Linh kiện bán dẫn và vi mạch

TS HỒ V Ả N S Ư N G UNH KIỆN BÁN DẪN VÀ VI MẠCH ■ (T i lần th ứ n ăm ) NHÀ XUẤT BẢN GIÁO DUC Công ty cổ phẩn sách Đại học • Dạy nghê - Nhà xuất Giáo dục giữ công bố tác phẩm Mọi tổ chức, cá nhàn muốn sử dụng tác phẩm hinh thức phải dược dóng Ỷ chủ sở hữu tác giả 04 - 0 /C X B /l 49 - 1 7/G D Mã sô ': 7B 577y9 - DAI Lời giới thiệu uốn sách "Linh kiện bán dản vi mạclì" nội dung CÌUỈ giáo trình dược giáng C dạy nhiểu năm Khoa công nghệ Đại học quốc gia Hà Nội lác gi;i SỪ dụng làm giáng cho sinh viên chuyên ngành điện tứ, tin học viễn thơng ihời gian ỉàni clìuyổn gia Algerie Hàng nàm, phát triến mạnh còng nghệ vi điện lử, giáo írình bổ sung linh kiện mới, độc biệt linh kiện có tõc độ hoạt dộng sicii cao, dày điện tứ có độ linh động cực cao Vì thế, bén cạiih những.linh kiện ban, giáo trình đé cập đến Iihrrng linh kiộn ký 21 linh kiện hoạt động dựa Ircn hiệu ứng iosephson linh kiện hoại động nhờ chuyến tiếp dị linlì ihế (Heterojunclịon) Sáclì chia làm hai phần : Phần thứ giành cho việc nghiên cứu liĩilì kiện rời rạc Pliíin ihứ hai mò tã đặc trưng còng nghệ ch ế tạo cùa tốt cà loại vi mạch từ lưỡng cực lới Bi-CMOS Phần có chương : Chưofiig : mơ tá lính chất bán vật liệu bán dẩn Chương : mỏ tà nguyên tác hoạt động cùa làì ca loại diốt từ loại chỉnh lưu P-N đến loại điòì đặc biệt điổt Gunn điốt PIN, lừ loại lần thấp đến loại có lần sơ' cắt cực cao Clìirơng : mỏ chuyến tiếp dị tinh thể siêu mạng ; Đ ó chuyển tiếp bán đế ch ế lạo nên nhiều linh kiện có tốc độ hoại động cực lớn khí điện tử 2D Chương đề cập Uiinzito luởng cực chương linh kiện lưu có điểu khiển hay gọi liiih kiện thuộc họ thyrisior Chương loại lranzito trường : Cá JFET lẫn MOS Do tính cỊiian tiọng loại tranzilo Irường, nên iroiìg chương vừa mơ tá định ỉínlì lẫn định lượng ; cio vậy, độc già có dịp so sánh đăc trưng tính tốn lý tlìuycì với lài liệu llìực nghiệm Chương : irìnlì bìi^ loại linh kiện quang - điện tử : linh kiện thu qiumg, phát q u a n g , pin mặt trời, iaser đa m ỏ ì đơn mốt c h o c c cứa s ổ khác nÌKỉU g ắn với Cik sợi tịuang cung hnli kiện ghép nói giừa chúng với với ngn phát với Iiguỏii thu Phiỉn có chương : Chương s nói ích lợi lóc độ phát tricn cùa cơng nghệ vi điện lử irong có cá cơng Iighệ kinh điến lẫn còng nghệ licn tiến Chương loiỉi vi mạch lường cực, chương 10 cơiìg nghộ loại vị mạch MOS Bi-CMOS Chương 1 niò tà tính châl cúa vi mạch tuyến lính khuếch đại thuật lốn Trong chương, lác giả c ố gắng mô tâ hoụt dộng cúa linh kiện, nôu bật Iiội dung vật lý cúa linh k iệ n v ậy người đ ọ c c ó hiểu n g u y ê n tác liOiil đ ộ n g củ;t linh kiệếi cách sâu sắc khỏng mang lính thụ động Mỗi linh kiện mô ỉủ Iiguycii lac hoạt động, cấu lạo, thòi cho biếl địa ứng dụng mạch điện lử cụ (hê Trong sách m ô tả rấl nhiểu công nghệ có so sánh công nghệ khác dc thốy im viẹt cỳa mỏi công nghệ Trong so sánh đểu mô lã dạiig clổ thị đê’ nguời dọc dc câm nhủn Mặc dù cỏ nhiều c ố gắng, song thời gian, nên chắn sách có nliững sai sóỉ, mong dược q độc gia nhộn xét, đóng góp đc lần xuủì bàn sau đáy clủ phong phú TÁC GIẢ Phần I CÁC LOAI ■ LINH — KIỆN ■ RỜI Chương MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU BÁN DẨN • • • 1.1 NẢNG LƯỢNG CỦA ĐIỆN TỮTRONG ĐƠN TINH THỂ-VÙNG LUỢNíỉ Trạng thái đơn tinh thể đậc trưng bàng phân bố đặn nguyên lử Iroiig không gian theo mạng íuần hồn ba chiều Giá sứ có clìuỏi gồm N ngun lứ gióng hệt nhau, lúc đầu ĩìguyẽn tử nùy cách xa nguyên tứ Khi đó, nguyên tử có mức năiiị: lượng phép bị chiếm Bủy giờ, N nguyên tử xếp mạng liiih thê chúng lương lác với nhau, làm cho mức Iiãng lượng phép ch o điện ur bị biến điệu : Mỏi mức nũng lượng nguyên lử cô lạp phải tách thành N mức gián đoạn tic ihỏa măn nguyên lý Pauli mổi điện tử linh thể