Tính chất đặc trưng và một số ứng dụng của các linh kiện bán dẫn thu tín hiệu quang

LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa Vật lý, các thầy giáo, cô giáo trong khoa Vật lý đã nhiệt tình giảng dạy, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và rèn luyện tại trường Đại học Vinh. Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn TS. Lưu Tiến Hưng đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và làm khoá luận tốt nghiệp này. Cuối cùng tôi xin cảm ơn các bạn sinh viên trong tập thể lớp 47B khoa Vật lý và gia đình đã động viên, tạo mọi điều kiện giúp tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Vinh, tháng 5 năm 2010 Vũ Văn Nam 1 MỤC LỤC Trang Mở đầu 4 Chương I. Giới thiệu chung về họ linh kiện bán dẫn thu quang 6 1.1. Khái niệm 6 1.2. Phân loại 6 1.2.1. Phân loại theo nguyên lý hoạt động 6 1.2.2. Phân loại theo vùng sóng bức xạ quang 7 1.3. Các vật liệu chế tạo các linh kiện thu quang 8 1.3.1. Các vật liệu bán dẫn và detector ứng dụng thông tin đường dài 9 1.3.2. Các mạng địa phương 10 1.3.3. Detector ảnh nhiệt thu sóng dài 10 1.3.4. Các detector tốc độ cao 11 Kết luận chương 11 Chương II. Một số thông số đặc trưng của họ linh kiện 12 bán dẫn thu quang 2.1. Sự hấp thu quang trong chất bán dẫn 12 2.1.1. Quá trình hấp thu quang trong bán dẫn có vùng cấm thẳng 12 2.1.2. Quá trình hấp thu trong bán dẫn có vùng cấm không thẳng 13 2.2. Hiệu suất lượng tử và độ nhạy phổ 15 2.2.1. Hiệu suất lượng tử 15 2.2.2. Độ nhạy phổ 16 2.3. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu và độ phân giải 18 2.4. Thời gian đáp ứng 19 Kết luận chương 22 2 Chương III. Linh kiện bán dẫn thu tín hiệu quang điển hình 23 3.1. Quang trở 23 3.1.1. Cấu tạo 23 3.1.2. Nguyên lý hoạt động 24 3.1.3. Các đặc tuyến quan trọng của quang trở 26 3.1.4. Các đặc trưng của quang trở 27 3.1.5. Ứng dụng của quang trở 30 3.2. Photodiode 32 3.2.1. Cấu tạo 32 3.2.2. Nguyên lý hoạt động 33 3.2.3. Các đặc trưng cơ bản của photodiode 36 3.2.4. Ứng dụng của photodiode 40 3.3- Pin mặt trời 43 3.3.1. Cấu tạo 43 3.3.2. Nguyên lý hoạt động 44 3.3.3. Sơ đồ tương đương của pin mặt trời 45 3.3.4. Các tham số đặc trưng của pin mặt trời 47 3.3.5. Hiệu suất biến đổi quang điện của pin mặt trời 47 Kết luận chương 49 Kết luận 50 Tài liệu tham khảo 51 3 MỞ ĐẦU Để đáp ứng nhu cầu phát triển ngày càng nhanh của công nghệ thông tin cũng như các lĩnh vực khoa học khác nhau, kỹ thuật quang - điện tử nói chung và đặc biệt hơn đó là công nghệ nghiên cứu và ứng dụng các thiết bị, linh kiện phát và thu quang trong hệ thống thông tin quang đã có những bước phát triển mạnh mẽ và đạt được những thành tựu nổi bật . Các tính chất đặc trưng bên các linh kiện thu tín hiệu quang như: độ nhạy, chất lượng thu tín hiệu, sự phát sinh nhiễu…có tính quyết định tới tất cả hệ thống thông tin quang. Do đó việc nghiên cứu các linh kiện bán dẫn thu tín hiệu quang có vai trò và ý nghĩa rất lớn trong hệ thống thông tin quang. Từ những lý do trên mà chúng tôi đã chọn đề tài: “Tính chất đặc trưng và một số ứng dụng của các linh kiện bán dẫn thu tín hiệu quang”. Mục đích của đề tài chính là tìm hiểu các đặc điểm, tính chất của một số linh kiện bán dẫn thu tín hiệu quang. Từ đó nêu lên ứng dụng