Vật liệu và linh kiện bán dẫn Photodetectors

Một số yêu cầu đối với các phần tử biến đổi quang-điện Trong kỹ thuật thông tin quang, các phần tử biến đổi điện-quang sử dụng trong cần phải thoả mãn một số yêu cầu cơ bản sau:  Thời g

Giới thiệu

Thiết bị thu quang, hay còn

gọi là bộ thu quang, là một

trong những bộ phận quan

trọng nhất của hệ thống thông

tin quang vì nó là 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,

cũng vì thế cho nên hoạt

động của nó liên quan đến

chất lượng toàn bộ hệ thống

truyền dẫn Chức năng chính

của nó là biến đổi tín hiệu

quang thành tín hiệu điện.

Một số yêu cầu đối với các phần tử biến đổi

quang-điện

Trong kỹ thuật thông tin quang, các phần tử biến đổi điện-quang sử dụng trong cần phải thoả mãn một số yêu cầu cơ bản sau:

 Thời gian đáp ứng nhanh

 Độ nhạy và hiệu suất biến đổi quang điện cao

 Nhiễu thấp

 Điều kiện ghép với sợi quang thuận tiện

 Kích thước nhỏ

Để đáp ứng các yêu cầu trên, trong kỹ thuật thông tin quang, người ta thường sử dụng các phần tử biến đổi quan-điện:

 PIN-Photodiode

 Diode quang thác APD

Cấu tạo:

 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.

chống phản xạ

Nguyên lý hoạt động của PIN-photodiode

Tầm quan trọng của lớp chống phản xạ

 Trong trường hợp lý tưởng, mỗi photon chiếu vào

PIN-Photodiode sẽ sinh ra một cặp điện tử và lỗ trống

Độ nhạy

Độ nhạy của PIN-photodiode tùy thuộc vào, bước sóng của dòng photo và chất bán dẫn là Si, Ge, Se…

Đặc tuyến Volt-Ampere

 Đặc tuyến V-I của PIN-photodiode cho thấy:

• Ở quang thông nhỏ điện thế phân cực nghịch nhỏ,

dòng I tăng theo điện thế phân cực

• Khi điện thế phân cực lớn dòng I gần như bão hòa

• Ở quang thông lớn dòng I thay đổi theo thế phân

cực nghịch

Ảnh hưởng của độ dày của vùng P+ và vùng I

 Khả năng thâm nhập của ánh sáng vào các lớp bán

dẫn thay đổi theo bước sóng Vì vậy:

Lớp P+ không được quá dày

 Miền I càng dày thì hiệu suất lượng tử càng lớn

Tuy nhiên, trong truyền dẫn số độ dài của xung ánh

sáng đưa vào phải đủ lớn hơn thời gian trôi Td cần thiết

để các phần tử mang điện chạy qua vùng trôi có độ rộng

d của miền I

 Do đó, d không được lớn quá vì như thế tốc độ bit

sẽ bị giảm đi

Diode quang thác APD (Avalanche photodiodes)

Cấu tạo:

 Cấu tạo của APD cơ bản giống như

PIN-Photodiode

 Ngoài ra trong APD còn có một lớp

bán dẫn yếu P được xen giữa lớp I

và lớp N +

 Bên trái lớp I bị giới hạn bởi lớp P +

 Bên phải lớp I bị giới hạn bởi tiếp

giáp PN +

 Điện áp phân cực ngược đặt vào

APD rất lớn, tới hàng trăm vôn.

 Điện trường thay đổi theo các lớp

Trong vùng I, điện trường tăng chậm,

nhưng trong tiếp giáp PN + điện

trường tăng rất nhanh

 Lớp tiếp giáp PN + là miền thác, ở đây

xảy ra quá trình nhân điện tử.

Nguyên lý hoạt động

 Do APD được đặt một điện áp phân cực ngược rất lớn, tới hàng trăm vôn, cho nên cường độ điện trường ở miền điện tích không gian tăng lên rất cao

 Do đó, khi các điện tử trong miền I di chuyển đến miền thác PN + chúng được gia tốc, va chạm vào các nguyên tử giải phóng ra các cặp điện tử và

lỗ trống mới, gây lên hiệu ứng quang thác và làm cho dòng điện tăng lên đáng kể.

