùng ZCE do đó giảm thiểu. ________________________________________________________________________________ NGUYỄN CHÍ THÀNH - Đềtéctơ quang học bán dẫn – Lớp học chuyên đề Đồ Sơn – Tháng 11 năm 2004 232 Hình II.2. Bộ tiếp giáp p-n được phân cực thẳng Phương trình truyền tải điện tử được viết : n p n n-n(x) - x n D x - t n τ = ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ (II.8) Trong đó D n là hệ số khuếch tán và τ n là thời gian sống của điện tử trong vùng p. Nếu gọi nnn D L τ= là độ dài khuếch tán của điện tử trong vùng p thì lời giải của phương trình (II.8) được viết là:                       −         − −= n pp n p TeVapp/k pp L Wd sinh L Wx sinh 1)(enn - n(x) B (II.9) trong đó W p là chiều rộng của vùng p. Dòng điện toàn phần tạo bởi việc phun điện tử vào vùng p cũng là dòng điện khuếch tán ở điểm x = -d p (quy ước chiều dương là chiều của dòng điện chảy từ vùng p sang vùng n):                 =−         − = 1 - Tk eV expj 1)(e L Wd coth L neD j B app ns TeVapp/k n pp n pn n B (II.10) Trong biểu thức này j ns là dòng điện khuếch tán giới hạn của điện tử:         − = n pp n pn ns L Wd coth L neD j (II.11) Áp dụng cùng lập luận như trên, ta có dòng điện tạo bởi việc phun lỗ trống trong vùng n, với ppp D L τ= là độ dài khuếch tán của lỗ trống trong vùng này:                 =−         − = 1 - Tk eV expj 1)(e L dW coth L peD j B app ps TeVapp/k p nn p np p B (II.12) Trong đó j ps là dòng điện khuếch tán giới hạn của lỗ trống:         − = p nn p np ps L dW coth L peD j (II.13) ________________________________________________________________________________ NGUYỄN CHÍ THÀNH - Đềtéctơ quang học bán dẫn – Lớp học chuyên đề Đồ Sơn – Tháng 11 năm 2004 233 Dòng điện toàn phần chạy qua bộ tiếp giáp dưới phân cực thẳng là tổng số của hai dòng dìện tạo bởi các hạt tải điện thiểu số được phun vào hai phía của vùng điện tích không gian ZCE :         −         =+= 1 Tk eV expj j j )(V j B app satpnapp (II.14) Trong đó j sat là dòng điện bảo hoà của bộ tiếp giáp p-n và được viết:         − +         − =+= p nn p np n pp n pn psnssat L dW coth L peD L Wd coth L neD j j j (II.15) Hình II.3. (a,b) Bộ tiếp giáp p-n được phân cực ngược và (c) Đường đặc trưng I(V) của bộ tiếp giáp p-n (ii) Phân cực ngược . Hệ thức (II.14) đã được thiết lập trong trường hợp phân cực thẳng với hiệu thế V app > 0. Trong trường hợp phân cực ngược (với hiệu thế V app < 0) các phương trình thiết lập ở trên vẫn giữ nguyên dạng nhưng trong trường hợp này rào thế năng được nâng cao (hình II.3.a,b). Trong điều kiện đó, hai vùng trung hoà của bộ tiếp giáp sẽ bị thiếu hụt các hạt tải điện thiểu số. Ngay khi giá trị của hiệu thế phân cực-V app >> (k B T/e), ta có : j(-V app ) ≈ - j sat . Đường đặc trưng I(V) của một điốt tiếp giáp p-n được biểu diễn trên hình II.3.c. c) Điện dung tiếp giáp và điện dung khuếch tán Khi phân cực ngược, với phân bố điện tích trong vùng ZCE, bộ tiếp giáp p-n tạo nên điện dung vi phân: W Sε dV dQ C S t == (II.16) Trong đó dQ là điện tích tạo ra trong vùng ZCE khi hiệu thế phân cực biến đổi một lượng dV. W là độ rông của vùng ZCE và được xác định bằng hệ thức (II.4), S là tiết diện thẳng của bộ tiếp giáp. C t được gọi là điện dung tiếp giáp ( capacité de transition ) của bộ tiếp giáp p-n. Nếu bộ tiếp giáp rất ít đối xứng, chẳng hạn trong bộ tiếp giáp p + n : N A >> N D , ta có : W ≈ d n . Như vậy: appd 1/2 DS n S t VV 1 2 eNε S d Sε dV dQ C +       === (II.17) [...]