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, thầy giáo, cô giáo khoa Vật lý nhiệt tình giảng dạy, giúp đỡ suốt thời gian học tập rèn luyện trường Đại học Vinh Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn TS Lưu Tiến Hưng tận tình hướng dẫn tạo điều kiện giúp đỡ tơi q trình học tập làm khố luận tốt nghiệp Cuối xin cảm ơn bạn sinh viên tập thể lớp 47B khoa Vật lý gia đình động viên, tạo điều kiện giúp tơi suốt q trình học tập nghiên cứu Vinh, tháng năm 2010 Vũ Văn Nam M CL C Trang Mở đầu Chƣơng I i i thiệu h inh iện án n thu quang 1.1 Khái niệm 1.2 hân loại 1.2.1 hân loại theo nguyên lý hoạt động 1.2.2 hân loại theo vùng s ng xạ quang 1.3 Các vật liệu chế tạo linh kiện thu quang 1.3.1 Các vật liệu bán dẫn detector ứng d ng thông tin đường dài 1.3.2 Các mạng đ a phương 10 1.3.3 Detector ảnh nhiệt thu s ng dài 10 1.3.4 Các detector tốc độ cao 11 Kết luận chương 11 Chƣơng II M t s th ng s đ án trƣng h inh iện 12 n thu quang 2.1 S h p thu quang ch t bán dẫn 12 2.1.1 uá trình h p thu quang bán dẫn c vùng c m th ng 12 2.1.2 13 uá trình h p thu bán dẫn c vùng c m không th ng 2.2 Hiệu su t lư ng t độ nhạy ph 15 2.2.1 Hiệu su t lư ng t 15 2.2.2 Độ nhạy ph 16 2.3 T số t n hiệu nhi u độ phân giải 18 2.4 Thời gian đáp ứng 19 Kết luận chương 22 Chƣơng III Linh iện án n thu t n hiệu quang điển hình 3.1 uang trở 23 23 3.1.1 C u tạo 23 3.1.2 Nguyên lý hoạt động 24 3.1.3 Các đ c tuyến quan trọng quang trở 26 3.1.4 Các đ c trưng quang trở 27 3.1.5 30 ng d ng quang trở 3.2 Photodiode 32 3.2.1 C u tạo 32 3.2.2 Nguyên lý hoạt động 33 3.2.3 Các đ c trưng photodiode 36 3.2.4 ng d ng photodiode 40 3.3- in m t trời 43 3.3.1 C u tạo 43 3.3.2 Nguyên lý hoạt động 44 3.3.3 Sơ đ tương đương pin m t trời 45 3.3.4 Các tham số đ c trưng pin m t trời 47 3.3.5 Hiệu su t biến đ i quang điện pin m t trời 47 Kết luận chương 49 Kết uận 50 Tài iệu tham hảo 51 MỞ ĐẦU Để đáp ứng nhu cầu phát triển ngày nhanh công nghệ thông tin lĩnh v c khoa học khác nhau, kỹ thuật quang - điện t n i chung đ c biệt đ công nghệ nghiên cứu ứng d ng thiết b , linh kiện phát thu quang hệ thống thông tin quang c bước phát triển mạnh mẽ đạt đư c thành t u n i bật Các tính ch t đ c trưng bên linh kiện thu t n hiệu quang như: độ nhạy, ch t lư ng thu t n hiệu, s phát sinh nhi u…c t nh đ nh tới t t hệ thống thông tin quang Do đ việc nghiên cứu linh kiện bán dẫn thu t n hiệu quang c vai trò ý nghĩa r t lớn hệ thống thông tin quang Từ lý mà chọn đề tài: “T ts t ut u qu tđ tr v ” M c đ ch đề tài ch nh tìm hiểu đ c điểm, t nh ch t số linh kiện bán dẫn thu t n hiệu quang Từ đ nêu lên ứng d ng chúng th c ti n Bằng phương pháp nghiên cứu tài liệu, sách, giáo trình, website…c liên quan đến linh kiện bán dẫn hệ thống thông tin quang kết h p với s hướng dẫn, s a đ i tận tình giáo viên hướng dẫn tơi hồn thành kh a luận với bố c c sau: Chƣơng I: i i thiệu h inh iện án n thu t n hiệu quang Trong chương này, trình bày khái quát họ linh kiện bán dẫn thu t n hiệu quang g m đ c điểm như: khái niệm, cách phân loại, vật liệu dùng để chế tạo linh kiện thu t n hiệu quang Chƣơng II: M t s th ng s đ trƣng h inh iện án n thu quang Trong chương này, chúng