Nghiên cứu các dụng cụ bán dẫn thu tín hiệu trong hệ thống thông tin quang

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA VẬT LÍ NGUYỄN THỊ BÍCH NGHIÊN CỨU CÁC DỤNG CỤ BÁN DẪN THU TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG THƠNG TIN QUANG KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH QUANG HỌC - QUANG PHỔ VINH - 2009 TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA VẬT LÍ _ KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP CHUYÊN NGÀNH QUANG HỌC - QUANG PHỔ NGHIÊN CỨU CÁC DỤNG CỤ BÁN DẪN THU TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG THƠNG TIN QUANG Giáo viên hƣớng dẫn: TS Nguyễn Văn Phú Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Bích Lớp: 46B - Vật lí VINH - 2009 MỤC LỤC MỞ ĐẦU: Trang MỤC LỤC: CHƢƠNG I: Giới thiệu chung họ linh kiện bán dẫn thu quang 1- Khái niệm 2- Phân loại 2.1- Phân loại theo nguyên lí hoạt động 2.1.1- Các detector nhiệt 2.1.2- Các detector quang điện 2.2- Phân loại theo vùng sóng xạ quang 3- Các vật liệu chế tạo linh kiện thu quang 3.1- Các vật liệu bán dẫn detector ứng dụng thông tin đƣờng dài 3.2- Các mạng địa phƣơng 3.3- Detector ảnh nhiệt thu sóng dài 3.4- Các Detector tốc độ cao CHƢƠNG II: Một số thông số đặc trƣng họ linh kiện 11 bán dẫn thu quang 1- Sự hấp thu quang chất bán dẫn 11 1.1- Quá trình hấp thu quang bán dẫn có vùng cấm thẳng 1.2- Q trình hấp thu bán dẫn có vùng cấm khơng thẳng 2- Hiệu suất lƣợng tử độ nhạy phổ 14 2.1- Hiệu suất lƣợng tử 2.2- Độ nhạy phổ 3- Tỷ số tín hiệu nhiễu độ phân giải 18 4- Thời gian đáp ứng 19 CHƢƠNG III: Các linh kiện bán dẫn thu tín hiệu quang 1- Tế bào quang điện 22 22 1.1- Cấu tạo 1.2- Nguyên tắc hoạt động 1.3- Những đặc tính quan trọng tế bào quang điện 1.3.1- Đặc tuyến vôn - ampe 1.3.2- Đặc tuyến lƣợng 1.3.3- Đặc tuyến tần số 2- Quang trở 26 2.1- Cấu tạo 2.2- Nguyến lí hoạt động 2.3- Các đặc tuyến quan trọng quang trở 2.4- Ứng dung qung trở 3- Pin mặt trời 29 3.1- Cấu tạo nguyên tắc hoạt động 3.2- Hiệu suất pin mặt trời 3.3- Đặc tuyến vôn - ampe pin mặt trời 4- Photodiot chuyển tiếp P-N 31 4.1- Cấu tạo 4.2- Nguyên lí hoạt động 4.3- Dòng quang điện photodiot P-N 5- Photodiot Pin 38 5.1- Cấu tạo 5.2- Nguyên tắc hoạt động 5.3- Dịng quang điện 6- Phơtơdiơt thác lũ 40 7- Phototransitor 42 8- Phôtôđiốt Schottky 44 KẾT LUẬN 45 MỞ ĐẦU Thông tin quang phƣơng thức dùng ánh sáng để truyền dẫn thông tin Hệ thống thông tin quang bao gồm: đầu phát dùng để mã hoá thơng tin thành tín hiệu ánh sáng, kênh truyền dẫn dùng để truyền tín hiệu đến đích, đầu thu dùng để tái tạo lại thơng tin từ tín hiệu nhận đƣợc Hiện nay, công nghệ nghiên cứu ứng dụng thiết bị phát thu quang đa dạng, phức tạp phát triển mạnh mẽ phƣơng diện lý thuyết nhƣ thực nghiệm Tuy nhiên lĩnh vực nghiên cứu, chế tạo linh kiện thu có phần đƣợc ý so với linh kiện phát quang Điều có lí khách quan bên thu có vai trị đặc biệt thiết