Vật liệu và linh kiện bán dẫn Photodetectors

Nội dung  Giới thiệu  PIN-photodiode  APD  Photo transistor  Ứng dụng Giới thiệu Thiết bị thu quang, hay gọi thu quang, phận quan trọng hệ thống thơng tin quang vị trí sau tổ chức hệ thống truyền dẫn, nơi mà thiết bị thu nhận đặc tính tác động tồn tuyến đưa tới, hoạt động liên quan đến chất lượng tồn hệ thống truyền dẫn Chức biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện Một số yêu cầu phần tử biến đổi quang-điện Trong kỹ thuật thông tin quang, phần tử biến đổi điện-quang sử dụng cần phải thoả mãn số yêu cầu sau:      Thời gian đáp ứng nhanh Độ nhạy hiệu suất biến đổi quang điện cao Nhiễu thấp Điều kiện ghép với sợi quang thuận tiện Kích thước nhỏ Để đáp ứng yêu cầu trên, kỹ thuật thông tin quang, người ta thường sử dụng phần tử biến đổi quan-điện:  PIN-Photodiode  Diode quang thác APD PIN-Photodiode Cấu tạo:  + + Một tiếp giáp gồm bán dẫn tốt P N làm nền, có lớp mỏng bán dẫn yếu loại N hay lớp tự dẫn I (Intrisic)   + Trên bề mặt lớp bán dẫn P điện cực vòng Một lớp mỏng chất chống phản xạ  Điện áp phân cực ngược Nguyên lý hoạt động PIN-photodiode Tầm quan trọng lớp chống phản xạ  Trong trường hợp lý tưởng, photon chiếu vào PIN-Photodiode sinh cặp điện tử lỗ trống Độ nhạy Độ nhạy PIN-photodiode tùy thuộc vào, bước sóng dòng photo chất bán dẫn Si, Ge, Se… Đặc tuyến Volt-Ampere  Đặc tuyến V-I PIN-photodiode cho thấy: • • • Ở quang thơng nhỏ điện phân cực nghịch nhỏ, dòng I tăng theo điện phân cực Khi điện phân cực lớn dòng I gần bão hòa Ở quang thơng lớn dòng I thay đổi theo phân cực nghịch Diode quang thác APD (Avalanche photodiodes) Cấu tạo:  Cấu tạo APD giống PIN-Photodiode  Ngoài APD có lớp bán dẫn yếu P xen + lớp I lớp N    Bên trái lớp I bị giới hạn lớp P + + Bên phải lớp I bị giới hạn tiếp giáp PN Điện áp phân cực ngược đặt vào APD lớn, tới hàng trăm vôn  Điện trường thay đổi theo lớp Trong vùng I, điện trường + tăng chậm, tiếp giáp PN điện trường tăng nhanh  + Lớp tiếp giáp PN miền thác, xảy trình nhân điện tử Nguyên lý hoạt động  Do APD đặt điện áp phân cực ngược lớn, tới hàng trăm vôn, cường độ điện trường miền điện tích khơng gian tăng lên cao  + Do đó, điện tử miền I di chuyển đến miền thác PN chúng gia tốc, va chạm vào nguyên tử giải phóng cặp điện tử lỗ trống mới, gây lên hiệu ứng quang thác làm cho dòng điện tăng lên đáng kể  Hiện tượng thác lũ:  Khi điện tử di chuyển gia tốc , va chạm vào điện tử lỗ trống khác làm cho chúng kết hợp với trình ion hóa xảy nhanh  Dưới tác dụng nguồn phân cực ngược, phân bố cường độ điện trường lớp bán dẫn , trường vùng tiếp giáp PN+ cao nhất, trình nhân điện xảy vùng Vùng gọi vùng “thác lũ”  Tác động hiệu ứng thác lũ lên APD  + Khi có áp phân cực ngược vào APD, hầu hết điện rơi qua tiếp giáp PN Vùng trôi mở rộng  Để trình nhân hạt xảy lúc hạt phát dòng photo phải qua vùng có điện trường cao Dưới điện trường điện tử gia tốc có đủ lượng để phát cặp điện tử - lỗ trống Điều có nghĩa ion hóa điện tử bao quanh vùng hóa trị va chạm với chúng Cơ chế nhân hạt mang gọi ion hóa va chạm Đặc tuyến tĩnh APD & PIN-Photodiode