có mức nãng lượng riêng, gần mức ban đầu Vì linh thẽ\ số nguyên tử lớn (cỡ 10“^ nguyên lử trôn cm S Irục lượng, mồi mức nàng lượng phép lách thành lừng mức ; chúng sáp xếp rít gần lạo llìùnh nhữiig vùng lượng phép cách vùng cốm nút mạng ĩliiih / / Cáu trúc vù/ĩiỉ iuhìịỊ liỉỢỉìiỊ ( ùa ỉinỉi ỉhè siỉit ỠOK Đòi với điện tử lớp bcn trong, nhiễu loạn nguyên tử láng giềng gây lâì yếu, nên chúng bị liẻn kết mạnh với hạt nhân chúng, tách mức yếu chi xáy vùng hẹp Ngược lại, diện tử lớp lương lác với nlìiều nguyên lử hìn bang, nên tách mức lượng xây vùng rộng, gủy tượng chồng phú vùng lượiìg với Đối với silic, lớp lạo thành bới điện tứ p điện tử s (có vị trí mức p mức s) Khi tinh tạo thành vùng mức 3p 3s tách ra, chồng phủ : hai điện tứ 3s hai điện tử 3p tạo nên vùng đầy gọi vùnịỊ hóa ĩrị tính bốn điện tử ngun tử Bón vị trí lại mức 3p nhóm lại thành vùng chưa bị chiếm gọi v////ự íhhì Trong báiì dẫn gecm ani, vùng Is nằm thấp có độ rộng khống IO"^eV Vùng hóa trị có độ rộiig cỡ lOeV Vùi)g dản có độ rộíig 20eV cách đinh vùng hóa trị khống , le V Đ ó c h í nh độ rộng cúa V/Í//V i ổ n ì Khoảng cách lượng vùng Is vùng hóa Irị vào khống I.OƠOcV 1.2 XÁC SUẤT CHIẾM MỨC NĂNG LƯỢNG CỦA ĐIỆN TỬ Giả sử mức lượng giành cho điện tử nằm khống E đến E + dE N(E).dE, N (E) mật độ lượng, trạng thái cân nhiệt động (T giữ c ố định), điện tử phâii bố theo thống kê Fermi-Dirac với xác suất chiếm mức lượng E : f(E) = E -E p + e x p ' KT : K = ,6 ^eV/K hàng số Bo!tzman ; T nhiệt độ tuyệt đối (ở nhiệt độ phòng T = 300K ; K T = ''eV Ep mức lượng Fermi xác định từ biểu thức : n= j2N (E )f{E )d (E ) : n nồng độ điện tứ, tức số điện tử đơn vị thê’ tích Tích phân líTíy theo tất cá mức lượng dĩ điện tử Gốc lượng lấy từ đáy vùng dăn Vì nâng lượng Fermi Ep hàm cùa nồng độ 11, cùa nhiệt độ T ciia tất ihơiig sơ' có thê có tác động lên mức lượng, nhiệt độ T = OK : E < Ep E > Ep Điểu có nghĩa tất mức lượng phía Ep đểu bị chiếm, mức nằm Ep lại trống hồn tồn Khi E = Ep f(E) = 1/2 Vậy mức lượng Fermi inức Iiãng lượng có xác suất bị chiếm 50% f(E) thay đổi nhanh lân cận mức lượng Fermi Ep 90% thay đổi f(E) xảy khoảng lượng ±3KT nhiệt độ T OK phân bố điện tử tuân theo thống kê Fermi-Dirac Lúc này, số điện tử đình vùng hóa trị có lượng Ev vượt qua vùng cấm tới đáy vùng dẫn Q trình để lại vùng hóa trị lỗ hổng vị trí (hình 1.3) H ìn h , M ật độ m ức lượng vùng dần vùng hóa trị nhiệt độ gẩn nhiệt độ phòng, độ rộng vùng cấm Ec - Ey = Eg lớn hoăc 3eV số điện tử vùng dẫn thực tế khơng Vật liệu chất cách điện Ngược lại, Eg vào khoảng le V vùng hóa trị vùng dẫn bị chiếm phần làm xuất độ dẫn điện Trưòmg hợp vật liệu bán dẫn chẳng hạn Si Ge có độ rộng vùng cắm tưcmg ứng l,1 e V ,6 6eV nhiệt độ K Đ iện trở suất vật liệu bán dẫn giảm nhiệt độ tăng số điên tử giải phóng từ vùng hóa trị lên vùng dẫn tăng theo nhiệt độ 1.3 ĐIỆN TỬ VÀ LỖ TRỐNG TRONG BÁN DẪN Trong chất bán dẫn, nhiệt độ T ròng OK, vùng dẫn vùng hóa trị bị chiếm phần, chúng tham gia q trình dẫn điện Giả sử đơn vị thể tích vật đẫn có điện tử với vận tốc định hướng mật độ dòng - q , (ký hiệu q điện tích cùa proton có giá trị dưcmg), mật độ dòng tất điện tử cùa vùng - q ^ , tổng lấy theo tất trạng thái bị chiếm s cùa vùng Đ ể tính dòng điện, phải xác định vận tốc điện tử T h ế nhưng, điện tử vùng lượng lại c ó khối lượng hiệu dụng khác với khối lượng điện tử tự hồn tồn, khối lượng hiệu dụng điộn tử phụ thuộc vào lượng cùa nó, nên vùng lượng khác chúng có khối lượng hiệu dụng khác Do vậy, đóng góp điện tử vùng lượng phức tạp Tuy nhiên, để đcm giản, vật liệu bán dẫn, xét điện tử vùng dẫn vùng hóa trị Trong vùng dẫn, số điện tử nhỏ so với mức nũng lượng phép giành cho chúng, điện tử IkI u chi chiếm mức n ă n g ‘lượng thấp đáy vùng dẫn có lượng nên