bị nhƣ hệ thống thông tin quang Các thơng tin bên phía thu quang nhƣ: độ nhạy, chất lƣợng thu tín hiệu, phát sinh nhiễu có tính định tới tất hệ thống thơng tin quang Cùng với phát triển chất bán dẫn, đời dụng cụ bán dẫn có vai trị quan trọng hệ thống thơng tin quang Để nghiên cứu kỹ dụng cụ bán dẫn đƣợc sử dụng để thu tin hiệu hệ thống thông tin quang, luận văn này, đặt vấn đề “Nghiên cứu dụng cụ bán dẫn thu tín hiệu hệ thống thơng tin quang” Ngoài phần mở đầu kết luận, luận văn gồm chƣơng với nội dung sau: CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỌ LINH KIỆN BÁN DẪN THU QUANG Trong chƣơng giới thiệu khái quát họ linh kiện bán dẫn thu tín hiệu quang gồm: phân loại, nguyên lí hoạt động linh kiện bán dẫn dùng để chế tạo dụng cụ thu quang CHƯƠNG II: MỘT SỐ THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA HỌ LINH KIỆN BÁN DẪN THU QUANG Trong chƣơng đề cập đến thông số đặc trƣng họ dụng cụ bán dẫn thu tín hiệu quang là: thời gian đáp ứng, hấp thụ quang chất bán dẫn, độ nhạy phổ, hiệu suất lƣợng tử, tỷ số tín hiệu nhiễu độ phân giải CHƯƠNG III: CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN THU TÍN HIỆU QUANG Trong chƣơng giới thiệu số dụng cụ bán dẫn thu tín hiệu quang điển hình nhƣ: tế bào quang điện, quang trở, phơtơđiơt, phototransistor Qua giới thiệu cấu tạo, nguyên lí hoạt động số thông số đặc trƣng dụng cụ bán dẫn thu tín hiệu quang Trong q trình học tập nghiên cứu, có nhiều cố gắng song điều kiện hạn chế trình độ thời gian nên luận văn không tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận đƣợc bảo thầy, cô giáo khoa nhƣ ý kiến đóng góp ngƣời đọc Qua đây, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc tới thầy, cô giáo giảng dạy giúp đỡ tơi Đặc biệt xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành tới TS Nguyễn Văn Phú trực tiếp dẫn nguồn tài liệu tham khảo tận tình hƣớng dẫn để tơi hồn thành khố đƣợc luận Vinh, tháng năm 2009 SINH VIÊN THỰC HIỆN Nguyễn Thị Bích CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN THU QUANG 1- Khái niệm: Các phôtô detector tên chung thƣờng gọi linh kiện thu tách tín hiệu quang, đo thơng lƣợng hay cơng suất tín hiệu quang cách chuyển đổi lƣợng photon bị hấp thụ sang dạng lƣợng khác đo đƣợc nhƣ: nhiệt năng, quang điện Trong khái niệm rộng ngƣời ta gọi chủng loại linh kiện với tên chung khác sensor quang: dụng cụ nhạy với xạ quang, chúng thu nhận, biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện 2- Phân loại: 2.1- Phân loại theo ngun lí hoạt động Về ngun lí phân họ linh kiện với tên thƣờng dùng là: Các detector nhiệt detector quang điện 2.1.1- Các detector nhiệt Các detector nhiệt hoạt động cách chuyển đổi lƣợng photon sang nhiệt Hoạt động detector nhiệt chậm trình chuyển đổi từ lƣợng photon sang nhiệt cần có thời gian, ứng dụng lĩnh vực quang điện tử cần trình chuyển đổi xảy nhanh, chúng khơng có vai trị