-34- Khi không có điện thế ở ngoài đặt lên chuyển tiếp (V=0), dòmg điện chạy qua chuyển tiếp i = 0, thực tế dòng I chính là dòng tổng cộng của hai dòng điện bằng nhau và ngợc chiều: - Dòng khuếch tán các hạt cơ bản sinh ra khi ion hoá các tạp chất (lỗ trong trong bán dẫn loại P, điện tử trong bán dẫn loại N) do năng lợng nhiệt của các hạt dẫn cơ bản đủ lớn để vợt qua hàng rào thế. - Dòng hạt dẫn không cơ bản sinh ra do kích thích nhiệt (điện tử trong bán dẫn P, lỗ trống trong bán dẫn N) chuyển động dới tác dụng của điện trờng E trong vùng nghèo. Khi có điện áp đặt lên điôt, hàng rào thế thay đổi kéo theo sự thay đổi dòng hạt cơ bản và bề rộng vùng nghèo. Dòng điện qua chuyển tiếp: 0 d 0 I kT qV expII = Khi điện áp ngợc đủ lớn (V d << - mV26 q kT = ở 300K), chiều cao hàng rào thế lớn đến mức dòng khuếch tán của các hạt cơ bản trở nên rất nhỏ và có thể bỏ qua và chỉ còn lại dòng ngợc của điôt, khi đó i = I 0 . Khi chiếu sáng điôt bằng bức xạ có bớc sóng nhỏ hơn bớc sóng ngỡng, sẽ xuất hiện thêm các cặp điện tử - lỗ trống. Để các hạt dẫn này tham gia dẫn điện cần phải ngăn cản sự tái hợp của chúng, tức là nhanh chóng tách rời cặp điện tử - lỗ trống. Sự tách cặp điện tử - lỗ trống chỉ xẩy ra trong vùng nghèo nhờ tác dụng của điện trờng. Vùn g chu y ển tiế p E P N Vùn g n g hèo V b Hình 2.10 Sơ đồ chuyển tiếp P - N và hiệu ứng quang điện trong vùng nghèo + N P h + I r Vùn g n g hèo -35- Số hạt dẫn đợc giải phóng phụ thuộc vào thông lợng ánh sáng đạt tới vùng nghèo và khả năng hấp thụ của vùng này. Thông lợng ánh sáng chiếu tới vùng nghèo phụ thuộc đáng kể vào chiều dày lớp vật liệu mà nó đi qua: x 0 e = Trong đó hệ số 10 5 cm -1 . Để tăng thông lợng ánh sáng đến vùng nghèo ngời ta chế tạo điôt với phiến bán dẫn chiều dày rất bé. Khả năng hấp thụ bức xạ phụ thuộc rất lớn vào bề rộng vùng nghèo. Để tăng khả năng mở rộng vùng nghèo ngời ta dùng điôt PIN, lớp bán dẫn riêng I kẹp giữa hai lớp bán dẫn P và N, với loại điôt này chỉ cần điện áp ngợc vài vôn có thể mở rộng vùng nghèo ra toàn bộ lớp bán dẫn I. b) Chế độ hoạt động - Chế độ quang dẫn: Sơ đồ nguyên lý (hình 2.12a) gồm một nguồn E s phân cực ngợc điôt và một điện trở R m để đo tín hiệu. Dòng ngợc qua điôt: p0 d 0r II kT qV expII ++ = (2.40) Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý và chế độ làm việc V d V R I r R m E S a) b) 0 -10 -20 -30 -40 50 à W 100 à W 150 à W 200 à W 20 40 60 Thôn g lợn g I r E S + I N P + Hình 2.11 Cấu tạo điôt loại PIN -36- Trong đó I p là dòng quang điện: () () Xexp hc R1q I 0p = (2.41) Khi điện áp ngợc V d đủ lớn, thành phần kT qV exp d 0, ta có: P0R III += Thông thờng I 0 <<I P do đó I R I P . Phơng trình mạch điện: DR VVE = Trong đó rmR IRV = cho phép vẽ đờng thẳng tải (hình 2.11b). Dòng điện chạy trong mạch: mm r R V R E I += Điểm làm việc của điôt là điểm giao nhau giữa đợng thẳng tải và đờng đặc tuyến