Vật liệu bán dẫn Photodiode

Vật liệu linh kiện bán dẫn Photodiode TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TP HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LIỆU BỘ MÔN MÀNG MỎNG NANO BÁO CÁO MÔN VẬT LIỆU BÁN DẪN ĐỀ TÀI: Photodiode characteristis and applications [đặc trƣng điốt quang] GV:LA PHAN PHƢƠNG HẠ HV:ĐẶNG TIỂU PHÚ MSSV:0919049 0607/2013 Vật liệu linh kiện bán dẫn Photodiode Mục lục I)Sự giải thích cho tính hai chiều khuếch tán điốt quang silicon II)Nguyên tắc hoạt động III/ĐẶC TRƯNG a)nét đặc trưng điện Điện trở nối tiếp RS Điện dung lớp chuyển tiếp CJ b/nét đặc trưng tính chất quang điốt hệ số cảm ứng Rλ : đơn vị đo độ nhạy ánh sáng ,và tính tỉ số dòng quang điện IP lượng chùm tia tới ánh sáng bướcs óng xác định c)hiệu suất lượng tử Q.E d)I-V characteristics (đặc tuyến I-V) e)hiệu ứng nhiệt (temperature effects) 10 PHOTOCONDUCTION MODE (PC):quang dẫn 11 Photovoltaic Mode (PV) 13 Vật liệu linh kiện bán dẫn Photodiode Photodiode characteristis and applications (đặc trƣng điốt quang ứng dụng) Dẫn đề Điốt quang silicon thiết bị bán dẫn điều khiển hoạt động hạt tải điện photon trạng thái lƣợng cao Điốt quang hoạt động nguyên lý hấp thụ photon ánh sáng hay hạt mang điện sinh dòng chuyển dời hạt mang điện tích mạch tƣơng ứng với chùm ánh sáng mang lƣợng photon tới Photodiode đƣợc dùng để phát có mặt hay thiếu hụt lƣợng ánh sáng khoảng thời gian vô ngắn.và xác việc đo cƣờng độ với khoảng dƣới pW/cm2 đến 100 pW/cm2 Silicon photodiodes đƣợc sử dụng ứng dụng đa dạng chẳng hạn nhƣ :quang phổ ,nhiếp ảnh,thiết bị phân tích ,thiết bị cảm ứng quang học vị trí ,chùm tia liên kết ,đặc tính bề mặt ,trong truyền thơng quang học ,trong thiết bị y tế I)Sự giải thích cho tính hai chiều khuếch tán điốt quang silicon Sự khuếch tán hai chiều điốt quang tương tự điốt với cấu tạo lớp chuyển tiếp P-N Sự chuyển tiếp mối nối P-N khuếch tán tạp chất bán dẫn loại P đóng vai trò làm anode chẳng hạn tạp chất Boron vào lớp silicon chất tải loại N ,khu vực khuếch tán qua lại tạp chất Bo lớp P hay Photpho lớp N xác định khu vực mà điốt quang hoạt động Dạng tiếp xúc trở khác tạp chất pha tạp vào bán dẫn loại P hay N khuếch tán vào bên lớp bán dẫn cần thiết Vật liệu linh kiện bán dẫn Photodiode tạp chất thêm vào bán dẫn yếu tố định cho điiốt quang hoạt động khu vực bán dẫn tiếp xúc lớp đệm qua mối hàn mặt trước điốt xác định khu vực làm việc điốt quang bao phủ hoàn toàn thiết bị Khu vực làm việc điốt quang sau mạ lớp chống phản xạ nhằm giảm bớt phản xạ ánh sáng với bước sóng định trước Khu vực khơng hoạt động điốt che bao phủ lớp mỏng SiO2 Bằng cách kiểm soát độ dầy