tơi trình bày số thơng số đ c trưng linh kiện thu t n hiệu quang đ là: s h p th quang ch t bán dẫn, hiệu su t lư ng t độ nhạy, t số t n hiệu nhi u độ phân giải Chƣơng III: Cá inh iện án n thu t n hiệu quang Đây phần nội dung ch nh kh a luận, trình bày t m tắt đ c điểm c u tạo, nguyên lý hoạt động số ứng d ng số linh kiện thu quang như: quang trở, photodiode pin m t trời Kh a luận đư c kết thúc phần kết luận, nêu t m tắt kết đạt đư c danh m c tài kiệu tham khảo M c dù c nhiều cố gắng để kh a luận đạt đư c kết tốt nh t, song trình độ thời gian cịn hạn chế đ tránh khỏi thiếu s t R t mong nhận đư c ý kiến đ ng g p thầy, cô giáo bạn sinh viên quan tâm đến đề tài để kh a luận ngày đư c hoàn thiện Sau phần nội dung ch nh kh a luận CHƢƠNG I IỚI THIỆU CHUN VỀ CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN THU QUAN 1.1 Khái niệm Các photodetector tên gọi chung linh kiện thu, tách t n hiệu quang, đo thông lư ng hay công su t t n hiệu quang cách chuyển đ i lư ng photon b h p th sang dạng lư ng khác c thể đo đư c như: nhiệt năng, quang năng, điện năng,… Ngoài ra, người ta gọi loại linh kiện với tên chung khác sensor quang: d ng c nhạy với xạ quang, chúng thu nhận, biến đ i t n hiệu quang thành t n hiệu điện 1.2 Phân oại 1.2.1 P â oạ t eo uyê ý oạt đ D a nguyên lý hoạt động linh kiện c thể phân hai họ linh kiện với tên thường dùng là: detector nhiệt detector quang điện [1] 1.2.1.1 Các detector nhiệt Các detector nhiệt hoạt động cách chuyển đ i lư ng photon sang nhiệt Hoạt động detector nhiệt chậm trình chuyển đ i từ lư ng photon sang nhiệt cần c thời gian, đ ứng d ng lĩnh v c quang điện t cần trình chuyển đ i xảy r t nhanh, chúng khơng c vai trị lớn lĩnh v c 1.2.1.2 Các detector quang điện Các detector quang điện hoạt động nguyên lý chuyển đ i hiệu ứng quang điện, đ s h p th photon vật liệu bán dẫn tạo c p điện t lỗ trống tạo t n hiệu quang điện dạng dòng điện hay điện c thể đo đư c Hiệu ứng quang điện c đ c trưng: Hiệu ứng quang điện hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện bao g m trình phát xạ điện t từ bề m t vật liệu b chiếu sáng, hiệu ứng quang điện ch nh trình quang dẫn, đ hạt tải b k ch th ch không bứt khỏi vật liệu mà lòng vật liệu bán dẫn Khi chiếu photon c lư ng lớn lư ng vùng c m vào bề m t bán dẫn trình h p th photon xảy Khi h p th photon, điện t đư c k ch th ch từ vùng h a tr lên vùng dẫn để lại vùng h a tr lỗ trống, ta n i photon tạo c p điện t - lỗ trống c trường điện đ t vào linh kiện c s chuyển dời điện t ch c c tạo dòng điện mạch ngồi, dịng điện đư c gọi dịng quang điện Bình thường photon c thể tạo số c p điện t - lỗ trống nghĩa với lư ng photon xác đ nh c thể tạo dòng điện xác đ nh Tuy nhiên c số loại linh kiện thu quang c khả hoạt động với chế khuếch đại bên nghĩa dòng quang điện c khả đư c khuếch đại lên nhiều lần số chế đ c biệt detector tạo Linh kiện điển hình c khuếch đại photodiode thác lũ (A D), quang trở… Các detector quang điện c ứng d ng r t rộng rãi thông tin quang, đo lường, biến đ i t n hiệu t động h a… 1.2.2 Phân loạ t eo vù só xạ qu Vùng s ng xạ quang mà photodetector hoạt động nằm dải xạ ánh sáng nhìn th y (0,38 – 0,78 µm), vùng