chúng có khối lượng hiệu đụng gần Trên thực lế, người la coi chúng có khối lượng hiệu dụng m„ Cùng suy luẠn tương tự vậy, vị trí trống điện tử vừa rời khỏi vùng hóa trị lụi râì so với tồn số mức cỉia vìmg nằm gán đinh vùng hóa trị Ey Nếu ihiếư điện tử vùng hóa trị, mật độ dòng tất điện lử khác cúa vùng , s;* i đáy ký hiệu i điện tử bị thiếu Bây giá sử thêm vào điên lử vắng mặt ( - q V /) liọỉ ĩirỡn^ ỉnợỉtì^ có điện tích +q chuyển động với vận tốc Vị ihì mặt cơng thức tốn học, chúiig ta có ihê viết : s*ị Nhưng = đóng góp tồn vùng bị chiếm không Kết cho s thđy ràng độ dần điện vùng hóa trị hạt tưởỉỉỊi tượn^ có điện tích +C| chiếm trạiig thái trống đỉnh vùng hóa trị gây Hạt tưởng tượng gọi ìẵ rrốỉìii Ngưòi ta có Ihể gái) cho khối lượng hiệu dụng lĩip Như vạy vật liệu bán dẫn có hai loại hạt tải điện ; Điệỉì tử ìroti^ VÙỈH' dần lỗ trốtis troỉiịi víiHiỉ hóa trị Ví dụ bán dần silic gecmani : Mỗi nguyên tử linh thể silic hoăc gecmani trao đổi bốn điện tử vòng ngồi với bốn ngun tử láng giểng gẩn để tạo nên liên kết đồng hóa trị ; Có n g h ĩ a nhiệt độ OK tất điện tử hóa trị silic tham gia vào liẽn kết nguyên tử, vành hóa trị hồn hảo Hay nói khác vùng hóa trị bị bão hòa, tức Ui tất ca mức lượng phép vùng hóa trị bị chiếm điện tử, vùng dẫn lại bò trống hồii tồn Khi T ƠK, lượng nhiệt kích thích dao động nhiệt cùa mạng linh thể Một sơ' điện lử hóa trị có tlìể thu Iiílng lượng nhiệt để phá v liên kết chuyển lên mức lượng phép vùng dỗn đế lại vùng hóa trị số lổ trống Như đă hình thành cặp điện lử - lỗ trống (hình 1.4) Lổ trống bị lấp đầy nhờ điện lự ỉáng giềng đến lượt lại đế lại lỗ trống, trình lặp lại lỏ trống dịch chuyên cách tự theo hướng ngược với hướng điện tử Đ iểu c ó nghĩa việc đứi 'nội ỉìtn kết đồng hóa trị làm cho điện từ chuyển dời từ vùng hóa trị lên vùng dẫn Đ ó chínl q trình phár sinh cặp điện tử - lỗ trống Còn q trình ngược lại ; tức q trình xây dựng lại liên kết nhờ điên tử rơi từ vùng dẫn xuống vùng hóa trị (với phát xạ nãng lượng) túi hợp (xem hình 1.5) H in h L S , Q uá trinh p h t sinh tá i hợp áiện tử iỗ trống trạng thái cân nhiệt động, s ố điện tử phát sinh s ố điện tử tái hợp Bán dẫn gọi hán dãn ròng (hay gọi bán dẫn tinh khiết) 1.4 NỔNG ĐỘ HẠT TẢI TRONG BÁN DẪN ròng trạng thái cân nhiệt động, xác suất để điên tử chiếm mức lượng E : fn(E) = + exp E -E KT Còn xác suất chiếm chỗ cùa lỗ trống xác suất để vị trí khơng bị chiếm bời điện tử, nghĩa : fp(E) = l - f „ ( E ) = + exp Ep - E KT Giả sử n p nồng độ điện tử lỗ trống vùng dẫn vùng hóa trị (chính số điện tử lỗ trống đơn vị thể t í c h ) ; chúng tính từ biểu thức sau : £ i* VVIAV n = N(E).f„(E).đE Ec E p = |p (E ).fp (E ).dE ( 1) •vmin Trong : Ecmax mức lượng c a o vùng dẫn ; Ev„,in ỉà mức lượng thấp vùng hóa trị ; Thừa số mức lượng c ó thể bị chiếm 2e" có spin ngược N(E) P(E) mậl độ trạng thái Iroiỉg vùng dẩn vùng hóa !rị chúng dược xác địiih lừ biêu thức sau : N(E) = 2n K 2m, (E - E^.) 1/2 hvà 2m ( E , - E ) 1/2 P(E) = 2n ( 1.2 ) hThay biêu thức Iiày vào (1.1) m rộng cận lấy tích pliiìn cùa vàravò (diều khơiig gây sai s ố là'y tích phân), ta thu : n = 4n í 2m; ' V' /2 ^ '1- ; Ec Er + exp /2 p = 4n ị ( E - E , o ' ^ “ dE E - E p KT E, ' (E y - E ) '^ ^ » • exp -X -E KT Giá sứ bán dủn khôiig suy biến, nghĩa trạng thái bị chiếm điện lử vù lồ tiốiig Iihỏ so với toàn số mức có , vủy c ó ihé’ loại trừ tnrờc hàm mũ, giá trị (E - E^.) (E^, - E) lớn so với KT Khi đ ó 'x c suất bị chiếm đồng với xác suâì Maxwcll-Boltzniaii : E - E KT vẠy : n= '27tm ;K T" /2 ị - exp E c-E f] l k t J hay ; n = Np exp KT p = Nv exp ^ E y -E p ^ KT (1.3) ; N, = 2ĩtm*KT 27t m p K T N ,= 1,2 2LKBCMMACHA r - w o oo o oo o oo Tảl Pa-nô pin măt trời Điều khiển pệóng Điều khiển n : N guổn Ihẽ bổ Irợ : Bt> diều khiến luyến lính : G iá Irị thực : Đi^^l khóa : Thè b I 13 irong vùng cấm, nên có thơ có chuyến dời xạ mức nlìư dã xét đèn troim phần 3.1 Trong vùng phổ kiến, điòì phái quang dược thực liiệMì lừ hợp kiiiì cùa imuyẽn ĩỏ nhận lừ bán dẩn III-V Cháng hạn hợp chát CìaAsJ^|.