khối bề mặt ,tốc độ độ nhạy sáng điốt quang kiểm soát Ghi với điốt quang phân cực phải vận hành thiết bị chế độ phận cực nghịch chẳng hạn áp điện âm vào anode điện dương vào cathode Hình mơ cấu tạo điốt quang Figure Planar diffused silicon photodiode Vật liệu linh kiện bán dẫn Photodiode II)Nguyên tắc hoạt động Nhƣ biết Silicon chất bán dẫn có lƣợng vùng cấm khoảng 1,12 eV nhiệt độ phòng ,đó độ chênh lệch vùng hóa trị vùng dẫn Tại 00 tuyệt đối (-273,1500C) vùng hóa trị silicon điện tử lắp đầy hồn tồn vùng dẫn khơng có điện tử Khi gia tăng nhiệt độ điện tử trở nên bị kích thích để khỏi vùng hóa trị đến vùng dẫn lƣợng nhiệt.Các điện tử khỏi vùng hóa trị đến đƣợc vùng dẫn mà lƣợng mà nhận đƣợc từ nhiệt độ hay từ photon ánh sáng phải lớn so với độ rộng vùng cấm tức khoảng 1,12eV tƣơng ứng với bƣớc sóng ngắn 1100 nm Kết điện tử chuyển dộng tự vùng dẫn thành dòng điện Do chênh lệch nồng độ hai lớp tiếp xúc P-N hay xác cặp điện tử-lổ trống gắn liền với gia tăng điện áp qua hai lớp tiếp xúc ,các cụm khuếch tán cặp điện tử-lỗ trống hai lớp bán dẫn P N qua lớp chuyển tiếp kết hình thành khu vực với hạt tải điện khơng tự Vùng điện đƣợc tích hợp vào xuyên qua khu vực nghèo điện tử kết ta có điện trƣờng có giá trị lớn vừng chuyển tiếp hai lớp bán dẫn khơng có trƣờng ngồi khác khu vực nghèo điện tử (depletion region) Khi ta cho điện áp phân cực nghịch vào điốt quang cuối vùng nghèo điện tử trở nên rộng ,khi cặp electron-lỗ trống bị kích thích ánh sáng chúng di chuyển đến vùng nghèo nhƣ ta phân cực nghịch cho bán dẫn qua đƣợc vùng nghèo điện tử chúng hoàn toàn bị khuếch tán vào vùng nhiều điện tử Dòng điện đƣợc sinh đƣợc tính theo tỉ lệ chùm tia sáng tới chùm tia xạ ánh sáng tới kích thích chất bán dẫn.Ánh sáng bị hấp thụ theo hàm số mũ tỉ lệ với hệ số hấp thụ.Hệ số hấp thụ có giá trị lớn cho vùng có bƣớc sóng ngắn nhƣ vùng tia tử ngoại UV ngƣợc lại bƣớc sóng chùm tia tới dài hệ số hấp thụ nhỏ Vật liệu linh kiện bán dẫn Photodiode Vì ,mà photon có bƣớc sóng ngắn nhƣ tia UV bị hấp thụ bề mặt mỏng màng lớp lớp silicon trở nên suốt với bƣớc sóng dài 1200nm Hơn ,photon có lƣợng nhỏ so với so với lƣợng vùng cấm chất bán dẫn nên chúng không bị hấp thụ hồn tồn Bảng bên dƣới mơ tả độ xun sâu ánh sáng với bƣớc sóng khác III/ĐẶC TRƯNG a)nét đặc trưng điện điốt quang silicon đƣợc biễu diễn mạch điện song song với điốt khác ,nguồn điện biểu diễn dòng bị kích thích xạ chùm tia tới điốt tƣợng trƣng cho chuyển tiếp bán dẫn p-n mà chất thật sự hình thành nên cặp electron-lổ trống kích thích ánh sáng Vật liệu linh kiện bán dẫn Photodiode ,điện dung Ci điện trở rẽ RSH đƣợc mắc song song