h ng ngoại gần phần vùng h ng ngoại trung (0,78 – 15 µm) Tuy nhiên th c tế c nhiều linh kiện thu quang c khả thu đư c ánh sáng nhìn th y xạ h ng ngoại nên kh c thể xác đ nh linh kiện đ nhạy bước s ng Đôi người ta phân chia photodetector họ như: họ linh kiện thu quang ánh sáng nhìn th y, detector nhạy c a s vùng h ng ngoại (IR), detector ảnh nhiệt (detector nhạy vùng từ – 12 µm), linh kiện thu xạ laser vùng 1,3 µm 1,55 µm Như tùy theo cách phân loại mà họ linh kiện thu quang phân chia nhiều loại khác Ngày linh kiện thu quang với c u trúc giếng lư ng t hay t h p c u hình quang điện t đại với c u hình phức tạp đư c phát triển r t mạnh mẽ đư c s d ng ngày rộng rãi Họ linh kiện thu quang bao g m:  Tế bào quang điện chân không, phận quang điện  uang trở  Các loại photodiode  Lưới hay ma trận photodiode  Phototransistor  Photothyristor  Photo FET  Các c u hình photodiode giếng lư ng t , detector IR  Các detector ảnh nhiệt (thermal detector)  Các mạch t ch h p thu phát quang điện t (OEIC) 1.3 Cá vật iệu hế tạo inh iện thu quang Về linh kiện thu quang d a vật liệu bán dẫn c thể chuyển đ i từ t n hiệu quang sang t n hiệu điện Những vật liệu thường đư c dùng chế tạo linh kiện thu quang là: Si, Ge, bSe, InSe, CdSe, GaAs, HgCdTe…và t h p chúng (hình vẽ 1.1) Các vật liệu bán dẫn đư c s d ng để chế tạo photodetector hoạt động dải s ng quang khác nhiệt độ khác Trong c u trúc linh kiện thu quang thường bao g m vật liệu bán dẫn làm đế vật liệu màng để làm detector đ Về vật liệu đế [1]: công nghệ bán dẫn ngày nay, c số vật liệu bán dẫn làm đế là: Si, GaAs, Ge In Các vật liệu bán dẫn khác c thể đư c s d ng với k ch thước r t nhỏ công nghệ chế tạo chưa phát triển ho c mật độ sai hỏng m t đế cao, ho c đơn giản thành phần r t đắt tiền Do đ , việc chế tạo linh kiện thu quang theo ý muốn g p không t kh khăn Về vật liệu màng bán dẫn [1]: vật liệu đế, vật liệu màng bán dẫn thường đư c nuôi kỹ thuật epitaxy sau đ linh kiện t ch c c đư c chế tạo đ Nhìn chung người ta cần nuôi lớp epitaxy c số mạng phù h p với số mạng lớp đế Tuy nhiên số trường h p c thể nuôi lớp epitaxy không trùng số với mạng nhằm gây sai hỏng để làm bẫy gần vùng biên tiếp giáp Hình 1.1 Các vật liệu bán dẫn sử dụng để chế tạo photodetector hoạt động dải sóng quang khác nhiệt độ khác [1] Các ch t bán dẫn dùng để chế tạo linh kiện thu quang thường c c u trúc vùng lư ng dạng vùng c m xiên 1.3.1 C vật u v ete tor t ô t đ Các photon s d ng bước s ng 1,3 µm 1,55 µm đư c ứng d ng r t rộng rãi thơng tin đường dài m t mát đường truyền s i quang nhỏ nh t bước s ng Các linh kiện thu đư c chế tạo tương ứng để c độ nhạy với bước s ng Các vật liệu GaAs đáp ứng cho địi hỏi bước s ng cắt n đạt đến cỡ 0,8 µm (hình 1.1) Trong số bán dẫn h p ch t hệ bán dẫn InGaAs, InGaAs , GaAlSb, HgSdTe c thể nhạy với bước s ng nêu ra, chúng c khả phát quang bước s ng 1,3 µm 1,55 µm Vật liệu làm linh kiện thu quang đư c s d ng rộng rãi nh t In0,53 Ga0,47As, vật liệu h p ch t c số mạng phù h p với In r t tốt cho thông tin đường dài Linh kiện thu quang chế tạo bán dẫn Ge đư c s d ng thông tin đường dài, loại vật liệu đư c để làm photodiode thác lũ, n c độ khuếch đại