^ pha lạp khác ỉihau cho màu sác chí bàng sau dây: vát lièu tụp cliũt bưức sóng inuu sãc liiéu siiiit % GaAs Si ,0 I.R 10 10 GaAs Zii 0,9 I.K 10 CiaP Zn.O 0,7 GaAs|( f,p,| Te/ GaAs 0,65 dỏ CìaASịi s,N/GaP 0,63 GaP N GaAs() ,P|, Xi GaP ÍK (lis) KX) ,2 10 da cam ,2 10 0.59 vàng 100 S,N/GaP 0.59 vàng 0,05 N 0,57 xanh 10 0 ,1 Hiệu suất ĩoỉig t h ể cùa diổt phái qitaíỊ^: Là lỉ số cùa cõng suấl ánh sáng phát với công suãt điộn hấp thụ Nếu tất phỏion phát xạ có lượng hv, cốim phát sáng Nph.; phòlon gây giây sc P„p = Np|j,,.hv Cơng điện dà liêu thụ là: p = V.Ij (V lác dụng vào điốl, lj dòng ihuận cúa điốl) Trên mội dơn vị bổ mặt, dòng lượng diẹn tích chạy qua vùng chuyển liếp giây: Ihế bằng: Pj = NjqVj Từ lìỉn hiệu suất phát sáng bên ngồi diỏt phái quang V I, hiệu S ỉu N^qV^ qV^ '" *■ !à tỉ sỏ' c ủ a s ố p h ò t o n p h t xạ v i s o p l ì t o n d ã đ ợ c t o ra' n ó r l i í i i h cỊitan^ học hay hiệu suđl lượiìg tử ngoại Còn 11, = Npj^^./Nj tí sò' số phcMon dã dược lạo với số hạt lải chạy qua vùng chuycn liếp; dược gọi liiệiỉ S iiííí lííỢỉiỉỉ íử ỉiộị Nếu lượng phôlon phát gẩn chiều cao vùng cấm tính clốn diện trờ nối liếp điốt I\, ihì biếu ihức hiệu suất phdl sáng tống điốt phát quang là: n = -^7 ^ - 'V I r qV, +i-jl Các điốt quang diện có hiệu suất phát sáng cỡ từ dốn 10% Tliòi gian trả lòi tần s ố cắt Mục tiêu cúa điốt quang điện đế diều ch ế tia sóng bàng thay dổi dòng thuận điốt Do dê’ tăng tần sô' điều chế, cần phái tăng tần sô' cắt diốt, tần sô' lại bị hạn ch ế bới điện dung vùng chuyến tiếp P-N điốt Trong diốt phái quang hoạt động theo phân cực thuận, có điện dung khuếch tán Cj can ihiệp vào việc hạn ch ế tầii số Do vậy, đê tăng tần sơ' cắt ihì phải tìm cách giảm thời gian sơng cúa 114 C ík ’ 15LKB0VIM ẠCHB điện tử phát xạ Irong miền p Điều thực miền p pha lạp mạnh p \ Với cách này, thu dược điốt phái quang c ó lần số cát từ vài MH^ dến lOOMH^ Câiií’ n^hé clìếíạo LED 'ĩùy ihuộc sử dụng LED mà chọn công nghệ chế tạo Hiện LED sử dụng trong: * Nguổn phát xạ tia có mầu xác định * Viẻn thòng cáp quang: Bước sóng lừ 1,3 đến 1,55(im tương ứng với dải suôi lán xạ nhỏ sợi quang * Truyền lín hiệu biến đổi hai mạch cách biệt phương diện điện Đ ể thực mục đích này, người ta sản xuất linh kiện ghép nối quang học Các linh kiện này, irước hêì dùng đế truyển tín hiệu lơgic với vặn tổc lớn; ngồi đê đọc ihẻ đục lỗ Hai ví dụ cho thấy cấu trúc LED Cáp quang SiO Nhựa Epoxy GaAs p l-x X GaAs - ^ ' ' / /"ỉ ^ b) H in h 7.15 Cáu tạo cùa d iỏ t p h ú t quang : a) C ấu tạo cùa đ iố t p h t quang ; h ị D iỏt p h t quang ghép nối với sợi Cỉtiang 7.3.3 Lính kiện ghép nối quang học Các linh kiện ghép nối quang học (photocouplers) linh kiện liên kết hai mạch iruyền lín hiệu dùng ánh sáng phương tiện truyền dẫn Như vặy hai mạch điện cô l ộ p với n h a u v ề p h n g d i ộ n đ i ộ n Trong linh kiện ghép nối ln ln có phái quang thu quang Tia phát linh kiện phát dược linh kiện thu bắl khơng có giao thoa ánh sáng ký sinh Cả hai linh kiện đại đối diện mộl hộp mờ: Linh kiện phái tia sáng làmột LED hồng ngoại linh kiện thu quang thưòng phơiơ tranziio Thu quang ic Lối vào H ìn h ,Ỉ6 C ấu tạo củơ ghép quang học dờng p h tơ tra m ito 15 Khi có dòng I(J chạy qua LED D, phát tia sáng có thơng lượng tỉ lê cách tuyến tính với dòng Tia sáng lại điểu khiển dòng I(, cùa phơtơ tranzito; cho dòng tỉ lệ tuyến tính với thơng lượng chiếu sáng, v ể tổng thể, linh kiện hoạt động có dòng lối vào sinh dòng Ic lối tỉ lẹ với vể phương