với với phận khác cấu thành nên mạch điện tích hợp ,điện trở nối tiếp RS đƣợc tiếp mắc nối tiếp với tất phận lại tạo thành model hồn chỉnh IV I ph Rs Id Cj R sh RL điện trở nối tiếp rs Điện trở nối tiếp bắt nguồn từ liên hệ điện trở vùng tiếp giáp bán dẫn với vùng giàu điện tử ,đƣợc cho công thức RS  (WS  Wd )ρ  RC A WS :độ dày bề mặt bán dẫn ,Wd: độ rộng vùng nghèo điện tử A:là khu vực khuếch tán vùng chuyển tiếp , ρ điện trở mặt ,RC điện trở lớp tiếp xúc điện dung lớp chuyển tiếp cj CJ  ε Si εO A 2ε Si εO μρ(VA  Vbi )  ε Si εO A ; ε Si =11.9 ,μ = 1400 cm2/Vs(300 K), ε O = 8.854x10-14 Wd F/cm Vbi điện áp phân cực ngƣợc ,VA điện áp ngõ vào Lớp biên vùng depletion nhƣ hai song song đối diện nhƣ điện dung với vùng không gian trống hai kim loại ,điện dung tỉ lệ thuận với khu vực khuếch tán tỉ lệ nghịch với độ rộng vùng nghèo điện tử Vật liệu linh kiện bán dẫn Photodiode b/nét đặc trưng tính chất quang điốt hệ số cảm ứng Rλ : đơn vị đo độ nhạy ánh sáng ,và tính tỉ số dòng quang điện IP lượng chùm tia tới ánh sáng bướcs óng xác định Rλ  IP P Trong nghĩa khác đơn vị để đo hiệu suất chuyển đổi lƣợng sáng tới thành dòng điện ,nó biến đổi bƣớc sóng ánh sáng tới tốt ta áp ddienj áp ngƣợc nhiệt độ Vật liệu linh kiện bán dẫn Photodiode Bên dƣới thay đổi bƣớc sóng ánh sáng tới theo nhiệt độ c)hiệu suất lượng tử Q.E Q.E  RλObserved R hc  Rλ  1240 λ RλIdeal λq λ d)I-V characteristics (đặc tuyến I-V) đặc tuyến I-V điốt quang khơng có ánh sáng chiếu vào tƣơng tự nhƣ điốt thƣờng ,khi điốt với lớp chuyển tiếp không cân xứng phƣơng trình dòng hàm số mũ dòng điện I D  I SAT (e qVA k BT  1) ID:dòng tối ,ISAT dòng điện bão hòa đảo ,q điện tích electron ,VA điện áp vào điốt Vật liệu linh kiện bán dẫn Photodiode a.V=0 trạng thái dòng tối IP=0 b.V=+V dòng tăng theo hàm số mũ c.V=-V dòng điện áp ngƣợc đƣợc áp vào điốt quang dòng tối lúc trở thành dòng bão hòa ISat ,độ sáng điốt quang với xạ quang học ,sự dịch chuyển đặc tuyến I-V tổng dòng quang điện Ip ITOTAL  I SAT (e qVA k BT  1)  I P Khi áp dòng phân cực ngƣợc ,thì ta có gia tăng đột ngột dòng quang điện ,dòng tối lúc cỡ 10 μA e)hiệu ứng nhiệt (temperature effects) tất đặc trƣng điốt quang bị hƣ hỏng thay đổi nhiệt độ chúng bao gồm điện trở nối tiếp Rs ,dòng tối ,điện áp đánh thủng ,điện dung Shunt Resistance and Dark Current:(dòng tối) Đó hai dòng điốt quang bao gồm dòng tối điện trở nối tiếp Dòng khuếch tán số vƣợt trội hiệu ứng quang điện ,đó điều định điện trở nối tiếp ,nó biến đổi theo bình phƣơng nhiệt độ ,trong quang dẫn nhiên dòng lệch trở thành dòng biến đổi trực nhiệt độ Sự thay đổi nhiệt độ ảnh hƣởng đến tách sóng quang