cao, nhạy song làm việc nhiệt độ th p (770K) 1.3.2 C đị p Trong mạng đ a phương (LAN’s) t n hiệu quang thường dùng LED phát bước s ng 0,8 µm, linh kiện chế tạo vật liệu GaAs, m c đ ch giá thành th p nên người ta thường dùng linh kiện thu quang Si loại APD 1.3.3 Dete tor ả t t u só Các photodetector đư c s d ng lĩnh v c ảnh nhiệt để nhìn đêm dùng y học…c dải bước s ng hoạt động rộng từ bước s ng vài µm đến 20 µm Các photodetector ph c v cho m c đ ch cần làm việc sở vật liệu bán dẫn c vùng c m r t hẹp ho c với s tr giúp mức sai hỏng c vùng c m c u trúc d ch t Trong bán dẫn c vùng c m hẹp, vật liệu quang trọng đư c chọn h p ch t bán dẫn HgCdTe, bTe, bSe, InSb Các delector không sở vật liệu Si, Ge với việc c y ion tạp ch t vào để c sai hỏng vùng c m phù h p đư c s d ng nhiều Các giếng lư ng t c ứng d ng quan trọng dùng để chế tạo loại detector hoạt động sở siêu vùng c mức lư ng khác c u trúc giếng lư ng t vùng dẫn Công nghệ chế tạo vật liệu GaAs, AlGaAs c thể s d ng tốt lĩnh v c 10 3.2.3.2 Độ nhạy phổ Độ nhạy ph đư c xác đ nh theo công thức: Sλ   ΔI Φ ΔΦ  qη1 R  exp( x) hc (3.25) Đối với loại diode, người s d ng cần phải biết độ nhạy ph d a đường cong ph h i đáp S(λ)/S(λФ) đ : λФ độ dài bước s ng ứng với c c đại độ nhạy ph , đ ng thời phải biết giá tr λФ Thơng thường, S( λ )  0,1  1A/W Hình 3.11: Đặc trưng phổ Ngồi ra, độ nhạy S cịn ph thuộc vào nhiệt độ Dưới tác d ng nhiệt độ, bước sóng λ λ Φ Φ ứng với độ nhạy c c đại d ch chuyển Khi nhiệt độ tăng d ch chuyển phía bước sóng dài Hình 3.12: Sự phụ thuộc độ nhạy vào nhiệt độ 37 3.2.3.3 Đặc trưng C-V ngược Đ c trưng C – V thông số quan trọng cho linh kiện c lớp chuyển tiếp -N Với phép đo phù h p khảo sát s ph thuộc C –V cho ta biết s lan rộng vùng nghèo ph thuộc vào điện áp, độ pha tạp, s phân bố tạp ch t photodiode Đ c trưng C-V ngư c thông số r t quan trọng cho việc đánh giá thành phần nhi u n sinh photodiode hotodiode phân c c ngư c c giá tr điện dung tạo lớp chuyển tiếp -N t điện ph ng c hai t hai bề m t lớp chuyển tiếp Khoảng cách c c t điện tạo lớp chuyển tiếp độ rộng vùng diện tích khơng gian W Điện dung photodiode phân c c ngư c c thể t nh theo biểu thức sau: C  A (3.26) W đ ε0 hệ số điện môi tuyệt đối, ε số điện môi tương đối ch t bán dẫn, A diện t ch lớp chuyên tiếp, W độ rộng miền nghèo Trong đ độ rộng vùng điện t ch không gian ph thuộc vào phân c c ngư c, n ng độ pha tạp đư c biểu di n sau:  2 (V  V )  N a  N d  W  0 q  Na Nd     (3.27) đ V0 tiếp xúc lớp chuyển tiếp, V phân c c ngư c áp đ t lên photodiode, q điện t ch điện t , Na, Nd n ng độ pha tạp acxeptor donor hai miền bán N ng với độ rộng vùng điện t ch không gian đ lư ng điện t ch ph a lớp tiếp xúc photodiode là:  N  Nd Na Nd  Q  qA a W  A2q (V0  V )  Na Nd Na  Nd   (3.28) Khi đ điện dung lớp chuyển tiếp ứng với điện áp ngư c V đư c t nh theo công thức: 38 Na Nd  dQ A  2q C    d (V0  V )  (V0  V ) N a  N d  (3.29) Từ công thức (3.29) ta th y điện dung photodiode t lệ thuận với V  1 C   V  1 2 (3.30) 3.2.3.4 Nhiễu photodiode T n hiệu điện nhận đư c từ trình biến đ i t n hiệu ánh sáng photodiode đại lư ng cố đ nh mà chúng thăng giáng ngẫu nhiên xung quanh giá tr trung