diện điện độc lập hoàn toàn với Bộ ghép nối quang học làm dạng linh kiện rời vi mạch có nhiều chủng loại khác Tuy nhiên, chúng đểu có chung đậc tính chung tăng tì lệ truyển dòng (CTR: Current Transfer Ratio) Đ ó tỉ sơ' dòng lối dòng lối vào I^/Id (tính theo %) Tỉ số phụ thuộc vào công suất phát cùa phôtô điốt, vào chất lượng ghép nối, vào độ nhậy quang vào hệ số khuếch đại dòng tranzito N ếu điốt phát sáng thời gian dài, hệ sơ' liên kết bị giảm cơng suất ánh sáng phát xạ bị suy giảm Thời gian chuyển mạch cùa liên kết quang học cỡ micro giây Nếu phơtơ tranzito bị bão hòa, thời gian xác định điện dung phân cực colecto bazơ cùa phôtô tranzito mắc song song với điện trở tải Hiên tưọmg chuyển mạch điốt loại trừ, điện trở tải nhỏ Ngoài ra, phẩm chất ghép nối đặc trưng bằng: * T h ế phân lách', chiều cực đại cho phép lối vào lối (c hàng kV) * Điện t r ỏ điện dung phân cách phép (từ 0,1 đến pF) c ó thể sinh dòng rò phép vào có giá trị C ác loại ghép nối quang học Hình 7.17 cho thấy chủng loại khác cùa ghép nối - Bộ ghép nối quang học đ iố t - điố t (a): Dùng LED từ Ga AI A s điốt nhậy quang PIN Loại có thời gian chuyển mạch hàng chục ns, truyển dẫn c ó độ tuyến tính cao đến đểcade, tỉ số chuyển đổi lại thấp từ đến 10% Chúng hoạt động nhanh, truyển dẫn dải rộng với tạp âm nhỏ - Bộ ghép nối quang học điốt tr a m ito (h): Loại chiếm từ 80 đến 85% sô' lưọmg sản xuất, chùng loại nhiều Trong loại LED từ silíc phát xạ hổng ngoại có hiệu suất cao Tranzito planar c ó hệ số khuếch đại cao, linh kiện loại có tỉ số chuyển đổi nằm 50% 300% với tạp âm hoàn toàn chấp nhận Ngược lại, độ nhanh nằm xung quanh Jis, dải truyền bị thu hẹp nhiểu - Bộ ghép nối quang học đ iố í p h tơ darlin^ton (í ) Lối vào LED, lối phôtô tranzito mắc theo kiểu darlington để tãng hộ số khuếch đại dòng Tỉ số chuyển đổi nằm khoảng từ 300 đến 800% thời gian chuyển mạch vào khoảng 50^s; Dải thông không vượt 30 kHz với độ ồn cho phép Bộ ^hép nối đ iố t - tria c {d) Lối vào ln LED silic hồng ngoại lối triac khởi phát nhờ thông lượng phôton phát từ LED Loại linh kiện sử dụng để thay th ế cho rơ le tĩnh; chẳng hạn để điều khiển đèn chiếu sáng mơtơ cách biệt hồn tồn với nguồn điên Linh kiện khởi phát tín hiệu có dV/dt > 30V /m s Bộ ghép nối điố t - đ iố t tr a m ito (e) Loại giành ch o ứng dụng cao tần đến tận dải MHz 116 LED c ó cấu tạo từC iaA lA s nên hoạt động nhanh hiệu suất cao Lối phôtô điốt PIN tranzito cao tần Tỉ suất chuyển đổi 30% Phần thu Phần phát u A phôtô-điốt phôtô-tranzito o phơtò-darlington - o opto-íriac phơlơ-điỐl-lranzilo u - o điốt-dao điện logic T T L (0 H in h 7.17 C ác chùng loại ghép nối quang học ■ Bộ ghép nối đ iố t - d a o diện đ iổ t logic tương thích LSTTL/TTL (f) Linh kiện thực theo công nghệ nhanh có thời gian truyền nhanh khoảng 40/45 ns với tỉ ỉệ chuyển đổi 600% Linh kiện sản xuất để sử dụng mạch số có tốc độ hoạt động nhanh 117 7.4 ĐIỐT LASER 7.4.1 Điều kiện cho xạ Laser Như biết, đế vật liệu bán dảii phát tia sáng kêì hợp (tia sáng laser) ihì cần phải cho điện lử chuyển dời từ trạng thái bị chiếm vùng dẫn xuống trạng thái trống vùng hóa trị Sự chuyển dời Iiày kèm theo xạ phổton Sự bức-xạ thực bởi: * Chính điện tử; dó xạ tự động * Do phơton có lượng gãy ra; xạ kích thích Trong hai trường hợp phơton phát xạ khơng có nàng lượng mà có véc tơ sóng pha phốton kích thích Như tia sáng phát tia sáng kê't hợp có độ tán xạ khơng gian nhỏ Nhưng để điện tử trạng thái bị chiếm vùng dẫn cần phái cung câp lượng cho nó; tức phải: * Thực đảo mức * Làm cho vật liệu có tái hợp xạ trực tiếp hạt tải dư * Thực vùng hoạt động mà tái hợp xạ có tính chất quang học hốc cộng hường laser (kích thước khống 100 X 10 X 0,2 * Phun vào hốc cộng hưởng lượng lớn hạt tái dư; tức tăng mật độ dòng vùng (từ 10^ đến lO"* A/cm"); tức phải tạo dòng điện hàng chục miliampe chạy qua diốt 7.4.2 Ngưỡng kích thích Sự phát xạ tia sáng phụ thuộc kích thích vùng chuyển tiếp, có nghĩa phụ thuộc vào dòng kích thích cường độ sáng tổng cộng (gồm xạ kích thích xạ tự động) Hình 7.18 ch o thấy thay đổi thơng lượng sáng theo mật độ dòng kích thích Khi dòng kích ihích nhỏ, đảo mức chưu thực hiện; xạ tự dụng xuất Khi mật dộ dòng đạt giá trị ngưỡng J|h xạ laser ii khởi phát Thời gian sống hạt tài trớ nên rât nhỏ tồn dòng điện bị dồn vào miền mà xạ kích thích sản sinh Miển dó gọi miền hoạt động Với miền hoại động có chiều dầy d đồng chất đầy hốc cộng hưởng quang học người la tìm Ihấy: Jth 1,1, J qd pị,: thời gian sống phôton hốc cộng hướng ĩ ỉ i n h 7.18 Ngưởng kich thích: ỉ - Bức xạ tự động; 2- Bírc xạ kích thích: i - D ao động d uy trì quang học; thời gian sống điện tử ch ế độ xạ tự động; K: sơ' ti lê 118 TnÌiu vậy, dòng ngưỡng tỉ lệ nghịch với thời gian sống hạt tải phôton hốc cộ n g hướng lascr Nếu dòng kích thích lớn dòng ngưỡng, cường độ tia sáng phát xạ tỉ lệ với sô' dư dòng so với giá trị ngưỡng (đoạn dường cong kích thích) rrên thực tế, ch ế dộ dơn mởt thu dòng kích thích lân cận vùng ngưỡng Khi d òn g kích thích lớn nhiều so với dòng ngưỡng, diốt chuyến nhanh sang c h ế độ đa mốt, lúc luìy vùng hoạt dộng khơng Thòi ỊỊÌan trả lòi tần sỏ' cất Vì lia sáng phát xạ tỉ lệ với dòng phun Irong vùng chuyên tiếp dải giá trị tương đối lớn, nên diối lascr ưa dùng đế điều ch ế tín hiệu tương lự Tần s ố cắt dược xác định bới ihời gian sống hạt tải không bán phun vào vùng hoạt động cùa vùng chuyển tiếp Trong diốt lascr, xạ kích thích làm giảm đáng kể thời gian sống hạt tải này, tần sỏ' cắt cúa điều ch ế có thê cao, cao nhiều tần số cắt cùa điốt LED (có Ihế dạt dốn vài CiHz) Khi ta tác dụng xung dòng có biên độ đủ lớn để gây mồi xạ kích thích, có ihời hạn cõ lO'*^ giây đê’ chùm sáng laser xuất Thời hạn liên hệ mật thiết với thời gian sông phát xạ hạt tải không mật độ dòng J điốt bàng hộ thức: tj = T,log irong : J,t, mật độ dòng ngưỡng Cơitg nghệ chẻ tạo điốt laserD H Cấu trúc điốt laser cho hình 7.19a Đ ể giảm cường độ dòng ngưỡng, người ta tập trung dòng thiết diện hẹp, phỏton tập trung thể tích nhò Đ ế thực mục tiêu này, có nhiều cấu trúc thực thi; ta mô tà công nghệ ch ế tạo diốt laser có chuyên tiếp dị tinh thế’ kép (DH) Trên đ ế bán dần loại N pha tạp mạnh (để giảm điện trở nối tiếp), người ta chồng lớp bún dản khác nhau, lớp có vai trò riơng Ilai lớp giam tia sáng quang học Ga^Al|.^As loại N p làm khung chắn giữ cho vùng hoạt động; lớp bán dần GaAs loại p có độ dầy khoảng từ 0,1 đến 0,3 J.UĨ1 Điện tử bị giam vùng hoại động nhờ khác chiéu cao độ rộng vùng cấm hai bán dẫn Ga^Al |_xAs (x = 0.7; Ej, # l,9 e V ) GaAs (l,4 e V ) Hai lớp Ga^Al i.^As tạo nên hàng rào ngăn cản lỗ trống điện tử khuếch tán ngồi vùng GaAs Vì tái hợp phát xạ xáy hoàn loàn lớp GaAs loại p Phôton xuất trình tái hợp gây bị giam lớp hoạt động, chiết quang ciia lớp Ga^ịAl |_^As nhỏ GaAs Sự khác chiết quang liên hệ với X hệ thức An = 0,62x Từ suy phòlon bị giam mơi trường chiết quang mạnh hơn, sợi quang học 119 + Vùng bắn phá protor Kim loại o SÌO2 Epp Ev o 00° ® r GaAs(P) i GaAIAs(P) 'i ' ^ • b) Điốt chưa phân cực GaAs(P) GaAIAs(P) : GaAs GaAIAs(N) : GaAIAs(N) l o ọf ọ \p X 0 GaAs(N) Đế • Epp Ev ĩ L 0 ®® FN J )00 ^ ì Kim loại c) Điốt laser phân cực a) Cấu tạo H ìn h 7.19 C ấu trúc giàtt ciắ nảỉỉg lượng củơ cỉiổt iaser DH Người ta giảm dòng ngưỡng nhờ việc tăng điện trở cùa phần thiết diện dẫn vùng chuyển tiếp Đ iều thực cách bắn phá prơton phần mạng tinh thể, nhò vây làm giảm độ linh động tức làm giảm độ dẫn điên vùng hoạt động, vùng bảo vệ khỏi bị bắn phá giữ nguyên độ dẫn diện tốt Hệ thống vừa mô tả phát tia sáng laser với bước sóng |im Các điốt laser dùng thơng tin sợi quang có bước sóng nằm khoảng từ ,1 đến 1,6 J.im thường cấu tạo từ hợp chất nguyên tố: Ga,In|.