3.1 Cơ sở vật lý chung của cỏc phần tử tớch cực
Khỏc với cỏc phần tử thụ động, cơ sở vật lý chung cho cỏc phần tử tớch cực là vật lý bỏn dẫn. Tuy nhiờn do tớn hiệu xử lý của cỏc phần tử này là ỏnh sỏng nờn cỏc kiến thức vật lý về ỏnh sỏng (như đó nờu ở chương 1) cũng được sử dụng trong phần tử tớch cực.
Khi hoạt động, cỏc phần tử này cần phải cú nguồn kớch thớch. Cỏc nguồn này luụn đi kốm theo nờn yờu cầu của cỏc phần tử tớch cực cũng phức tạp hơn phần tử thụ động. Vị trớ đặt thiết bị, cỏc vấn đề về bảo dưỡng, an toàn về điện cũng cần được quan tõm. Trước hết ta xột đến cơ sở vật lý chung cho cỏc phần tử tớch cực này.
3.1.1 Cỏc khỏi niệm vật lý bỏn dẫn
Vật lý bỏn dẫn là cơ sở hoạt động cho rất nhiều linh kiện điện tử trong đú cú cỏc phần tử tớch cực hoạt động trong hệ thống thụng tin quang.
3.1.1.1 Cỏc vựng năng lượng
Vật liệu bỏn dẫn là vật liệu cú đặc tớnh dẫn điện, và cỏch điện, tức là ở trường hợp nào đú thỡ vật liệu bỏn dẫn là kim loại trong trường hợp khỏc chỳng lại là chất cỏch điện.
Ở mức nhiệt độ thấp, tinh thể bỏn dẫn thuần tỳy sẽ cú vựng dẫn hoàn toàn trống cỏc điện tử và vựng húa trị lại đầy cỏc điện tử. Vựng dẫn cỏch vựng húa trị một dải cấm năng lượng, dải này khụng tồn tại một mức năng lượng nào cả. Khi nhiệt độ tăng lờn, một số cỏc điện tử sẽ bị kớch thớch nhiệt và vượt qua dải cấm (chẳng hạn như đối với Silic thỡ năng lượng này cỡ 1,1 eV – đõy chớnh là năng lượng dải cấm). Quỏ trỡnh này xảy ra làm xuất hiện cỏc điện tử tự do (kớ hiệu là n) trong vựng dẫn và khi cỏc điện tử này dời đi sẽ để lại cỏc lỗ trống tương ứng (kớ hiệu là p). Cỏc điện tử tự do và lỗ trống sẽ di chuyển trong vật liệu và vật liệu thể hiện tớnh dẫn
điện khi cỏc điện tử trong vựng húa trị đi vào cỏc lỗ trống. Lỳc này cú thể coi như lỗ trống cũng di chuyển, sự di chuyển này ngược chiều di chuyển của điện tử. Sự tập trung của điện tử và lỗ trống được xem là sự tập trung mang tớnh chất bờn trong. Nú kớ hiệu là ni và được thể hiện bằng cụng thức sau :
n = p = ni = K.exp(-Eg/2kβT) (3-1) K = 2(2πkβT/h2)3/2(memh)3/4
Trong đú : Eg là độ rộng vựng cấm. kβ là hằng số Boltzman h là hằng số Plank
me, mh là khối lượng của điện tử và lỗ trống T là nhiệt độ tuyệt đối
K là hằng số vật liệu
Cú thể tăng tớnh dẫn điện của vật liệu bỏn dẫn bằng cỏch pha thờm một lượng nhỏ tạp chất thuộc cỏc nguyờn tố nhúm V (như P, As, Sb…) hoặc nhúm III (như Ga, Al, In …). Khi được pha tạp bởi cỏc nguyờn tố nhúm V, cỏc điện tử tự do trong vựng dẫn gia tăng, lỳc này vật liệu bỏn dẫn được gọi là vật liệu bỏn dẫn loại n. Khi được pha tạp bởi cỏc nguyờn tố nhúm III, cỏc lỗ trống trong vựng húa trị gia tăng,
b) a)
Hỡnh 3.1 Sự kớch thớch điện tử vựng húa sang vựng dẫn trong sơ đồ năng lượng (a) và sự tập trung điện tử, lỗ trống (b).
Điện tử Vựng dẫn Chuyển dich điện tử Vựng cấm Vựng húa trị Lỗ trống ~2KBT ~2KBT Phõn bố mật độ lỗ trống Năng lượng điện tử Phõn bố mật độđiện tử
lỳc này vật liệu bỏn dẫn được gọi là vật liệu bỏn dẫn loại p. Tớnh dẫn điện của vật liệu bõy giờ tỷ lệ với sự tập trung hạt mang (cỏc điện tử và lỗ trống ).