i -V với thông lợng tơng ứng. Chế độ làm việc này là tuyến tính, V R tỉ lệ với thông lợng. - Chế độ quang thế: Trong chế độ này không có điện áp ngoài đặt vào điôt. Điôt làm việc nh một bộ chuyển đổi năng lợng tơng đơng với một máy phát và ngời ta đo thế hở mạch V 0C hoặc đo dòng ngắn mạch I SC . Đo thế hở mạch: Khi chiếu sáng, dòng I P tăng làm cho hàng rào thế giảm một lợng V b . Sự giảm chiều cao hàng rào thế làm cho dòng hạt dẫn cơ bản tăng lên, khi đạt cân bằng I r = 0. Ta có: 0II kT qV expI p0 d 0 =++ Rút ra: += 0 P b I I 1log q kT V Độ giảm chiều cao V b của hàng rào thế có thể xác định đợc thông qua đo điện áp giữa hai đầu điôt khi hở mạch. += 0 P OC I I 1log q kT V -37- Khi chiếu sáng yếu I P <<I 0 : 0 P OC I I . q kT V = Trong trờng hợp này V OC (kT/q=26mV ở 300K) nhỏ nhng phụ thuộc tuyến tính vào thông lợng. Khi chiếu sáng mạnh, I P >>I 0 và ta có: 0 P OC I I log q kT V = Trong trờng hợp này V OC có giá trị tơng đối lớn (cỡ 0,1 - 0,6 V) nhng phụ thuộc vào thông lợng theo hàm logarit. Đo dòng ngắn mạch: Khi nối ngắn mạch hai đầu điôt bằng một điện trở nhỏ hơn r d nào đó, dòng đoản mạch I SC chính bằng I P và tỉ lệ với thông lợng (hình 2.14): PSC II = Hình 2.13 Sự phụ thuộc của thế hở mạch vào thông lợng Thôn g luợn g , mW 0,1 1 10 100 0 0,2 0,4 V OC , V Hình 2.14 Sự phụ thuộc của dòng ngắn mạch vào thông lợng ánh sáng I SC , à V Thôn g lợn g , mW 0 10 20 0,1 0,2 -38- Đặc điểm quan trọng của chế độ này là không có dòng tối, nhờ vậy có thể giảm nhiễu và cho phép đo đợc thông lợng nhỏ. c) Độ nhạy Đối với bức xạ có phổ xác định, dòng quang điện I P tỉ lệ tuyến tính với thông lợng trong một khoảng tơng đối rộng, cỡ 5 - 6 decad. Độ nhạy phổ xác định theo công thức: ( ) ( ) = = hc XexpR1q I )(S P Với s . Độ nhạy phổ phụ thuộc vào , hiệu suất lợng tử , hệ số phản xạ R và hệ số hấp thụ . Ngời sử dụng cần phải biết độ nhạy phổ dựa trên đờng cong phổ hồi đáp S( )/S( P ) và giá trị của bớc sóng P ứng với độ nhạy cực đại. Thông thờng S( P ) nằm trong khoảng 0,1 - 1,0 A/W. Hình 2.15 Phổ độ nhạy của photodio t 1,0 0,6 0,4 0,2 0,1 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 ( à m) P 0,04 S( ) S( P ) 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 ( à m) 0 0,1 0,2 0,3 0,4 S ( à A/ à W) Hình 2.16 Sự phụ thuộc của độ nhạy vào nhiệt độ T 1 T 2 > T 1 T 2 . a) b) 0 -10 -20 -30 -40 50 à W 100 à W 150 à W 200 à W 20 40 60 Thôn g lợn g I r E S + I N P + Hình 2.11 Cấu tạo điôt loại PIN -36 - Trong đó I p là dòng quang điện: () () Xexp hc R1q I 0p = . hoạt động - Chế độ quang dẫn: Sơ đồ nguyên lý (hình 2.12a) gồm một nguồn E s phân cực ngợc điôt và một điện trở R m để đo tín hiệu. Dòng ngợc qua điôt: p0 d 0r II kT qV expII. mạch. += 0 P OC I I 1log q kT V -37 - Khi chiếu sáng yếu I P <<I 0 : 0 P OC I I . q kT V = Trong trờng hợp này V OC (kT/q=26mV ở 30 0K) nhỏ nhng phụ thuộc tuyến tính vào thông