của chúng trong thực tiễn. Bằng phương pháp nghiên cứu các tài liệu, sách, giáo trình, các website… có liên quan đến các linh kiện bán dẫn trong hệ thống thông tin quang kết hợp với sự hướng dẫn, sửa đổi tận tình của giáo viên hướng dẫn tôi đã hoàn thành khóa luận với bố cục như sau: Chương I: Giới thiệu chung về họ linh kiện bán dẫn thu tín hiệu quang. Trong chương này, chúng tôi trình bày khái quát về họ linh kiện bán dẫn thu tín hiệu quang gồm các đặc điểm như: khái niệm, cách phân loại, các vật liệu dùng để chế tạo các linh kiện thu tín hiệu quang. Chương II: Một số thông số đặc trưng của họ linh kiện bán dẫn thu quang. Trong chương này, chúng tôi trình bày một số thông số đặc trưng cơ bản của các linh kiện thu tín hiệu quang đó là: sự hấp thụ quang trong chất bán dẫn, hiệu suất lượng tử và độ nhạy, tỷ số tín hiệu trên nhiễu và độ phân giải. 4 Chương III: Các linh kiện bán dẫn thu tín hiệu quang. Đây là phần nội dung chính của khóa luận, trình bày tóm tắt các đặc điểm về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và một số ứng dụng của một số linh kiện thu quang như: quang trở, photodiode và pin mặt trời. Khóa luận được kết thúc bằng phần kết luận, nêu tóm tắt những kết quả đã đạt được và danh mục các tài kiệu tham khảo. Mặc dù đã có nhiều cố gắng để khóa luận đạt được kết quả tốt nhất, song do trình độ và thời gian còn hạn chế do đó không thể tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy, cô giáo cùng các bạn sinh viên cũng như những ai quan tâm đến đề tài này để khóa luận ngày càng được hoàn thiện hơn. Sau đây là phần nội dung chính của khóa luận 5 CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN THU QUANG 1.1. Khái niệm Các photodetector là tên gọi chung của các linh kiện thu, tách tín hiệu quang, đo thông lượng hay công suất tín hiệu quang bằng cách chuyển đổi năng lượng các photon bị hấp thụ sang các dạng năng lượng khác có thể đo được như: nhiệt năng, quang năng, điện năng,… Ngoài ra, người ta còn gọi loại linh kiện này với một tên chung khác nữa là sensor quang: là các dụng cụ nhạy với các bức xạ quang, chúng thu nhận, biến đổi các tín hiệu quang thành tín hiệu điện. 1.2. Phân loại 1.2.1. Phân loại theo nguyên lý hoạt động Dựa trên nguyên lý hoạt động của các linh kiện có thể phân ra hai họ linh kiện với tên thường dùng là: các detector nhiệt và detector quang điện [1]. 1.2.1.1. Các detector nhiệt Các detector nhiệt hoạt động bằng cách chuyển đổi năng lượng photon sang nhiệt. Hoạt động của các detector nhiệt khá chậm vì quá trình chuyển đổi từ năng lượng photon sang nhiệt cần có một thời gian, trong khi đó các ứng dụng ở lĩnh vực quang điện tử cần các quá trình chuyển đổi xảy ra rất nhanh, vì vậy chúng không có vai trò lớn trong lĩnh vực này. 1.2.1.2. Các detector quang điện Các detector quang điện hoạt động trên nguyên lý chuyển đổi hiệu ứng quang điện, ở đó sự hấp thụ photon bởi vật liệu bán dẫn tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống tạo ra tín hiệu quang điện dưới dạng dòng điện hay điện thế có thể đo được. Hiệu ứng quang điện có 2 đặc trưng: Hiệu ứng quang điện ngoài và hiệu ứng quang điện trong. Hiệu ứng quang điện ngoài bao gồm quá trình phát xạ điện tử từ bề mặt vật liệu khi bị chiếu