^PyAS|.y/ InP cách thay đổi c c thông s ố X y c ó thể thực hiơn phù hợp m ạng m ột cách hoàn hảo m ột đ ế InP, nhờ thực chuyển tiếp dị tinh thể hồn tồn khơng có ràng buộc ch ế phát sinh tái hợp không phát xạ Một máy phát liên lạc viễn thông laser với sợi quang, ánh sáng phát phải có bước sóng tập trung cửa sổ suốt có độ tán sắc nhỏ, măt khác phải có độ liên kết tốt máy phát vối sợi quang (thường có đường kính từ vài m icro mét đến vài tràm fim) Nguyên tắc ghép nối điốt laser với sợi quang cho hình duới đây: 120 Sợi quang \ \ Điốt laser H itih 7.20 Gltép ítiổt iascr vài sợi íỊiiun^ 7.5 MÁY PHÁT LASER CHO CỬA s ổ THỨ NHẤT (TỪ 0,8 ụm ĐÊN 0,9nm) Trong dải sóng này, sợi quang làm SÌO2 có độ suy giảm lừ đến 4dB/km Các linh kiện phái sáng GaAỈ As có hiệu suất lượng tử cao: LED có bước sóng nằm khỗng 62 880 nm diốt laser có bước sóng nàm 780 880 nm (im GaAs-P AIGaAs-P AlGaAs lớp hoạt động AIGaAs-N GaAs-N H in h 7.21 Cấti tựo ctia laser iĩa m oỉ cúc hước sỏtiỊị ĩ 820 đến SHOtim 7.5 Lascr đa mốt hướng sóng nhờ lớp vỏ Laser dược cấu tạo từ đ ế GaAs có độ sai hỏng mạng thấp (< 10/cm*) Trẽn đ ế này, người ta tạo lớp epitaxie từ G aA l As mà nồng độ AI xác định dải nãng lượng chi sô phán xạ Hình 7.21 mơ tả cấu tạo laser đa mốt hướng sóng nhờ lớp vỏ, Sự tập trung mật dộ dòng điện dải cho phép xác dịnh hốc cộng hưởng laser thực cách bấn phá proton lớp phía bên trơn tận đầu mút lớp hoạt động Như vậy, măt xử lý đế trớ thành bán cách diện chi để trừ dải rộng SU Ô I dọc theo toàn chiều dài cùa linh thể Sự chẻ thớ mặt tinh thể cho phép phản xạ phôton lớp hoạt động Tỉ lệ phản xạ khống 30% dùng để kích thích hạt tải sản sinh tái hợp xạ đồng Tuy nhièn, khuếch đại ánh sáng xạ kích thích thực giá trị mật độ dòng điện vượt q giá trị ngưỡng Dưới giá trị ngưỡng tinh thể hoạt động L E D thơng thường Chí sơ' phản xạ lớp nhỏ số phản xạ lớp 2, nên ánh sáng bị giam i 6l k b c m w uttiỊ ctiu ỉasư! nhờ chỉct suấl \ (fi hước sỏtt^ 780 lim Hướng sóng nhờ lớp vò Hướng sóng nhờ chiết suâì 820 đến 880nm 780nm 4nm Inm 65m A 50mA Đặc trưng cúa chùiĩi so với ±17" ±6" laser tinh thể ±25" ±17" |.im |am Bước sóng Đ ộ rộng phổ nửa độ cao Dòng ngưỡng Đ loan thi a i Đa tnỏr; b) Dơn mót MÁY PHÁT LASER CHO CÁC CỬA s ổ THỨ VÀ VỚI B c SĨNÍÌ 1,3 VÀ 1,5 Các sợi quang SiO-> có độ linh khiết lớn suy hao mát gam bước sóng 1,3 (im nhó nhiều miển cửa sổ xung quanh 0,8 íim Vì vậy, máy phát laser cho miền cửa sổ thứ thứ thích hợp với loại sợi quang Một ưu việt khác miền sóng tán sắc phụ thuộc bước sóng chiết suất (tán sắc vật liệu) 122 90VIMACH.B ỉấi nhỏ Người la thấy rằng, irong sợi quang có lảm SiO-t lán sắc vật liệu không ánh sáng truyền bước sóng 1,27 |im Chính mà phần lớn cơng trình nghiên cứu linh kiện có bước sóng lớn trước tiên đề cập đến bước sóng 1,27 Ịim này, đậc biệt lình vực viẻn ihòng khoảng cách lớn lưu lượng cao Gần đây, nhờ c h ế lạo sợi quang có độ cực cao chài lượng lớn, nên mấl mái độ suy giám VI bước sóng lớn giảm bớt nh ều Nhờ loại bỏ gốc lự OH trình sán xuất, sợi quang dùng cho bước sóií‘ĩ có độ mál chi khống 0,6 ciB/km 0,2 dB/km dối với bước sóng 1,55 ịim 7.7 SỢI QUAN(Ỉ VÀ NGUYÊN TẮC TRUYỂN ánh SẢN( ỉ t r o n g sợ i q u a n g 7.7.1 Nguyên íác truyền sáng sựi quang Sợi quang phương tiện truyền dẫn N ó cấu tạo mơi trường thứ kích thước nhỏ có sơ khúc xạ nA gọi lâm quang Bao xung quanh tàm quang lớp vỏ hay gọi “áo” cùa sợi quang có chi sô' khúc xạ nB Chiết suất nhẩy bậc Mốt truyền Hiệu i ăng tiêu biểu Đa mốt 10 đến 100 MHz-km Hr Ha J23 Trong sợi quang, tia sáng truyéii theo góc theo mốt khác Có hai