bình Đại lư ng thăng giáng ngẫu nhiên làm cho không xác đ nh nh t đ nh t n hiệu đư c gọi t n hiệu nhi u Nhi u photodiode ảnh hưởng r t lớn đến việc thu thập, x lý giới hạn t n hiệu xạ mà photodiode phát đư c Giới hạn độ phân giải lư ng photodiode s d ng n để ghi ph tia X đư c đ nh t nh ch t nhi u n Với photodiode, trường h p lý tưởng, dòng quang điện sinh photodiode t lệ tuyến t nh với mật độ photon rơi vào bề m t photodiode Nhưng th c tế, dòng quang điện sinh photodiode c giá tr thay đ i ngẫu nhiên xung quanh giá tr trung bình: I  I p  q (3.31) S thay đ i ngẫu nhiên dòng quang điện xung quanh giá tr trung bình đư c gọi nhi u đư c xác đ nh theo biểu thức:    Ip  I  (3.32) Gây nên s thay đ i ngẫu nhiên dịng điện chảy photodiode có nhiều ngun nhân khác Sau ta xét chế vật lý số ngu n nhi u c photodiode Thông thường photodiode xu t ngu n nhi u sau: - Nhi u nhiệt - Nhi u lạo sạo dòng tối photodiode gây 39 - Nhi u dòng quang điện photodiode gây gọi nhi u dư - Nhi u sinh hủy 3.2.4 Ứ p oto o e 3.2.4.1 Đồng hồ đo hấp thụ ánh sáng Đây đ ng h đo h p th ánh sáng cách s d ng môđun x lý (A hình 3.13) cung c p t lệ logarit cua hai dòng vào [11] Bằng cách đo so sánh cường độ ánh sáng truyền qua mẫu với hai photodiode, điện áp đầu vào tương ứng để h p th ánh sáng mẫu c thể l y đư c Để th c phép đo, lỗ hở tới trước tiên phải đư c điều chỉnh soa cho lư ng ánh sáng vào hai photodiode ho c photocurrent Tiếp theo, mẫu đư c đ t đường ánh sáng photodiode thể hình Tại thời điểm này, s h p th mẫu đư c đo tr c tiếp A = -V0(V) vôn kế V d , mẫu h p th (độ truyền nhiệt 100%) đư c phát hiện, điện áp đầu -1V Nếu lọc đư c đ t hình, s h p th quang ph ánh sáng riêng biệt ho c anh sáng đơn sắc c thể đo đư c Hình 3.13: Sơ đồ đồng hồ đo hấp thụ ánh sáng [11] 40 3.2.4.2 Cảm biến ánh sáng cách sử dụng khuếch đại thuật toán tốc độ cao Mạch s d ng photodiode tốc độ cao điện áp ngư c mạch khuếch đại thuật tốn chuyển đ i dịng điện – điện áp Thời gian tương ứng mạch điện ph thuộc r t nhiều vào số thời gian điện trở phản h i R F điện dung song song Để giảm bớt ảnh hưởng số thời gian, hai ho c nhiều điện trở đư c ghép nối tiếp điện trở phản h i giảm bớt ảnh hưởng điện dung sai lệch Hình 3.14: Sơ đồ mạch cảm biến ánh sáng cách sử dụng khuếch đại thuật toán tốc độ cao [11] 3.2.4.3 Đo tổng phát xạ đèn LED Mạch đư c s d ng để đo lư ng ánh sáng phát từ đèn LED Độ rộng quang ph xạ đèn LED thông thường hẹp khoảng 50nm, t ng số phát xạ đèn LED c thể đư c t nh toán từ độ nhạy xạ photodiode tạ đỉnh bước s ng phát xạ LED Trong hình bên phải, bề m t bên khối B t m gương phản xạ - x lý để phản xạ ánh sáng phát từ đề LED ph a photodiode Vì vậy, t ng số lư ng phát xạ đèn LED c thể đo đư c photodiode 41 Hình 3.15: Sơ đồ mạch đo tổng phát xạ đèn LED [11] 3.2.4.5 Một số ứng dụng khác hotodiode đư c s d ng thiết b điện t dân d ng đĩa compact máy thu điều khiển từ xa VCRs tivi Trong thiết b điện t dân d ng khác camera để đo cường độ sáng, điều khiển đ ng ngắt t động hay điều khiển đèn máy ảnh, đ ng h rađio (những thứ làm mờ hình n tối) ánh sáng đường phố, ch t quang dẫn thường đư c s d ng nhiều photodiode m c dù theo nguyên tắc đư c s d ng