lớn lĩnh vực 2.1.2- Các detetor quang điện - Các detector quang điện hoạt động nguyên lí chuyển đổi hiệu ứng quang điện, hấp thụ photon vật liệu bán dẫn tạo cặp điện tử - lỗ trống tạo tín hiệu quang điện dƣới dạng dịng điện hay điện đo đƣợc - Hiệu ứng quang điện có dạng đặc trƣng: Hiệu ứng quang điện hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện bao gồm trình phát xạ điện tử từ bề mặt vật liệu bị chiếu sáng hiệu ứng quang điện q trình quang dẫn, hạt tải bị kích thích khơng bứt khỏi vật liệu mà lòng vật liệu bán dẫn Khi chiếu photon có lƣợng lớn lƣợng vùng cấm vào bề mặt bán dẫn trình hấp thụ photon xảy Khi hấp thụ photon, điện tử đƣợc kích thích từ vùng hoá trị lên vùng dẫn để lại vùng hoá trị lỗ trống, ta nói photon tạo cặp điện tử - lỗ trống có trƣờng điện đặt vào linh kiện có chuyển dời điện tích cực tạo dịng điện mạch ngồi, dịng điện đƣợc gọi dịng quang điện Bình thƣờng photo tạo cặp điện tử - lỗ trống nghĩa với lƣợng photon xác định tạo dịng điện xác định Tuy nhiên có số loại linh kiện thu quang có khả hoạt động với chế khuếch đại bên nghĩa dịng quang điện có khả đƣợc khuếch đại lên nhiều lần số chế đặc biệt detector tạo Linh kiện điển hình có khuếch đại phôtôdiôt thác lũ (APD), quang trở, - Các detector quang điện có ứng dụng rộng rãi thơng tin quang, đo lƣờng, biến đổi tín hiệu tự động hoá 2.2- Phân loại theo vùng sóng xạ quang - Vùng sóng xạ quang mà photodetector hoạt động nằm dải xạ ánh sáng nhìn thấy (0,38 - 0,78 m), vùng hồng ngoại gần phần vùng hồng ngoại trung (0,78 - 15m) Tuy nhiên thực tế có nhiều linh kiện thu quang có khả thu đƣợc ánh sáng nhìn thấy xạ hồng ngoại nên khó xác định linh kiện nhạy bƣớc sóng Đơi ngƣời ta phân chia photodetector họ nhƣ: họ linh kiện thu ánh sáng nhìn thấy, detector nhạy cửa sổ vùng vùng hồng ngoại (IR), detector ảnh nhiệt (detector nhạy vùng từ - 12m), linh kiện thu xạ laser vùng 1,3m 1,55m Nhƣ tuỳ theo cách phân loại mà họ linh kiện thu quang đƣợc phân chia nhiều loại khác Ngày linh kiện thu quang với cấu trúc giếng lƣợng tử hay tổ hợp cấu hình quang điện tử đại với cấu hình phức tạp đƣợc phát triển mạnh mẽ đƣợc sử dụng ngày rộng rãi Họ linh kiện thu quang bao gồm: - Tế bào quang điện chân không, nhân quang điện - Quang trở - Các loại phôtôdiôt - Lƣới hay ma trận phôtôđiôt - Phototransistor - Photothyristor - Photo FET - Các cấu hình phôtôdiôt giếng lƣợng tử, detector IR - Các detector ảnh nhiệt - Các mạch tích hợp thu phát quang điện tử 3- Các vật liệu chế tạo linh kiện thu quang Về linh kiện thu quang dựa vật liệu bán dẫn chuyển đổi từ tín hiệu quang sang tín hiệu điện Những vật liệu thƣờng đƣợc dùng chế tạo linh kiện thu quang là: Si, Ge, PbSe, InSe, CdSe, GaAs, HgCdTe tổ hợp chúng (hình vẽ 1.1) Các vật liệu bán dẫn đƣợc sử dụng để chế tạo photodetector hoạt động dải sóng quang khác nhiệt độ khác nhau) Trong cấu trúc linh kiện thu quang thƣờng bao