loại sợi quang sợi quang đa mơì sợi quang dơn mốt Trong sợi quang đơn mốt, thỉ đường kính lâm độ mở số đủ nhò đc chi cho phép truyền mốt Trong sợi quang đa mốt, người ta phân hiệt hai loại: loại có chiêì suất thay đổi đột ngột loại có chiết suất thay đổi theo kiểu gradient Các sợi quang có chiết thay đổi nháy bậc có làm tạo thành (ừ vặi liệu dóng phương diện quang học, mặt phân cách lâm vỏ chiết suấl thay dổi nhẩy bậc từ đến lìQ Các sợi quang với chiết suất gradient có tâm dược lạo ihành vậí liệu khơng đồng có chiêì suất giảm dần cách đạn từ trục sợi quang đến mặt phủn cách cho lại chiết suất vần lớn chiết suất lớp vò lỉình 7.24 cho thấy ba loại sợi quang chủ yếu Mất mál truyền dẫn sợi quang phụ ihuộc vào bước sóng ánh sáng Sự mál có ba miền dặc trưng có mát bé biểu diẻn irên hình 7.25 Mỗi miền gọi “cửa s ổ ” Như ta có ba cửa sổ khác phương diện truyền ánh sáng irong sợi quang: Cửa sổ thứ đà nói có bước sóng xung quanh ,8 |im; cửa số thứ hai 1,3 |.im; cửa sổ thứ ba 1,55 Ịim Các “pic” irên hình vẽ hấp thụ lạp chất có sợi quang 7.7 G ó c ITIƯ s ò c n g s u ấ t p h u n Các tia sáng Cửa sổ í sợi quang đa mơì Cửa sổ 2® Cửa sổ 3* truyền nhờ phản xạ mặt phàn cách tâm với vỏ Chỉ lia sáng có góc tới so sánh với góc lới hạn (-R ia phàn xạ tồn phân (hình 7.26) Góc lới hạn xác định từ hệ thức sau đảy: =arcsin nị -nị Hệ thức góc tới tia tới xuyên vào tâm sợi quang góc tơl hạn 0( R jd H ìn h 7.25 Sự tliciY d ổ i cù a s ự SIIV ỵĩcini ilieo h c só n g tro n g sợi qiiaiiỵ SÌI10 = ii.xSÌii6(|< góc đặc thu nhận ánh sáng = n,„ Đ ộ mở số ON sợi quang sin góc mở cực đại tất tia sáng phản xạ mạt phân cách tâm vỏ: 124 mà góc Với dịnh nghĩa ta tính độ mở số: ON = sin ^ ,, ON = n sin 0C-R ON = + n n V"A Cõng suất phun irong sợi quang, bắi đầu lừ nguồn phát phụ ihuộc vào bề mặt phái xạ cửa nó: * Nếu mật phát xạ nhỏ mặt cắt ngang lâm tiếp xúc tốt với nó, Góc đặc thu quang cơng suất liên kết Q sợi quang với chiết suất nhẩy bậc dược tính sau: / :> Tt" D e“ Ro O N ' H in h 7.26 Đ ịnh nghĩa góc tới Ịiợtt ỡ(^Ịị dó: l)c dường kíiih cúa niặ! phái \ạ; Ro lượng chiếu sáng irong irục Nếu đường kính tâm Dc nhỏ De ihì ta có: n‘ Oc = Dc^Ro ON^ 7.7.3 Các đạc trưng sợi quang Sợi quang đa mốt với chiết suất nhẩy bậc - Đường kính tâm; 100 đến 200 I^m - Lớp vỏ: đến 0 um - Kích thước chuẩn; 100 X 140 Ịim - Sỏ mốt liên tiếp truyền sợi quang lớn Sự tán sắc hạn ch ế băng truyển khoảng 10 100 MHz.km với độ mát từ đến 10 dB/km - Độ mở số: ,1 đến 0,20 Sợi quang đa mốt vứi chiết suất thay đổi gradient - Đường kính tâm: 50 Ịim; vỏ: 125 - Các tia sáng chiếu xiên truyền di nhanh tia sáng gần tâm đường truyển dài Như độ tán sắc giảm bớt mốt Giải thơng đạt đến khoảng từ 200M H z đến GHz với độ mát từ đến dB/km - Độ mở số: 0,25 Sựi quang dơn mốt - Đường kính tâm từ đến |im; lớp vỏ: 125 f.inn - Đường mở số thu nhỏ (0,03) có mốt truyén sợl quang V ì sợi quang khơng c ó độ tán sắc mốt Dải thơng lớn nhất, lớn 10 GHz.km với độ mát từ 0,2 đến 0,5 dB/km Các cửa sổ sử dụng Các sợi quang đa mốt chủ yếu sử dụng để truyền ánh sáng cửa sổ thứ nhất; sợi quang đơn mốt dùng để truyền loại sóng ánh sáng cửa sổ thứ hai thứ ba 125 ... cấm 1.5 BÁN DẪN CÓ TẠP CHẤT N ồng độ hạt tải bán dẫn thay đổi cách đáng kể chúng pha tạp nguyên tử tạp chất Sự phụ thêm nguyên tử tạp chất đưa bán dẫn thành loại bán dẫn c ó tạp chất Bán dẫn này,... liệu bán dẫn giảm nhiệt độ tăng số điên tử giải phóng từ vùng hóa trị lên vùng dẫn tăng theo nhiệt độ 1.3 ĐIỆN TỬ VÀ LỖ TRỐNG TRONG BÁN DẪN Trong chất bán dẫn, nhiệt độ T ròng OK, vùng dẫn vùng... lo'’ nguyên tử bán dẫn) Các nguyên tử pha tạp chọn từ nguyên tử nhóm III nhóm V báng tuần hồn ngun tơ' hóa học Nếu ngun tử nhóm III ta thu bán dẫn pha tạp loại p, bán dẫn loại N bán dẫn pha tạp