... NGUYỄN CHÍ THÀNH - Đềtéctơ quang học bán dẫn – Lớp học chuyên đề Đồ Sơn – Tháng 11 năm 2004 đồng thời hai loại hạt tải điện (như điốt quang p-n hay p-i-n) Người ta đã thực hiện được các điốt quang Schottky mà dải truyền qua có thể đạt đến 10 0 GHz [1] III.3.5 Điốt quang MSM (Kim loại -Bán dẫn- Kim loại) Hình III .14 : (a) Cấu trúc điốt quang MSM ; (b) Cấu hình các điện cực Nhằm... điốt quang p-i-n : (a) cấu trúc của điốt quang p-i-n ; (b) giản đồ vùng năng lượng ; (c) đường biểu diễn sự tạo cặp bằng kích thích quang học và (d) cấu hình tiêu biểu của một điốt quang p-i-n 244 NGUYỄN CHÍ THÀNH - Đềtéctơ quang học bán dẫn – Lớp học chuyên đề Đồ Sơn – Tháng 11 năm 2004 Chúng ta thấy rằng trong một điốt quang dùng bộ tiếp giáp p-n, sự giới... dòng quang điện của điốt quang 242 NGUYỄN CHÍ THÀNH - Đềtéctơ quang học bán dẫn – Lớp học chuyên đề Đồ Sơn – Tháng 11 năm 2004 (III .16 ) Hình III.7 : Hai cách vận hành của một điốt quang : (a) đo bằng dòng quang điện và (b) đo bằng hiệu thế quang điện Khi sử dụng một điốt quang để đo tín hiệu quang học, ta có thể áp dụng hai cách đo khác nhau: đo bằng dòng quang. .. chiều cao rào thế năng của bộ tiếp giáp p-n Thế mà chiều cao của rào thế năng này lại tỷ lệ thuận với hiệu thế phân cực Vapp Cho nên các dòng điện khuếch tán này phụ thuộc vào hiệu thế phân cực của điốt quang 0,006 Courant d'obscurité Photocourant 0,005 0,004 COURANT (mA) 0,003 0,002 0,0 01 0,000 Iobsc -0 ,0 01 -0 ,002 Iph -0 ,003 -0 ,004 -1 0 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 Tension de polarisation (V) Hình... NGUYỄN CHÍ THÀNH - Đềtéctơ quang học bán dẫn – Lớp học chuyên đề Đồ Sơn – Tháng 11 năm 2004 235 sang bán dẫn và ngược lại từ bán dẫn sang kim loại Phần đóng góp của mỗi phía (kim loại → bán dẫn hay bán dẫn → kim loại) phụ thuộc vào chiều cao của mỗi rào thế Còn trong vùng điện tích không gian ZCE của chất bán dẫn, dòng điện di chuyển tuân theo các quy luật của hiện... NGUYỄN CHÍ THÀNH - Đềtéctơ quang học bán dẫn – Lớp học chuyên đề Đồ Sơn – Tháng 11 năm 2004 247 Điốt quang dùng rào thế Schottky được cấu tạo từ một bộ tiếp giáp dị thể kim loại -bán dẫn Bộ tiếp giáp này làm xuất hiện ở mặt phân cách của hai vật liệu một rào thế năng eΦms bằng khoảng cách giữa mức năng lượng Fermi của kim loại và đáy vùng dẫn của chất bán dẫn: eΦms = eΦs - eχSC ; eΦs là công thoát... số nhân điện M xác định bằng: ( α − α )L   1  e n p 1  M=  (III.24) ( α n − α p )L  Lα −α e  p  n  Hình III .11 : Đường biểu diễn hệ số nhân điện M theo đại lượng αnL với các giá trị khác nhau của tham số k = αp/αn (theo [1] ) 246 NGUYỄN CHÍ THÀNH - Đềtéctơ quang học bán dẫn – Lớp học chuyên đề Đồ Sơn – Tháng 11 năm 2004 1 1 − αL Từ phương trình của... ∆p(t) = ητpG0 ( 1- e- t/τp)sin(ωt+ϕ) Biên độ đáp ứng thời µG0 τ p (III .10 ) gian trong chế độ ổn định biểu diễn theo tần số được viết: ∆p(ω) = 2 1 + ω2τp Như vậy đềtéctơ quang dẫn điện phản ứng như một bộ lọc lấy hạ tần (filtre passe-bas – low-pass filter) có tần số cắt 1 fc = (III .11 ) (fréquence de coupure – cut-off frequency) là : 2π τ p Hình III.3 : Đường đáp ứng tần số của một đềtéctơ quang dẫn điện tương... III ĐỀTÉCTƠ QUANG HỌC LƯỢNG TỬ III .1 ĐỀTÉCTƠ QUANG DẪN ĐIỆN III .1. 1 Vận hành của một đềtéctơ quang dẫn điện Khảo sát một linh kiện quang dẫn điện có dạng hình học như trình bày trên hình II .1 Khi không được chiếu sáng, điện dẫn (conductivité/ conductivity) của linh kiện biểu diễn theo mật độ các hạt tải điện tự do (n0 và p0) và độ linh động của chúng (µn et µp) là: σ0 = n0µne + p0µpe (III .1) Khi linh... Tháng 11 năm 2004 249 thiện nhược điểm này bằng các sử dụng các điện cực trong suốt (điốt quang MSM bằng InGaAs dùng các điện cực bằng Cadmium Tin Oxide-CTO hay bằng Indium Tin Oxide-ITO) III.3.6 Điốt quang dùng cấu trúc dẫn sóng Trong cấu trúc của một điốt quang thông thường, để thu được hiệu suất lượng tử toàn phần tối ưu (xác định bằng hệ thức III .19 ), cần thiết phải có αW >> 1 và αLp >> 1, nghĩa . THÀNH - Đềtéctơ quang học bán dẫn – Lớp học chuyên đề Đồ Sơn – Tháng 11 năm 2004 236 sang bán dẫn và ngược lại từ bán dẫn sang kim loại. Phần đóng góp của mỗi phía (kim loại → bán dẫn hay bán dẫn. bán dẫn trong cơ chế đo sóng quang và các bộ tiếp giáp bán dẫn -bán dẫn và bán dẫn- kim loại. Kế đến, chúng tôi trình bày vật lý các đềtéctơ quang học bán dẫn trên cơ sở của cơ chế quang dẫn. bán dẫn (đềtéctơ quang dẫn điện), trong các bộ tiếp giáp bán dẫn (điốt quang p-n, điốt quang p-i-n, điốt quang dùng hiệu ứng nhân điện) và trong các bộ chuiyển tiếp kim loại -bán dẫn (điốt quang