gồm vật liệu bán dẫn làm đế vật liệu màng để làm detector - Về vật liệu đế: Cơng nghệ bán dẫn ngày nay, có số vật liệu bán dẫn làm đế là: Si, GaAs, Ge InP Các vật liệu bán dẫn khác đƣợc sử dụng nhƣng với kích thƣớc nhỏ công nghệ chế tạo chƣa phát triển mật độ sai hỏng mặt đế cao, đơn giản giá thành đắt Do việc chế tạo linh kiện thu quang theo ý muốn gặp khơng khó khăn Hình 1.1: Các vật liệu bán dẫn sử dụng để chế tạo photodetector hoạt động dải sóng quang khác nhiệt độ khác - Về vật liệu màng bán dẫn: Trên vật liệu đế, vật liệu màng bán dẫn đƣợc nuôi kỹ thuật epitaxy sau linh kiện tích cực đƣợc chế tạo Nhìn chung ngƣời ta cần ni lớp epitaxy có số mạng phù hợp với số mạng lớp đế Tuy nhiên, số trƣờng hợp ni lớp epitaxy không trùng số mạng nhằm gây sai hỏng để làm bẫy gần vùng biên tiếp giáp 3.1- Các vật liệu bán dẫn detector ứng dụng thông tin đường dài Các photon sử dụng bƣớc sóng 1,3m 1,55m đƣợc ứng dụng rộng 10 Hình 3.8 b- Cấu trúc photodiot P - N điển hình 4.2- Nguyễn lí hoạt động Khi ánh sáng chiếu vào bán dẫn xảy trƣờng hợp sau: - Khi photon có lƣợng hv = Eg hấp thụ tạo cặp e - h - Khi h   Eg tạo cặp e - h, có mức lƣợng vùng cấm để điện tử nhảy lên - Khi h   Eg tạo e - h, lƣợng thừa đƣợc chuyển sang lƣợng nhiệt làm nóng tinh thể Khi chiếu chùm sáng có lƣợng đủ lớn vào phơtơdiơt, phần ánh sáng bị phản xạ, phần lại sâu vào bán dẫn bị hấp thụ tạo cặp điện tử - lỗ trống sinh miền P N Nhƣng phía ngồi miền điện tích không gian hạt tải không cần đƣợc khuếch tán tới biên miền nghèo Khi khuếch tán biên miền nghèo số hạt tải bị tái hợp hạt lại đƣợc điện trƣờng nội sang bên tiếp giáp lớp nghèo phía bên để góp phần tạo nên dịng quang điện Khi khơng có ánh sáng chiếu vào, phôtôdiôt thể nhƣ diôt thông thƣờng Đặc trƣng I - V lý tƣởng đƣợc biểu diễn nhƣ sau:     J = IS  exp  qV   1  kBT    Trong đó: 35 (3.13) 1/ 1/     D   D 1 p 2 N IS = q.n n        N A  n  N B  p     (3.14) - q: Là điện tích - k: số bolrman - T: Là nhiệt độ tuyệt đối - V: hiệu điện phân cực đặt vào phôtôdiôt - NA, NB: Là nồng độ accepto ôno - Dn, Dp: hệ số khuếch tán điện tử lỗ trống -  n,  p: thời gian sống điện tử lỗ trống - ni: nồng độ hạt tải Hình 3.9- Đặc trưng I - V thuận nghịch phôtôdiôt P - N - Khi có ánh sáng chiếu vào, phơtơdiơt có thêm thành phần dòng quang điện, lúc đặc trƣng I - V đƣợc biểu diễn nhƣ sau:     J = IS  exp  qv   1  J photo  kBT    Trong J thành phần dịng quang điện Nếu V lớn phƣơng trình tƣơng đƣơng: J  -(JS + Jphoto) 36 (3.15) - Nếu hiệu phân cực không (V = OV) phôtôdiôt hoạt động chế độ pin mặt trời Biểu thức dòng lúc là: J  - Jphoto - Đặc trƣng I - V tối sáng phơtơdiơt đƣợc biểu diễn nhƣ (hình 3.9) - phơtơdiơt P-N khơng có chiếu sáng có đƣờng đặc trƣng I - V theo dạng tƣơng tự diôt bán dẫn thông thƣờng Ở chế độ phân cực ngƣợc, có ánh sáng tới bề mặt phơtơdiơt điều kiện hoạt động (thế phân cực, tải mạch ngoài) với cƣờng độ xạ khác cho góc độ dịng quang điện khác nhau, có đóng góp tích cực dịng photo Ta thấy đặc trƣng I - V phôtôdiôt cố định nhƣ (hình 3.10) Hình 3.10 - Đặc trưng I - V phơtơdiơt có chiếu sáng khơng có chiếu sáng có dạng diot P - N Ngƣời ta chia đặc trƣng photodiot thành góc: - Góc (I): Có dịng hiệu dƣơng, biểu thị chiều thuận photodiot - Góc (II): Khơng có đặc tuyến qua - Góc (III): Góc hoạt động photodiot chiều ngƣợc (đây chế độ hoạt động khơng bình thƣờng photodiot - Góc (IV): Góc hoạt động photodiot chế độ pin quang điện 37 4.3- Dịng quang điện phơtơdiơt P-N Khi chiếu chùm sáng có lƣợng đủ lớn vào bề mặt phôtôdiôt, phần ánh sáng bị phản xạ, phần lại sâu vào bán dẫn, bị hấp thụ tạo cặp điện tử - lỗ trống Các cặp điện tử - lỗ trống sinh miền P N, phía ngồi miền điện tích khơng gian hạt tải khơng đƣợc khuếch tán tới miền nghèo Trong trình khuếch tán miền ngồi lớp nghèo, hạt tải bị t hợp trƣớc đến miền nghèo, cịn phần hạt tải có khả khuếch tán đến biên miền nghèo sau đƣợc điện trƣờng nội sang biên tiếp giáp lớp nghèo phía bên để góp phần tạo nên dòng quang điện Các điện tử - lỗ trống sinh bên miền nghèo đƣợc điện trƣờng đến biên tiếp giáp phía để góp phần tạo nên dịng quang điện, hạt tải sinh miền nghèo nói chung khơng bị tái hợp Cơ chế phát sinh dòng quang điện photodiot P-N đƣợc biểu diễn (hình 3.11) Trong photodiot có nguồn sáng chiếu vào: (x) = (1 - Rr).0 exp(-x) Trong đó: (3.16) - (x): Là mật độ phơtơn vị trí x - 0: mật độ phôtôn bề mặt - Rr: hệ số phản xạ - : Là hệ số hấp thụ - x: Là khoảng cách từ bề mặt vào Tốc độ phát sinh cặp điện tử lỗ trống bán dẫn, với giả thiết hiệu suất lƣợng tử lý tƣởng (nghĩa 1phôtôn sinh cặp điện tử lỗ trống) đƣợc tính theo cơng thức: g(x) = - d(x) dx  (1  R r ).0 exp(-x) 38 (3.17) Hình 3.11- Cơ chế phát sinh dịng quang điện photodiot P-N Nếu cặp điện tử lỗ trống đƣợc phát sinh ngồi mìên điện tích khơng gian có q trình xảy Phần tử tải điện không khuếch tán tới biên miền điện tích khơng gian sau đƣợc tiếp giáp trƣờng nội Xác suất để phần tử tải điện không bên miền P khuếch tán tới tiếp giáp đƣợc tính nhƣ sau: 1/  X -x  k T  P(x)  exp  - j  với L n   B    g   Ln  (3.18) Trong XJ chiều dài khuếch tán, Ln quảng đƣờng khuếch tán,  độ linh động hạt tải,  nhiệt độ tuyệt đối Dòng quang điện sinh miền P đƣợc tính nhƣ sau: x1  Xj  x   JP = q(1 - Rr)  exp  dx  0 exp(-x)dx L vm  n  (3.19) Lấy tích phân đƣợc kết quả: JP = q(1 - Rr) n ph  m L n    XJ   exp  -   exp(- m X J )   m L n    Ln   Tƣơng tự dòng quang điện miền n: 39 (3.20) Jn = q(1 - Rr)  X j  l  n ph  m L p   exp(- m L j )  exp(- m L n ).exp     m L p   L  p   (3.21) Dịng điện sinh lớp nghèo đƣợc tính theo công thức:        Jd = q(1-Rr)nph exp(-mXJ) exp mX p   exp -mX j  exp(X j  x n  (3.22) Trong xn, xp biên miền nghèo bên phía miền N P kể từ mặt vào; l chiều dài phôtôdiôt; Ln, LP độ dài khuếch tán điện tử lỗ trống Si Nhƣ dòng