Hình III.12 : Sơđồ vận hành của một điốt quang Schottky : (a) Vận hành bằng cơ chế phát xạ bên trong vật liệu của một quang điện tử khi hấp thụ một phôtôn có năng llượng hν > (Φm-ΧSC) (rào thế Schottky) ; (b) Tạo cặp điện tử-lỗ trống bằng kích thích quang học trong chất bán dẫn với phôtôn có năng lượng hν > Eg ; (c) Với hiệu thế phân cực ngược lớn, điốt quang Schottky có thể vận hành như một điốt quang nhân điện (theo [4]).
Điốt quang dùng rào thế Schottky được cấu tạo từ một bộ tiếp giáp dị thể kim loại-bán dẫn. Bộ tiếp giáp này làm xuất hiện ở mặt phân cách của hai vật liệu một rào thế năng eΦms bằng khoảng cách giữa mức năng lượng Fermi của kim loại và đáy vùng dẫn của chất bán dẫn: eΦms = eΦs - eχSC; eΦs là công thoát của kim loại và eχSClà năng lượng cần thiết để giữđiện tử bên trong chất bán dẫn. Nguyên lý vận hành của một điốt quang Schottky dựa trên cơ chếphát xạ bên trong vật liệu (émission interne/ internal emission) của một quang điện tử từ kim loại sang vùng dẫn của chất bán dẫn khi có kích thích quang học. Quá trình này được trình bày bằng sơđồ trên hình III.12.a.
Điốt quang Schottky được cấu tạo từ một màng mỏng kim loại (hoặc một màng mỏng hợp kim kim loại-bán dẫn có tính chất vật lý như một kim loại)) được phủ trên một đế bán dẫn. Một chùm tia sáng tới gồm các phôtôn có năng lượng hν > Φmsđược hấp thụ trong màng mỏng kim loại ; chùm tia này chuyển giao năng lượng của các phôtôn cho các điện tử mà năng lượng ở dưới mức Fermi của kim loại. Các quang điện tử do đó được phát xạ vào bên trong vật liệu bán dẫn bằng cách vượt qua rào thế năng eΦms = eΦs - eχSC. Các quang điện tử này xâm nhập vào vùng dẫn của chất bán dẫn và đóng góp vào việc tạo thành dòng quang điện chảy qua điốt quang. Loại phát xạ bên trong vật liệu này đòi hỏi một bước sóng cắt (longueur d'onde de coupure/ cut-off wavelength) bắt buộc, xác định bằng: (eV) Φ 1,24 (µm) λ ms c = .
Sự hấp thụ các phôtôn trong màng mỏng kim loại là rất thấp, bởi vì trong kim loại các quang điện tử bị mất năng lượng trên một đoạn đường di chuyển rất ngắn do bị va chạm: quãng đường tự do trung bình LB của các quang điện tử chỉ từ 50 Å đến 100 Å trong phần lớn các kim loại. Hệ số hấp thụ của các kim loại được đo bằng tỷ lệ nghịch của bề sâu hiệu ứng da δ (một vật liệu kim loại có điện trở suất 10µΩ.cm sẽ có một bề dày hiệu ứng da trong vùng hồng ngoại chừng 200 Å và một hệ số hấp thụα = 1/δ = 5.105 cm-1). Như vậy, người ta sẽ có một hệ số chuyển đổi phôtôn thành quang điện tử trong kim loại có độ lớn bằng [1- exp(-αLB)]. Ngoài ra, không phải tất cả các quang điện tửđược kích thích năng lượng để vượt rào thế năng sẽ hoàn toàn xâm nhập được vào trong chất bán dẫn, bởi vì phương chuyển động của các quang điện tử này không nhất thiết là phưong xâm nhập vào bên trong bán dẫn. Các tính toán [1] cho thấy rằng hiệu suất lượng tử của loại đềtéctơ quang học này là rất thấp và có thểđược viết dưới
dạng sau đây: ( ) − ν ν − ≈ η −α ms2 m F L h Φ h 8E 1 ) e (1 B (III.25)
Trong đó EFm là mức năng lượng Fermi của kim loại.
Hình III.13 : (a) Cấu trúc của một điốt quang Schottky ; (b) Đường biểu diễn độ truyền suốt của màng mỏng kim loại (ởđây là màng mỏng bằng vàng) theo độ dày trong trường hợp không có và có lớp chống phản xạ nhằm cải thiện độ truyền suốt (theo [10]).
Mặc dù có hiệu suất lượng tử rất kém, điốt quang Schottky vẫn được sử dụng vì nhiều lý do:
• Trong công nghệ bán dẫn, người ta không thể tạo ra được với tất cả các vật liệu bán dẫn hai loại pha tạp kiểu p và kiểu n. Bộ tiếp giáp Schottky đặc biệt có lợi trong trường hợp này. Trong cơ chế vận hành của điốt quang Schottky, bước sóng cắt của đềtétơ không bị áp đặt bởi độ rộng vùng cấm của chất bán dẫn nhưng bởi chiều cao của rào thế năng do tiếp xúc kim loại-bán dẫn tạo ra. Như vậy, người ta có thể sử dụng một vật liệu bán dẫn dễ chế tạo để làm đế (substrat) cho linh kiện (chẳng hạn như silicium) và chọn lựa một kim loại thích hợp để tạo ra bước sóng cắt mong muốn (thí dụ như cặp vật liệu bán dẫn Si loại p và kim loại PtSi cho một bước sóng cắt bằng 5,6 µm).
• Trong một bộ tiếp giáp Schottky, người ta cũng có thể thực hiện được cơ chế tạo cặp các hạt quang tải điện như trong trường hợp của điốt quang dùng bộ tiếp giáp p-n (hình III.12.b) hay như trong trường hợp của điốt quang nhân điện (hình III.12.c) đểđo các sóng quang tới mà bước sóng có thể xuyên qua được màng mỏng kim loại để xâm nhập vào trong chất bán dẫn.
•Đáp ứng thời gian của các điốt quang p-n và p-i-n một mặt bị giới hạn bởi thời gian sống của các hạt tải điện trong các vùng khuếch tán nằm bên cạnh vùng ZCE và mặt khác bởi hằng số thời gian RC do điện dung và điện trở của đềtéctơ áp đặt. Để giảm thiểu hằng số thời gian đầu tiên, người ta làm giảm bề rộng của vùng khuếch tán trên một phần của bộ tiếp giáp. Nhưng việc giảm bớt bề rộng của vùng khuếch tán này không thể tránh được việc kéo theo sự tăng điện trở nối tiếp của đềtéctơ, mà điều đó lại kéo theo việc tăng hằng số thời gian RC. Điốt quang Schottky, ngược lại, cho phép thực hiện việc giảm thiểu này, vì lẽđiện trở của kim loại là rất thấp. Hơn nữa, cơ chế quang dẫn điện trong điốt quang Schottky chỉ liên quan đến một loại hạt tải điện đa số duy nhất (là điện tử) mà độ linh động thường khá lớn ; do đó loại đềtéctơ quang học này về bản chất có đáp thời nhanh hơn các linh kiện dùng
đồng thời hai loại hạt tải điện (nhưđiốt quang p-n hay p-i-n). Người ta đã thực hiện được các điốt quang Schottky mà dải truyền qua có thểđạt đến 100 GHz [1].