 Hiện tượng thác lũ:

 Khi các điện tử di chuyển và được gia tốc , va

chạm vào các điện tử và lỗ trống khác làm cho chúng kết hợp với nhau quá trình ion hóa sẽ xảy

ra nhanh hơn

 Dưới tác dụng của nguồn phân cực ngược, sự

phân bố cường độ điện trường trong các lớp bán dẫn , trong đó trường vùng tiếp giáp PN+ cao

nhất, quá trình nhân điện xảy ra ở vùng này Vùng này được gọi là vùng “thác lũ”

 Tác động của hiệu ứng thác lũ lên APD

 Khi có áp phân cực ngược vào APD, hầu hết các

điện thế rơi ngay qua tiếp giáp PN+ Vùng trôi sẽ

mở rộng

 Để quá trình nhân hạt xảy ra đúng lúc thì các hạt

phát ra dòng photo phải đi qua vùng có điện trường rất cao Dưới điện trường này thì 1 điện tử được gia tốc có đủ năng lượng để phát ra các cặp điện tử - lỗ trống mới Điều này có nghĩa là nó ion hóa các điện tử bao quanh trong vùng hóa trị do

va chạm với chúng

Cơ chế nhân hạt mang này được gọi là sự ion hóa do

va chạm

Đặc tuyến tĩnh của APD & PIN-Photodiode

Đặc tuyến tĩnh của PIN – Photodiode & APD là đặc

tuyến mô tả mối quan hệ giữa dòng ra của photodiode

và công suất quang một chiều hay công suất quang có tốc độ biến đổi chậm đưa vào photodiode

Để xác định được mối quan hệ giữa dòng ra của

photodiode và công suất quang một chiều hay công suất quang có tốc độ biến đổi chậm đưa vào Photodiode,

trước hết cần xác định được dòng pho to của các

photodiode (dòng photo chính là dòng do các photon

trực tiếp tạo ra)

 Dòng photo của PIN – Photodiode & APD

Khi các photon đi vào PIN – Photodiode và APD tạo ra các cặp Điện tử & Lỗ trống, dưới tác dụng của điện

trường ngoài, các phần từ này sinh ra ở mạch ngoài một dòng điện Đó chính là dòng photo của PIN-Photodiode/APD

Dòng photo IP của PIN – Photodiode/APD được xác

theo công thức:

Ip = HT .PTTrong đó: HT =η gọi là hệ số biến đổi quang điện của photodiode

PT là công suất ánh sáng chiếu vào photodiode

η= là hiệu suất lượng tử

 Dòng ra của PIN – Photodiode & APD

• Đối với PIN- Photodiode

PIN- Photodiode là photodiode không có hiệu ứng

quang thác, do đó dòng ra của nó chính là dòng photo, tức là:

i T-PIN = i P = H T P T

• Đối với APD

Do có hiệu ứng quang khác mà dòng ra của APD được tăng lên M lần, tức là:

i T-APD = Mi P = MH T P T

Trong đó: M= = là hệ số khuyếch đại của APD,

U : địên áp đặt vào APD

 Đặc tuyến tĩnh của PIN – Photodiode & APD

Từ các công thức trên, người ta xác định được đặc tuyến tĩnh của PIN- Photodiode & APD

Đặc tuyến tĩnh của PIN – Photodiode & APD

Vật liệu chế tạo PIN-photodiode và APD

Tham số Đơn

Bước sóng

λ μmm 0.4-1.1 0.8-1.8 1.0-1.7Hiệu suất

 Công nghệ chế tạo Si đã đạt ở mức cao

 Ở bước sóng dài hơn từ 1.1- 1.7 μm các chất có thể sử dụng m sử dụng Si

không còn phù hợp do ở bước sóng này năng lượng không đủ lớn để kích thích điện tử ngang qua vùng

cấm Các vật liệu thường dùng là: Ge, InP, InGaAsP, InGaAs, GaAb,

Đối với PIN-photodiode và APD hoạt động ở bước sóng dài thì InGaAs là thích hợp nhất vì nó có thể hấp thụ ánh sáng có bước sóng dài tới 1,650 μm các chất có thể sử dụng m

So sánh PIN và APD:

 Giống nhau: Hai loại diode quang PIN và APD đều

được phân cực ngược

 Khác nhau:

Điện áp phân cực Thấp (dưới 20 Volt) Cao (vài trăm Volt)

s)

Cao (vài Gbit/s)

Ưu điểm chính của PIN-photodiode và APD

Độ ổn định cao, dòng tối nhỏ gây nhiễu thấp

Độ nhạy cao

Ứng dụng

PIN-photodiode và APD được sử dụng rộng rãi trong

kĩ thuật truyền thông

Hệ thống thông tin quang tốc độ cao

Cảm ơn cô và các bạn đã theo dõi!