quang điện tổng cộng sinh tra bao gòm thành phần hợp thành phần dòng quang điện sinh lớp nghèo, miền P miền N Jphoto = Jd + JP + Jn (3.23) Đối với phơtơdiơt P-N dịng Id nhỏ độ rộng miền nghèo nhỏ Độ lớn dòng quang điện phụ thuộc vào thông số vật liệu, cấu trúc linh kiện hệ số phản xạ ánh sáng Muốn cho dịng quang điện phơtơdiơt có độ nhạy cao cần thoả mãn điều kiện sau: - Toàn ánh sáng chiếu vào phôtôdiôt cần đƣợc hấp thụ hết, nghĩa Rr = 0, m  - Hệ số thu góp hạt tải tiếp giáp lớn Ln  XJ ; LP  - XJ hay Ln + LP  1, nghĩa độ dài khuếch tán hạt bán dẫn phải đủ lớn so với số kích thƣớc quan trọng phơtơdiơt 5- Photodiot PIN 5.1- Cấu tạo: Phơtơdiơt PIN có cấu tạo đƣợc biểu diễn nhƣ (hình 3.12) Điểm khác biệt mặt cấu trúc PIN với loại P-N miền P miền N có lớp bán dẫn I Lớp I có điện trở cao hay nồng độ tạp chất thấp, để phôtôdiôt PIN đƣợc phân cực ngƣợc, lớp nghèo lan rộng lớp I để hƣớng phần 40 lớn photon vào hấp thụ Hình 3.12- Cấu tạo phơtơdiơt PIN Lớp I có điện trƣờng cao, hạt tải nhanh chóng cực tạo nên dòng điện mạch ngƣợc 5.2- Nguyên tắc hoạt động Khi phôtôdiôt đƣợc phân cực ngƣợc với giá trị đủ lớn, miền điện tích khơng gian chuyển tiếp PI IN ăn sâu vào phía I đến mức miền chạm vào Vậy ánh sáng rơi vào phơtơdiơt hầu hết hạt tải đƣợc sinh vùng nghèo thời gian dịch chuyển hạt tải phụ đƣợc sinh tính thời gian qua miền I, hồn tồn khơng cịn thời gian khuếch trán hạt tốc độ hoạt động phơtơdiơt tăng lên Độ rộng vùng nghèo photodiot PIN lớn nến điện dung C nhỏ dẫn đến số thời gian bé, tốc độ làm việc phơtơdiơt PIN nhanh (các hạt điện tích xun qua lớp bán dẫn dày 5m cần 50ps) Tuy nhiên độ rộng miền nghèo khơng đƣợc q lớn, miền nghèo lớn thời gian hạt tải sinh phôtôdiôt đến điện cực tăng làm 41 giảm tốc độ làm việc Phơtơdiơt PIN làm việc với điện áp ngƣợc cao, điện dung tiếp xúc nhỏ nên nhiễu gây thành phần nhỏ, mà phơtơdiơt PIN có độ nhạy cao 5.3- Dịng quang điện Dịng quang điện photodiot tính tƣơng tự phôtôdiôt P-N Tuy nhiên trƣờng hợp cần lƣu ý dòng quang điện chủ yếu sinh miền nghèo Có thể tính dịng quang điện nhƣ cơng thức (3.19) Nhƣng điều kiện có khác Giả sử lớp nghèo lan sang bên, độ rộng vùng nghèo w, dịng quang điện có dạng nhƣ sau: w JphPIN = eA  G L (x)dx (3.24) Trong đó: - A điện tích phơtơdiơt PIN, x trục toạ độ Dịng quang điện tính cách chi tiết nhƣ sau: IphPIN = eI0(0) (1 - Rr)1 - exp(-w) (3.25) Cơ chế phát sinh dịng quang điện phơtơdiơt PIN đƣợc mơ tả: Hình 3.13 - Cấu tạo chế sinh dịng quang điện phơtơdiơt PIN 42 6- Phôtôdiôt thác lũ (Advalanche Photodiode - APD) Cấu tạo APD đƣợc mơ tả nhƣ (hình 3.14) Chúng có lớp: lớp P +, lớp , lớp P lớp N Nếu khơng có lớp P cấu trúc APD gần tƣơng tự nhƣ phơtơdiơt PIN Hình 3.14 - Lược đồ cấu trúc APD Phôtôdiôt thác lũ hoạt động dựa sở thác lũ, (hình 3.15) mô tả chế thác lũ bên APD Ta mơ tả ngun lý hoạt động APD nhƣ sau: Khi hạt tải dẫn nhận đƣợc lƣợng đủ lớn, chuyển