Nguyờn lý hoạt động của Photodiode PIN dựa trờn hiệu ứng quang điện. Khi chiếu một photon cú năng lượng lớn hơn năng lượng vựng cấm vào bề mặt bỏn dẫn của Photodiode thỡ quỏ trỡnh hấp thụ photon xảy ra. Khi hấp thụ một photon, một điện tử được kớch thớch từ vựng húa trị lờn vựng dẫn để lại một trong vựng húa trị một lỗ trống, ta núi photon đó tạo ra một cặp điện tử và lỗ trống (như hỡnh 3.28).
Cỏc cặp điện tử - lỗ trống này được sinh ra trong vựng nghốo. Khi cú điện trường đặt vào linh kiện, sẽ cú sự chuyển rời cỏc điện tớch về hai cực (điện tử về phớa n cong lỗ trống hỳt về phớa p như hỡnh 3.28) tạo ra dũng điện ở mạch ngoài, dũng điện này được gọi là dũng quang điện. Bỡnh thường một photon chỉ cú thể tạo ra một cặp điện tử - lỗ trống, với giả thiết hiệu suất lượng tử bằng 1, nghĩa là với một lượng photon xỏc InGaAs p i n W E Độ dài Au/Au-Sn InP InP p i n n+-InP 4μm a) b)
Hỡnh 3.27 Cấu trỳc PIN với phõn bố trường dạng hỡnh xiờn(a) và cấu trỳc PIN sử dụng vật liệu InGaAs (b).
định chỉ cú thể tạo ra một dũng điện xỏc định. Tuy nhiờn trong thực tế khụng được như vậy vỡ ỏnh sỏng cũn bị tổn hao do nhiều yếu tố trong đú cú yếu tố phản xạ bề mặt.
Lỗ trống i Điện tử p n hv R p I Tín hiệu ra Photon Vùng dẫn Vùng hóa trị Vùng nghèo Lỗ trống Điện tử Vùng cấm g E hν≥
Hình 3.28 Sơ đồ vù ng năng lượng của PIN
Ta cú cụng thức bức xạ quang bị hấp thụ trong vật liệu bỏn dẫn tuõn theo hàm mũ
sau : P(x)= Pin (1- e−α(λ)) (3-8)
Trong đú : P(x) là cụng suất quang được hấp thụ ở cự ly x Pin là cụng suất quang tới
α(λ) là hệ số hấp thụ tại bước súng λ.
Như vậy khả năng thõm nhập của ỏnh sỏng vào lớp bỏn dẫn thay dổi theo bước súng. Vỡ vậy, lớp bỏn dẫn p khụng được quỏ dày. Miền i càng dày thỡ hiệu suất lượng tử càng lớn, vỡ xỏc suất tạo ra cỏc cặp điện tử và lỗ trống tăng lờn theo độ dày của miền này và do đú cỏc photon cú nhiều khả năng tiếp xỳc với cỏc nguyờn tử hơn. Tuy nhiờn, nếu độ dài miền i cao thỡ thời gian trụi của cỏc hạt này dài hơn, xung ỏnh sỏng đưa vào cũng phải tăng lờn tương ứng với thời gian trụi tăng. Điều này khiến cho độ đỏp ứng và băng tần điều biến bị hạn chế. Do đú, độ rộng của miền i khụng được quỏ lớn vỡ như thế tốc độ bớt sẽ bị giảm đi. Ta phải chọn độ dài miền i đủ rộng để đảm bảo điều kiện nhất định là hấp thụ hết photon trong vựng nghốo và khụng ảnh hưởng thời gian trụi.
Thường hay chọn : α1 < W <α2 Với α tựy thuộc vào vật liệu.
Khi bước súng ỏnh sỏng tăng thỡ khả năng đi qua bỏn dẫn cũng tăng lờn, ỏnh sỏng cú thể đi qua bỏn dẫn mà khụng tạo ra cỏc cặp điện tử và lỗ trống. Do đú vật liệu bỏn dẫn phải được sử dụng ở bước súng tới hạn. Bước súng này được tớnh dựa vào độ rộng vựng cấm Eg theo cụng thức sau :
λc =Ehc E1,(24eV)
g g
=
Túm lại PIN hoạt động dựa trờn nguyờn lý hấp thụ ỏnh sỏng để biến đổi tớn hiệu quang thu vào thành dũng tớn hiệu điện. Cỏc thụng số biển đổi của chức năng này được phõn tớch ở phần tiếp theo sau đõy.