chương 2 mô hình toán học của các photodiode hoạt động ở tốc độ cao
2.3.2. Mô hình nhiễu
Trong quá trình biến đổi quang-điện của PIN- Photodiode và APD còn xuất hiện các nhiễu.
Nhiễu của một phần tử biến đổi quang-điện bao gồm các nhiễu cơ bản sau:
- Nhiễu lượng tử tín hiệu,
- Nhiễu dòng điện tối,
- Nhiễu dòng dò,
- Nhiễu nhiệt,
- Nhiễu do hiệu ứng quang thác sinh ra (chỉ có ở APD).
* Nhiễu lượng tử tín hiệu sinh ra trong quá trình giải phóng ra các cặp điện tử – lỗ trống do các photon chiếu vào photodiode. Các photon chiếu vào photodiode là độc lập thống kê và có phân bố Poispon. Mỗi photon với một xác suất nhất định giải phóng ra một cặp Điện tử & Lỗ trống. Do đó, các điện tử được giải phóng cũng độc lập thống kê và có phân bố Poisson. Vì vậy dòng ra của photodiode có chứa nhiễu. Nhiễu đó gọi là nhiễu lượng tử tín hiệu.
* Dòng điện tối là dòng điện do các dòng sau tạo nên:
- Các điện tích được tạo ra do nhiệt độ trong lớp I của photodiode, - Các dòng điện bề mặt,
- Các động tử thiểu số tạo ra do nhiệt tử các lớp p và n trôi về lớp I. Dòng điện tối gồm rất nhiều xung không có quy luật. Người ta chỉ xác định được trị hoặc dụng của nó, phổ biên độ của chúng bằng phẳng ở mọi tần số.
* Dòng điện rò là do các tia sáng phía trong và ánh sáng bên cạnh tạo ra. * Dòng điện nhiễu nhiệt xuất hiện trong một điện trở, ví dụ điện trở lớp
chắn, điện trở tải, do chuyển động nhiệt của các điện tử trong điện trở tạo ra.
* Đối với APD, trong quá trìng quang thác xuất hiện một tạp âm do hiệu ứng quang thác sinh ra. Nhiễu này phụ thuộc vào hệ số khuyếch đại và tỷ lệ với tỷ số giữa hệ số ion hoá lỗ trống và hệ số ion hoá điện tử trong vùng khuyếch đại quang thác. Nhiễu do hiệu ứng quang thác được đặc trưng qua hệ số tạp âm F.
Do đó, từ các sơ đồ điện tương đương ta xác định được mô hình toán học mô tả quá trình động truyền dẫn tín hiệu của PIN- Photodiode và APD (hình 2.2).
Hình 2.3. Mô hình nhiễu của PIN – photodiode (a) và APD (b) Trong đó :
Gc - Điện dẫn của lớp tiếp giáp PN, Cc - Điện dung của lớp tiếp giáp PN,
GTinT inT CT inc Gc Cc ir ip iT (a) (b) GT inT CT inC Gc C c ir iT ip M F
GT - Điện dẫn tải của Photodiode, RT - Điện trở tải của Photodiode, ip - Dòng photo,
iT - Dòng điện tối, ir - Dòng điện rò,
inC - Dòng điện nhiệt trên điện trở lớp tiếp giáp PN, inT - Dòng điện nhiệt trên điện trở tải,
F - Hệ số nhiễu do quá trình quang thác (trong APD).