Cỏc vật liệu pha tạp như vậy dựng khỏ phổ biến trong viễn thụng (đặc biệt là trong cỏc bộ thu phỏt quang), cú thể kể ra rất nhiều loại vật liệu như : InP, InAs.,GaAs, GaAsP, InGaAsP… Ta cú thể xem qua bảng 3.1 tổng hợp một số vật liệu với cỏc dải cấm và bước súng dưới đõy.
Loại vật liệu Tờn vật liệu Dải cấm Bước súng Cỏc vật liệu
hai thành phần
GaP (Gali – Phốt pho) AlAs (Nhụm - Asen) GaAs (Gali - Asen) InP (Indi – Phốt pho) InAs (Indi - Asen)
2,24 eV 2,09 eV 1,42 eV 1,33 eV 0,34 eV 0,55 àm 0,59 àm 0,87 àm 0,93 àm 3,6 àm Cỏc vật liệu ba hoặc bốn thành phần AlGaAs (Nhụm-Gali-Asen). InGaAsP (Indi-Gali-Asen- Phốt pho) 1,42 – 1,61 eV 0,74 – 1,13 eV 0,77 – 0,87 àm 1,1 – 1,67 àm Bảng 3.1 Dải cấm và bước súng của một số vật liệu bỏn dẫn.
3.1.1.2 Lớp tiếp giỏp p-n
Bản thõn cỏc vật liệu pha tạp loại p hay n chỉ như là những chất dẫn điện tốt hơn so với bỏn dẫn thuần. Tuy nhiờn khi ta sử dụng kết hợp hai loại vật liệu này thỡ sẽ cú được những đặc tớnh hết sức đỏng chỳ ý. Một vật liệu loại p được ghộp với vật liệu loại n sẽ cho ta một lớp tiếp xỳc được gọi là tiếp giỏp p-n. Khi tiếp giỏp p – n được tạo ra, cỏc hạt mang đa số sẽ khuếch tỏn qua nú : Lỗ trống bờn p khuếch tỏn sang bờn n, điện tử bờn n khuếch tỏn sang bờn p. Kết quả là tạo ra một điện trường tiếp xỳc Etx đặt ngang tiếp giỏp p – n. Chớnh điện trường này sẽ ngăn cản cỏc chuyển động của cỏc điện tớch khi tỡnh trạng cõn bằng đó được thiết lập. Lỳc này, vựng tiếp giỏp khụng cú cỏc hạt mang di động. Vựng này gọi là vựng nghốo hay vựng điện tớch khụng gian.
Khi cấp một điện ỏp cho tiếp giỏp này, cực dương nguồn nối với vật liệu n, cực õm nối với vật liệu p thỡ tiếp giỏp này được gọi là phõn cực ngược. (Như hỡnh 3.2b). Nếu phõn cực ngược cho tiếp giỏp p – n, vựng nghốo sẽ bị mở rộng ra về cả hai phớa. Điều này càng cản trở cỏc hạt mang đa số tràn qua tiếp giỏp. Tuy nhiờn
vẫn cú một số lượng nhỏ hạt mang thiểu số tràn qua tiếp giỏp tại điều kiện nhiệt độ và điện ỏp bỡnh thường. Cũn khi phõn cực thuận cho tiếp giỏp (cực õm nối với vật liệu n, cũn cực dương nối với vật liệu p như hỡnh 3.2c) thỡ cỏc điện tử vựng dẫn phớa n và cỏc lỗ trống vựng húa phớa p lại được phộp khuếch tỏn qua tiếp giỏp. Lỳc này việc kết hợp cỏc hạt mang thiểu số tăng lờn và trở nờn cú ý nghĩa. Cỏc hạt mang tăng lờn sẽ tỏi hợp với hạt mang đa số. Quỏ trỡnh tỏi kết hợp cỏc hạt mang dư ra chớnh là cơ chế để phỏt ra ỏnh sỏng.
Cỏc chất bỏn dẫn thường được phõn ra thành vật liệu cú giải cấm trực tiếp và vật liệu cú giải cấm giỏn tiếp tựy thuộc dạng của dải cấm (như hỡnh 3.3).
Năng lượng vựng cấm trực tiếp Năng lượng vựng cấm giỏn tiếp
Edir Chuyển dịch điện tử
hf=Edir Eind hf=Eind+Eph Năng lượng photon Eph a) b)
Hỡnh 3.3 Sự phỏt photon với vật liệu dải cấm trực tiếp (a) và giỏn tiếp (b)
Vựng dẫn Vựng dẫn
Vựng húa trị Vựng húa trị
Hỡnh 3.2 Phõn cực cho cỏc lớp tiếp giỏp