động với vận tốc cao miền điện tích khơng gian, va chạm với nguyên tử mạng làm chúng bị ion hoá sinh cặp điện tử - lỗ trống mới, điện tử đến lƣợt lại va chạm tiếp với nguyên tử khác (phản ứng dây chuyền), làm nồng độ hạt tải tăng lên đột ngột Cuối nhiều cặp điện tử - lỗ trống đƣợc sinh từ photonrơi vào cặp nhƣ phôtôdiôt thông thƣờng, điều làm tăng độ nhạy hệ số khuếch đại APD Hình 3.15- Cơ chế nhân thác lũ APD 43 Để đặc trƣng cho hiệu ứng ngƣời ta đƣa hệ số nhân M: M= M= Trong đó: I  I MD IP  ID (3.26)   V  IR  n  1       VB   (3.27) I: Là dòng tổng cộng ID: Là dịng tổng cộng chƣa có tƣợng thác lũ IP, IMD: Là dòng tối chƣa có có tƣợng thác lũ V: Là điện áp ngƣợc đặt lên APD VB: Là đánh thủng n: Là số phụ thuộc vào vật liệu, độ pha tạp, chiều dài bƣớc sóng xạ tới Đặc tuyến vôn - ampe phôtôdiôt thác lũ đƣợc mơ tả (hình 3.16) Hiện tƣợng thác lũ làm cho phơtơdiơt thác lũ có hệ số khuếch đại lớn, dòng quang điện tăng nhanh Tuy nhiên chiếu sáng không đồng tƣợng thác lũ xảy cục mạng tinh thể làm giảm dòng dẫn Mặt khác APD phụ thuộc vào điện áp ngƣợc nhiệt độ làm việc Hình 3.16- Đặc tuyến vơn - ampe phôtôdiôt thác lũ 44 7- Phototransistor Cấu tạo phototransistor có lớp nhỏ transistor thơng thƣờng, nhƣng miền cực gốc B để hở, có điện tích thích hợp để nhận ánh sáng chiếu vào qua cửa sổ Cũng nhƣ transistor thơng thƣờng, có loại cấu trúc phototransistor P-NP NP-N (hình 3.17) Nguyên lý làm việc phototransistor nhƣ sau: Khi bazơ chƣa đƣợc chiếu sáng, dòng qua phototransistor dòng tối, (dịng rõ) Io bé Các hạt dẫn mang điện tích dƣơng tích tụ lại từ miền điện tích khơng gian chuyển tiếp emitơ (Đối với cấu trúc P-NP, cấu trúc NP-N hạt điện tích âm) Khi chiếu sáng, cặp điện tử - lỗ trống xuất vùng bazơ Những hạt mang điện tích khơng đƣợc khuếch tán vào lớp chuyển tiếp emitơ colectơ, hạt mang điện miền emitơ đƣợc phun sang miền bazơ tham gia vào dòng colectơ với hạt mang điện không qua miền Gọi K hệ số khuếch đại dòng sáng phototransistor dịng tổng chạy qua cực colectơ chiếu sáng là: I0 = K (I0 + Iph) (3.28) Hình 3.17- Cấu trúc ký hiệu phototransistor (a) Loại NP-N ; (b) Loại P-NP; Ôxit bảo vệ; Mặt suốt 45 Độ khuếch đại phototransistor cỡ hàng trăm lần (100 - 400) Phototransistor có hệ số khuếch đại lớn hẳn phôtôdiôt, nhiên phototransistor lại có dịng tối lớn, độ dày bazơ lớn nên thời gian làm việc chậm nhiều so với phơtơdiơt, điều kéo theo tần số làm việc phototransistor cao vài trăm kHz Khi phơtơdiơt làm việc với tần số đến cỡ vài chục MHz Đặc tuyến vơn- ampe phototransistor có dạng nhƣ sau: Hình 3.18- Đặc tuyến vơn - ampe phototransistor Ta thấy đặc tuyến tƣơng tự nhƣ đặc tuyến transitor thông thƣờng mắc EC điều khác tham số I b mà lƣợng chiếu sáng  Các đặc tuyến khác phototransistor giống nhƣ photođiôt, tham số kể đến phototransistornhƣ: Hệ số khuếch tán K, độ nhạy dòng, (độ biến đổi cƣờng độ dòng điện đầu theo độ biến