Đặc tuyến tĩnh PIN – Photodiode & APD đặc tuyến mơ tả mối quan hệ dòng photodiode công suất quang chiều hay công suất quang có tốc độ biến đổi chậm đưa vào photodiode Để xác định mối quan hệ dòng photodiode công suất quang chiều hay cơng suất quang có tốc độ biến đổi chậm đưa vào Photodiode, trước hết cần xác định dòng to photodiode (dòng photo dòng photon trực tiếp tạo ra)    Dòng photo PIN – Photodiode & APD Khi photon vào PIN – Photodiode APD tạo cặp Điện tử & Lỗ trống, tác dụng điện trường ngoài, phần từ sinh mạch ngồi dòng điện Đó dòng photo PIN-Photodiode/APD Dòng photo IP PIN – Photodiode/APD xác theo cơng thức: Ip = HT PT Trong đó: HT =η PT η= hiệu suất lượng tử gọi hệ số biến đổi quang điện photodiode cơng suất ánh sáng chiếu vào photodiode  Dòng PIN – Photodiode & APD • Đối với PIN- Photodiode PIN- Photodiode photodiode khơng có hiệu ứng quang thác, dòng dòng photo, tức là: iT-PIN = iP = HT PT   • Đối với APD Do có hiệu ứng quang khác mà dòng APD tăng lên M lần, tức là: iT-APD = MiP = MHTPT Trong đó: M= = hệ số khuyếch đại APD, U: địên áp đặt vào APD UD: điện áp đánh thủng APD n: nhận giá trị từ 1,5 ÷ 6, tuỳ thuộc vào vật liệu cấu trúc APD  Đặc tuyến tĩnh PIN – Photodiode & APD Từ công thức trên, người ta xác định đặc tuyến tĩnh PIN- Photodiode & APD Đặc tuyến tĩnh PIN – Photodiode & APD Vật liệu chế tạo PIN-photodiode APD Tham số Đơn vị Si Ge InGaAs Bước sóng λ μm 0.4-1.1 0.8-1.8 1.0-1.7 Hiệu suất lượng tử % 79-90 50-55 60-70 100-500 50-200 10-40 η Hệ số nhân M (APD)  Trong vùng phổ 0.8-0.9 μm chất sử dụng để chế tạo photodiode Si, Ge, GaAs Tuy nhiên Si vật liệu phù hợp do:    Tạp âm thấp nhất, cho độ nhạy thu cao Công nghệ chế tạo Si đạt mức cao Ở bước sóng dài từ 1.1- 1.7 μm sử dụng Si khơng phù hợp bước sóng lượng khơng 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 APD hoạt động bước sóng dài InGaAs thích hợp hấp thụ ánh sáng có bước sóng dài tới 1,650 μm So sánh PIN APD:   Giống nhau: Hai loại diode quang PIN APD phân cực ngược Khác nhau: Tiêu chí đánh gia’ PIN-photodiode APD Độ nhạy Nhỏ Lớn (từ 5-15dB) Hiệu suất lượng tử η Mη Độ ổn định Cao Kém Điện áp phân cực Thấp (dưới 20 Volt) Cao (vài trăm Volt) Tốc độ Bit Thấp (vài trăm Mbit/s) Cao (vài Gbit/s) Chi phí Thấp Cao … … Ưu điểm PIN-photodiode APD PIN-photodiode Độ ổn định cao, dòng tối nhỏ gây nhiễu thấp APD Độ nhạy cao Ứng dụng PIN-photodiode APD sử dụng rộng rãi kĩ thuật truyền thông Hệ thống thông tin quang tốc độ cao Cảm ơn cô bạn theo dõi! ... PIN-Photodiode Cấu tạo:  + + Một tiếp giáp gồm bán dẫn tốt P N làm nền, có lớp mỏng bán dẫn yếu loại N hay lớp tự dẫn I (Intrisic)   + Trên bề mặt lớp bán dẫn P điện cực vòng Một lớp mỏng chất chống... thâm nhập ánh sáng vào lớp bán dẫn thay đổi theo bước sóng Vì vậy: + Lớp P không dày  Miền I dày hiệu suất lượng tử lớn Tuy nhiên, truyền dẫn số độ dài xung ánh sáng đưa vào phải đủ lớn thời... trường hợp lý tưởng, photon chiếu vào PIN-Photodiode sinh cặp điện tử lỗ trống Độ nhạy Độ nhạy PIN-photodiode tùy thuộc vào, bước sóng dòng photo chất bán dẫn Si, Ge, Se… Đặc tuyến Volt-Ampere