sáng, còn hiệu ứng quang điện trong chính là quá 6 trình quang dẫn, ở đó các hạt tải bị kích thích không bứt ra khỏi vật liệu mà vẫn ở trong lòng vật liệu bán dẫn. Khi chiếu một photon có năng lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm vào bề mặt bán dẫn thì quá trình hấp thụ photon xảy ra. Khi hấp thụ một photon, một điện tử được kích thích từ vùng hóa trị lên vùng dẫn để lại trong vùng hóa trị một lỗ trống, ta nói photon đã tạo ra một cặp điện tử - lỗ trống khi có trường điện đặt vào linh kiện sẽ có sự chuyển dời các điện tích về 2 cực tạo ra dòng điện ở mạch ngoài, dòng điện này được gọi là dòng quang điện. Bình thường một photon chỉ có thể tạo ra một số cặp điện tử - lỗ trống nghĩa là với một lượng photon xác định chỉ có thể tạo ra một dòng điện xác định. Tuy nhiên có một số loại linh kiện thu quang có khả năng hoạt động với cơ chế khuếch đại bên trong nghĩa là dòng quang điện có khả được năng khuếch đại lên nhiều lần do một số cơ chế đặc biệt của detector tạo ra. Linh kiện điển hình có khuếch đại trong các photodiode thác lũ (APD), quang trở… Các detector quang điện có ứng dụng rất rộng rãi trong thông tin quang, trong đo lường, biến đổi tín hiệu và trong tự động hóa… 1.2.2. Phân loại theo vùng sóng bức xạ quang Vùng sóng bức xạ quang mà các photodetector hoạt động nằm trong dải bức xạ của ánh sáng nhìn thấy (0,38 – 0,78 µm), vùng hồng ngoại gần và một phần vùng hồng ngoại trung (0,78 – 15 µm). Tuy nhiên trong thực tế có nhiều linh kiện thu quang có khả năng thu được cả ánh sáng nhìn thấy và bức xạ hồng ngoại nên khó có thể xác định linh kiện đó nhạy tại bước sóng nào. Đôi khi người ta phân chia photodetector ra các họ như: họ linh kiện thu quang ánh sáng nhìn thấy, detector nhạy ở 3 cửa sổ ở trong vùng hồng ngoại (IR), detector ảnh nhiệt (detector nhạy trong vùng từ 3 – 12 µm), các linh kiện thu các bức xạ laser ở vùng 1,3 µm và 1,55 µm. Như vậy tùy theo cách phân loại mà họ các linh kiện thu quang phân chia nhiều loại khác nhau. Ngày nay các linh kiện thu quang với cấu trúc giếng lượng tử hay tổ hợp các cấu hình quang điện tử hiện đại với cấu hình phức tạp đang được phát triển rất mạnh mẽ và được sử dụng ngày càng rộng rãi. Họ các linh kiện thu quang bao gồm: 7  Tế bào quang điện chân không, bộ phận quang điện.  Quang trở.  Các loại photodiode.  Lưới hay ma trận photodiode.  Phototransistor.  Photothyristor.  Photo FET.  Các cấu hình photodiode giếng lượng tử, các detector IR.  Các detector ảnh nhiệt (thermal detector).  Các mạch tích hợp thu phát quang điện tử (OEIC). 1.3. Các vật liệu chế tạo các linh kiện thu quang Về cơ bản các linh kiện thu quang đều dựa trên các vật liệu bán dẫn có thể chuyển đổi từ tín hiệu quang sang tín hiệu điện. Những vật liệu thường được dùng trong chế tạo linh kiện thu quang là: Si, Ge, PbSe, InSe, CdSe, GaAs, HgCdTe…và tổ hợp của chúng (hình vẽ 1.1). Các vật liệu bán dẫn được sử dụng để chế tạo photodetector hoạt động tại các dải sóng quang khác nhau và nhiệt độ khác nhau. Trong cấu trúc các linh kiện thu quang thường bao gồm vật liệu bán dẫn làm đế và vật liệu màng để làm detector trên đó. Về các vật liệu đế [1]: công nghệ bán dẫn ngày nay, chỉ có một số vật liệu bán dẫn làm đế là: Si, GaAs, Ge