đổi cƣờng độ chiếu sáng); độ nhạy áp, thời gian đáp ứng, tần số làm việc Phototransistorđƣợc ứng dụng rộng rãi lĩnh vực quang điện tử, chúng có độ khuếch tán lớn 8- Phơtơđiơt schottky Phơtơđiơt schottky có cấu trúc nhƣ hình 3.19 Trong phơtơdiơt Schottky ngƣời ta thay chuyển tiếp P-N chuyển tiếp kim loại - bán dẫn.Vì 46 loại photođiot hoạt động sở tƣợng xảy lớp kim loại bán dẫn (Vùng chuyển tiếp schottky) Phôtôdiôt Schottky đƣợc cấu tạo từ để bán dẫn Si loại N, phủ lớp kim loại mỏng (vàng) cỡ 0,01m- sau phủ lớp điện mơi suốt ZnS Vì hệ số chiết quang Si - Au - ZnS khác nhau, nên chiếu sáng vào số bị phản xạ trở lại, phần xuyên qua màng kim loại vào bán dẫn Nếu bƣớc sóng phù hợp lƣợng photon thoã mãn h Eg tinh thể Si gần bề mặt xảy hấp thụ photon tạo cặp điện tử- lỗ trống, điện tử đƣợc điện trƣờng tiếp xúc kim loại bán dẫn tạo thành dịng sáng Hình 3.19- Cấu trúc phôtôdiôt 47 KẾT LUẬN Đề tài đề cập đến dụng cụ bán dẫn dùng để thu tín hiệu quang Thơng qua giúp bạn đọc có đƣợc số thơng tin có hệ thống dụng cụ bán dẫn dùng lĩnh vực thu nhận tín hiệu hệ thống thơng tin quang đƣợc sử dụng rộng rãi Luận văn giới thiệu cách khái quát họ linh kiện bán dẫn thu tín hiệu quang gồm: cách phân loại, sơ lƣợc nguyên lí hoạt động linh kiện bán dẫn cụ thể dùng để chế tạo dụng cụ thu quang cự lý truyền dẫn khác Luận văn đề cập đến thông số đặc trƣng họ dụng cụ bán dẫn thu tín hiệu quang là: thời gian đáp ứng, hấp thụ quang chất bán dẫn, độ nhạy phổ, hiệu suất lƣợng tử, tỷ số tín hiệu nhiễu độ phân giải dụng cụ thu quang Luận văn giới thiệu số dụng cụ bán dẫn thu tín hiệu quang điển hình nhƣ: tế bào quang điện, quang trở, phôtôđiôt, phototransistor Qua trình bay cấu tạo, ngun lí hoạt động số thông số ảnh hƣởng đến đặc trƣng dụng cụ bán dẫn thu tín hiệu quang Trong khn khổ luận văn tốt nghiệp đại học, chúng tơi hy vọng luận văn có ích tài liệu tham khảo tốt cho bạn sinh viên chuyên ngành 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO Đào Khắc An, Một số linh kiện điện tử dùng thông tin quang, NXB ĐHQG Hà Nội, 2002 Trần Đức Hân, Nguyễn Minh Hiển, Cơ sở kỹ thuật laser, NXB Giáo dục, 2000 Phùng Hồ, Vật lý điện tử, NXB Giáo dục, Hà Nội 2001 Phùng Văn Vận, Kỹ thuật thông tin quang, NXB KHKT, Hà Nội 2001 49 ... dụng cụ bán dẫn có vai trị quan trọng hệ thống thơng tin quang Để nghiên cứu kỹ dụng cụ bán dẫn đƣợc sử dụng để thu tin hiệu hệ thống thông tin quang, luận văn này, đặt vấn đề ? ?Nghiên cứu dụng cụ. .. tỷ số tín hiệu nhiễu độ phân giải CHƯƠNG III: CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN THU TÍN HIỆU QUANG Trong chƣơng giới thiệu số dụng cụ bán dẫn thu tín hiệu quang điển hình nhƣ: tế bào quang điện, quang trở,... thống dụng cụ bán dẫn dùng lĩnh vực thu nhận tín hiệu hệ thống thơng tin quang đƣợc sử dụng rộng rãi Luận văn giới thiệu cách khái quát họ linh kiện bán dẫn thu tín hiệu quang gồm: cách phân loại,