hotodiode thường đư c s d ng công nghiệp như: Bộ quét mã vạch, bút nhẹ, điều khiển độ ch i, mã h a, cảm biến v tr , khảo sát thiết b đo hay máy photocoppy Chúng đư c s d ng rộng rãi nhiều ứng d ng y học máy điện toán cắt lớp đư c ghép với ống đếm nh p nháy ho c d ng c để phân t ch máu Chúng đư c s d ng máy dò xung hotodiode đư c s d ng thiết b an toàn như: Máy đo n ng độ kh i, máy phát l a, thiết b kiểm tra s an toàn sân bay hệ thống an ninh khác 42 hotodiode đư c s d ng điều khiển t động như: thay đ i độ sáng đèn pha, máy dị ánh sáng, kiểm sốt thời tiết, máy đo ánh sáng m t trời Chúng đư c s d ng rộng rãi thông tin như: kết nối s i quang, thông tin quang, điều khiển quang từ xa, ứng d ng thiên văn thiết b nhìn đêm, laser tìm kiếm… 3.3 Pin m t trời 3.3.1 C u tạo in m t trời thiết b bán dẫn chứa lư ng lớn diode - N s diện ánh sáng m t trời c khả tạo dòng điện nhờ hiệu ứng quang điện (biến đ i lư ng ánh sáng thành lư ng điện) Hình 3.16: Mạng lưới pin mặt trời [16] Ta c thể hình dung c u tạo pin m t trời s ghép nối tế bào quang điện với C u tạo pin m t trời c thể đư c minh họa (hình 3.17) Để thu đư c nhiều ánh sáng cần phải ghép nhiều tế bào quang điện lại với S ghép tế bào quang điện gọi modul pin quang điện Tùy theo yêu cầu điện áp mà ta ghép nối tiếp ho c song song mạch modul để s d ng 43 Hình 3.17: Pin mặt trời loại Silic [1] Trong công nghệ pin m t trời, lư ng m t trời đư c biến đ i tr c tiếp thành điện nhờ tế bào quang điện đư c chế tạo từ vật liệu bán dẫn điện Các pin m t trời sản xu t điện cách liên t c chừng c xạ m t trời tới n 3.3.2 N uyê ý oạt đ Ta xét pin m t trời đư c chế tạo từ vật liệu tinh thể bán dẫn Silic (Si) Khi photon chạm vào mẩu Si, c nhiều hiệu ứng xảy như: tán xạ, truyền qua, h p th … Đối với trình hoạt động pin m t trời ta quan tâm tới trình h p th photon mẩu Si Hình 3.18: Cấu trúc pin mặt trời silic chế tạo dòng điện [15] 44 Năng lư ng photon đư c h p th Si Điều thường xảy lư ng photon lớn lư ng cần để đưa electron lên mức lư ng cao Khi photon đư c h p th , lư ng n đư c truyền đến hạt electon tinh thể Thông thường e- lớp thường đư c liên kết với ngun t lân cận khơng thể di chuyển xa Khi electron đư c k ch th ch c thể di chuyển t dotrong bán dẫn đ nguyên t thiếu electron gọi “lỗ trống” Lỗ trống tạo điều kiện cho electron nguyên t bên cạnh di chuyển đến điền vào lỗ trống Cứ tiếp t c lỗ trống di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn sinh dòng điện Đây ch nh nguyên lý hoạt động pin m t trời 3.3.3 Sơ đồ t đ p t trờ Như trình bày trên, c thể th y đư c chiếu sáng ta nối bán dẫn N tiếp xúc -N dây dẫn, pin m t trời phát dịng quang điện Iph Vì vậy, trước hết pin m t trời c thể xem tương đương ngu n dịng Hình 3.19: Sơ đồ tương đương pin mặt trời Lớp tiếp xúc bán dẫn -N c t nh chỉnh lưu tương đương diode Tuy nhiên phân c c ngư c, điện trở lớp tiếp xúc c giới hạn nên c dòng điện qua n đư c gọi dòng rò Để đ c trưng cho dòng rò qua lớp tiếp xúc -N, người ta đưa vào đại lư ng điện trở sơn Rsh (Shunt) Khi dòng quang điện chạy mạch, n phải qua lớp bán dẫn 45 N, điện c c, tiếp xúc… Đ c trưng cho t ng điện trở lớp đ điện trở R s nối tiếp mạch (c thể coi