và InP. Các vật liệu bán dẫn khác cũng có thể được sử dụng nhưng với kích thước rất nhỏ do công nghệ chế tạo chưa phát triển hoặc mật độ sai hỏng trong mặt đế còn khá cao, hoặc đơn giản chỉ là thành phần rất đắt tiền. Do đó, việc chế tạo các linh kiện thu quang theo ý muốn gặp không ít khó khăn. Về các vật liệu màng bán dẫn [1]: trên các vật liệu đế, các vật liệu màng bán dẫn thường được nuôi bằng kỹ thuật epitaxy và sau đó các linh kiện tích cực được chế tạo ra ở trên đó. Nhìn chung người ta cần nuôi các lớp epitaxy có hằng số mạng phù hợp với hằng số mạng của lớp đế. Tuy nhiên trong một số trường 8 hợp cũng có thể nuôi một lớp epitaxy không trùng hằng số với mạng nhằm gây ra các sai hỏng để làm bẫy gần vùng biên tiếp giáp. Hình 1.1. Các vật liệu bán dẫn được sử dụng để chế tạo các photodetector hoạt động tại các dải sóng quang khác nhau và nhiệt độ khác nhau [1]. Các chất bán dẫn dùng để chế tạo các linh kiện thu quang thường có cấu trúc vùng năng lượng dạng vùng cấm xiên. 1.3.1. Các vật liệu bán dẫn và detector ứng dụng thông tin đường dài Các photon sử dụng bước sóng 1,3 µm và 1,55 µm được ứng dụng rất rộng rãi trong thông tin đường dài vì mất mát đường truyền trong sợi quang là nhỏ nhất tại các bước sóng này. Các linh kiện thu cũng được chế tạo tương ứng để có độ nhạy với các bước sóng này. Các vật liệu GaAs không thể đáp ứng cho các đòi hỏi này vì bước sóng cắt của nó chỉ đạt đến cỡ 0,8 µm (hình 1.1). 9 Trong số các bán dẫn hợp chất thì hệ bán dẫn InGaAs, InGaAsP, GaAlSb, HgSdTe có thể nhạy với các bước sóng đã nêu ra, chúng có khả năng phát quang tại bước sóng 1,3 µm và 1,55 µm. Vật liệu làm linh kiện thu quang được sử dụng rộng rãi nhất là In 0,53 Ga 0,47 As, vật liệu hợp chất này có hằng số mạng phù hợp với InP rất tốt cho thông tin đường dài. Linh kiện thu quang chế tạo trên bán dẫn Ge cũng được sử dụng trong thông tin đường dài, loại vật liệu này được để làm photodiode thác lũ, nó có độ khuếch đại khá cao, khá nhạy song chỉ làm việc ở nhiệt độ thấp (77 0 K). 1.3.2. Các mạng địa phương Trong các mạng địa phương (LAN’ s ) tín hiệu quang thường dùng là do LED phát ra ở bước sóng 0,8 µm, linh kiện này chế tạo trên vật liệu GaAs, nhưng vì mục đích giá thành thấp nên người ta thường dùng linh kiện thu quang Si loại APD. 1.3.3. Detector ảnh nhiệt thu sóng dài Các photodetector được sử dụng trong lĩnh vực ảnh nhiệt để nhìn đêm và dùng trong y học…có dải bước sóng hoạt động khá rộng từ các bước sóng vài µm đến 20 µm. Các photodetector phục vụ cho mục đích này cần làm việc trên cơ sở các vật liệu bán dẫn có vùng cấm rất hẹp hoặc với sự trợ giúp của các mức sai hỏng có trong vùng cấm trên các cấu trúc dị chất. Trong các bán dẫn có vùng cấm hẹp, các vật liệu quang trọng được chọn là hợp chất bán dẫn HgCdTe, PbTe, PbSe, InSb. Các delector không thuần trên cơ sở vật liệu Si, Ge với việc cấy các ion tạp chất vào để có các sai hỏng trong vùng cấm phù hợp cũng được sử dụng nhiều. Các giếng lượng tử có một ứng dụng quan trọng là dùng để chế tạo loại detector hoạt động trên cơ sở giữa siêu vùng có các mức năng lượng khác nhau trong cấu trúc giếng lượng tử ở trong vùng dẫn. Công nghệ chế tạo vật liệu GaAs, AlGaAs có thể sử dụng tốt trong lĩnh vực này. 10