học nhiều so với dạng quang điện hệ thống quang dẫn 10 Vật liệu linh kiện bán dẫn Photodiode Trong quang dẫn dòng tối có lẻ xấp xỉ gấp nhiệt độ tăng thêm 10 độ quang điện điện trở nối tiếp Rs xấp xỉ tăng gấp nhiệt độ giảm xuống độ Sự biến đổi phụ thuộc vào việc thêm vào biến số chẳng hạn nhƣ điện áp ,điện trở bề mặt Điện áp đánh thủng (Breakdown Voltage) Cho khu vực hoạt động thiết bị nhỏ ,điện áp đánh thủng đƣợc định nghĩa nhƣ điện áp mà dòng tối đạt đƣợc khoảng 10 μA ,dòng tối tăng theo nhiệt độ mtuy điện áp đánh thủng suy giảm với gia tăng nhiệt độ Tín hiệu điốt quang đƣợc đo nhƣ điện áp hay dòng Dòng đại lƣợng đƣợc chúng minh đƣờng tuyến tính,lệch so với gốc tọa độ ,biễu diễn thành dải băng tần Dòng quang điện đƣợc phát sinh theo tỉ lệ lƣợng chùm ánh sáng tới chuyển đổi thành điện sử dụng hệ chuyển đổi số Điốt quang hoạt động có điện áp phân cực ngƣợc vào hay không phụ thuộc vào tính đặc thù ứng dụng Chúng đƣợc phân loại thành quang dẫn hay quang điện PHOTOCONDUCTION MODE (PC):quang dẫn Đặt vào điện áp biến đổi nâng cao tốc độ đáp ứng độ tuyến tính thiết bị Đó gia tăng độ rộng vùng nghèo điện tử giảm điện dung lớp chuyển tiếp điốt ,áp điện vào gia tăng dòng tối dòng nhiễu ,minh họa cho điều qua sơ đồ mạch bên dƣới 11 Vật liệu linh kiện bán dẫn Photodiode GBP viết tắt Gain Bandwidth Product of amplifier (A1) and CA điện dung khuếch đại ngõ vào Áp dụng tốc độ nhỏ ,độ lợi lớn đƣợc đƣa vào để ta có giá rị lớn RF mà không cần mức hai Một cách thống cho ví dụ phép đo độ rộng xung laser khí ngắn so với trang thái laser rắn Tín hiệu điốt quang đƣợc kết nối trực tiếp với dao động kế 12 Vật liệu linh kiện bán dẫn Photodiode Khi sử dụng dao động kế độ rộng hình đƣợc điều chỉnh ch phù hợp với độ rộng xung nguồn sáng cho tín hiệu lớn từ đọ nhiễu Hai điốt đƣợc nối lại đối kết nối với đầu vào dao động kế ngõ vào Photovoltaic Mode (PV) Hệ thống dòng quang điện đƣợc ƣu tiên điốt quang đƣợc sử dụng tần số thấp (khoảng 350kHz) tốt mức ánh sáng siêu thấp Ví dụ mức ánh sáng siêu thấp /tốc độ thấp hình bên dƣới Trong ví dụ FET hệ thống khuếch đại ngõ vào tốt với điện trở hồi tiếp lớn ,bộ chỉnh lƣu điều chỉnh để khử dòng lệch Tổng trở ngõ xác định phƣơng trình ,dòng khuếch đại thuật tốn nhiễu đƣợc xác định RF phƣơng trình 13 Vật liệu linh kiện bán dẫn Photodiode Trong k=1.38 x 10-23 J/K T nhiệt độ (0K) Giữ nguyên giá trị chẳng hạn CF ta có cơng thức : Trong vùng băng tần hoạt động, sau độ khuếch đại đƣợc bổ giá trị đỉnh ta có tần số hoạt động OSI (open system interconnection):hợp mạng hệ thống mở tích hợp điốt quang : 14 Vật liệu linh kiện bán dẫn Photodiode THANK YOU !!  15