điện trở pin m t trời) Từ sơ đ tương đương ta c thể viết đư c phương trình đ c trưng sáng V-A pin m t trời sau: q (V  Rs I )  V  Rs I  I  I ph  I d  I sh  I ph  I s exp  1  nKT Rsh   (3.33) Trong đ : Iph- Dòng quang điện (A/m2) Id- Dòng qua diode (A/m2) Is- Dòng bão hòa (A/m2) n- Thừa số lý tưởng, ph thuộc vào mức độ hồn thiện cơng nghệ chế tạo pin m t trời Gần c thể l y n=1 Rs- Điện trở nối tiếp (điện trở trong) pin m t trời (Ω/m2) Rsh- Điện trở sơn (điện trở rò) (Ω/m2) q- Điện t ch nguyên tố (C) Thông thường điện trở sơn Rsh r t lớn c thể bỏ qua số hạng cuối biểu thức c dạng đường cong hình vẽ sau: Hình 3.20: Đường đặc trưng sáng pin mặt trời C điểm quan trọng đường đ c trưng này:  Dòng đoản mạch Isc  Thế hở mạch V∞  Điểm làm việc công su t c c đại 46 M 3.3.4 C t s đ tr p t trờ C tham số ảnh hưởng đến chế độ làm việc hiệu su t pin m t trời Đ là:  Điện trở nội Rs (điện trở nối tiếp)  Điện trở sơn Rsh  Dòng bão hòa Is  Cường độ xạ m t trời E  Nhiệt độ pin T Ở điều kiện xạ bình thường (khơng hội t ) tham số c thể xem tham số độc lập, trừ dòng điện bão hòa nhiệt độ T Điện trở Rsh đ c trưng cho dòng rò qua lớp tiếp xúc -N, ph thuộc vào công nghệ chế tạo lớp tiếp xúc Thông thường giá tr R sh lớn, nên dòng rò c thể bỏ qua S tăng Rs hay giảm Rsh ảnh hưởng x u đến công su t phát điện pin m t trời Về m t đ th , điện trở làm thay đ i dang đường đ c trưng I = f(V) miền pin m t trời làm việc ngu n Còn điện trở sơn R sh làm việc ngu n dòng 3.3.5 H u su t ế đổ qu đ p t trờ Công su t đỉnh pin m t trời công su t pin m t trời phát n làm việc điểm làm việc tối ưu xạ c cường độ 1000 W/m2 nhiệt độ phịng 250C Cơng su t đỉnh đư c đo Wp hay kWp Hiệu su t biến đ i quang điện pin m t trời t số công su t điện đỉnh t ng lư ng xạ pin m t trời nhiệt độ cho trước đư c t nh theo công thức:  Popt AEo (100%) (3.34) Trong đ : η- Hiệu su t biến đ i quang điện (%) A - Diện t ch bề m t pin m t trời đư c chiếu sáng (m2) 47 Eo- Cường độ xạ chuẩn = 1000 (W/m2) Đối với pin m t trời tinh thể Si thương mại, η thường vào khoảng (12÷15%) Trong phịng th nghiệm, η đạt đến (20÷22%) Như n i, nhiệt độ c ảnh hưởng lên đ c trưng pin m t trời C thể là, dòng quang điện tăng theo nhiệt độ với giá tr 0,1% nhiệt độ tăng 0C hay 0,03 mA/o C.cm S tăng dòng quang điện pin m t trời s giảm độ rộng vùng c m vật liệu Eg nhiệt độ tăng theo đ nh luật: aT E g (T )  E g (0)  T b (3.35) Với a b số ph thuộc vào vật liệu, E g(0) độ rộng vùng c m vật liệu T = 00K Dưới giá tr Eg(0), a b số vật liệu pin m t trời điển hình: Bảng 1.1: Các giá tr Eg, a b Si GaAs Eg(0) (eV) a (10-4eV) b (0K) Si 1,16 1100 GaAs 1,52 5,8 300 Thế hở mạch Voc giảm cách tuyến t nh với s tăng nhiệt độ dịng bão hịa Is tăng theo hàm mũ Dòng bão hào dòng hạt tải đư c tạo k ch th ch nhiệt Dòng bão hòa dòng hạt tải đư c tạo k ch th ch nhiệt S ph thuộc dòng bão hòa vào nhiệt độ c thể biểu di n sau:  Eg   I s  I exp  KT   (3.36) Trong đ : I0=Is(t=∞)=qALDgo (3.37) (LD đ ng vai trò hệ số t lệ; go hệ số k ch th ch nhiệt; A diện t ch bề m t) 48 Hình 3.21: Sự phụ thuộc hiệu suất vào nhiệt độ [8] Kết công su t c c đại c thể pin m t trời b giảm khoảng 0,35% nhiệt độ tăng 10C hiệu su t pin m t trời giảm với hệ số Hình 3.25 biểu di n s giảm hiệu su t biến đ i quang điện theo nhiệt độ với vật liệu Si GaAs Hiện Si vật liệu thông d ng công nghệ sản xu t pin m t trời Kết uậ Trong chương đưa đư c đ c điểm c u tạo, nguyên lý hoạt động số t nh ch t đ c trưng linh kiện bán dẫn thu quang : quang trở, photodiode, pin m t trời ứng d ng chúng th c ti n 49 ua đ nêu lên khả KẾT LUẬN Đề tài đề cập đến d ng c bán dẫn dùng để thu tín hiệu quang Thơng qua c thể biết đư c số thông tin có hệ thống d ng c bán dẫn dùng lĩnh v c thu nhận tín hiệu hệ thơng thơng tin quang đư c s d ng rộng rãi Qua việc nghiên cứu tìm hiểu m c đ ch đ t ra, kh a luận đạt đư c kết sau đây: Đã giới thiệu khái quát họ linh kiện bán dẫn thu t n hiệu quang g m: khái niệm, cách phân loại vật liệu dùng để chế tạo d ng c thu quang Đã đề cập đến thông số đ c trưng họ d ng c bán dẫn thu t n hiệu quang đ là: s h p th quang ch t bán dẫn, hiệu su t lư ng t độ nhạy ph , thời gian đáp ứng, t số t n hiệu nhi u độ phân giải Đã giới thiệu số d ng c bán dẫn thu t n hiệu quang điển hình như: quang trở, photodiode pin m t trời Trình bày c u tạo, nguyên lý hoạt động số thông số ảnh hưởng đến đ c trưng d ng c bán dẫn thu t n hiệu quang Đ ng thời nêu lên đư c khả ứng d ng linh kiện kỹ thuật th c ti n Trong khuôn kh kh a luận tốt nghiệp đại học, hy vọng khoá luận c ch tài liệu tham khảo tốt cho bạn sinh viên chuyên ngành 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đào Khắc An, “Vật liệu linh kiện quang điện t thông tin quang”, Nhà xu t Đại học uốc gia Hà Nội, 2003 [2] Nguy n uốc hơ, “Giáo trình cảm biến” , Nhà xu t Khoa học kỹ thuật, 2002 [3] Nguy n Minh Hiển, Vũ Linh, “Vật lý điện t ”, Nhà xu t Giáo d c, Hà Nội 2001 [4] hùng Văn Vận, “Kỹ thuật thông tin quang”, Nhà xu t Khoa học kỹ thuật, Hà Nội 2001 [5] Đ ng Hùng, “Vật lý kỹ thuật”, Nhà xu t Giáo d c, 2001 [6] Nguy n Viết Nguyên, “Linh kiện điện t bán dẫn”, Nhà xu t Giáo d c, 2000 [7] H Văn Sung, “Linh kiện bán dẫn vi mạch”, Nhà xu t Giáo d c, 2001 [8] Đ ng Đình Thống, “ in m t trời ứng d ng”, Nhà xu t Khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2005 [9] A.S.Grore, “Vật lý công nghệ d ng c bán dẫn”, Nhà xu t Khoa học kỹ thuật Hà Nội, 1978 [10] “ hotodiode characteristic and applycations”, UDT Sensors, Inc, http://www.utd.com [11] “Application curcuit examples of Si photodiode”, HAMAMATSU PHOTONICS, Solid State Division, http://www.hamamatsu.com [12] http://www.vatlyvietnam.org [13] http://www.bach-khoa.org [14] http://www.vietsciences.org [15] http://www.thegioipin.com 51 ... thông số đ c trưng họ d ng c bán dẫn thu tín hiệu quang đ là: s h p th quang ch t bán dẫn, hiệu su t lư ng t độ nhạy ph , thời gian đáp ứng, t số tín hiệu nhi u độ phân giải 22 CHƢƠN III LINH KIỆN... LINH KIỆN BÁN DẪN THU TÍN HIỆU QUAN ĐIỂN HÌNH Việc nghiên cứu, chế tạo linh kiện bán dẫn thu t n hiệu quang đư c phát triển r t mạnh mẽ Các linh kiện c tác d ng thu nhận, biến đ i t n hiệu quang. .. giới thiệu khái quát họ linh kiện bán dẫn thu t n hiệu quang g m: khái niệm, cách phân loại vật liệu dùng để chế tạo d ng c thu quang Đã đề cập đến thông số đ c trưng họ d ng c bán dẫn thu t n hiệu