2. Bản chất giỏn đoạn của hệ số β
3.2.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các điốt quang
Trong thông tin quang hiện nay ngời ta sử dụng hai loại cấu trúc điốt quang cơ bản là điốt PIN và điốt quang thác APD. Nguyên lý chung của chúng cơ bản là giống nhau ở chỗ ánh sáng đa vào miền tiếp giáp p-n đợc phân cực ngợc, tạo ra trong các cặp điện tử –lỗ trống để dịch chuyển nhờ điện trờng ngoài, tạo thành dòng quang điện. Điốt APD còn có khả năng khuyếch đại dòng quang điện nhờ hiện tợng ion hoá do va chạm, do đó tăng đợc độ nhạy.
a. Điốt PIN:
Cấu tạo của điôt PIN nh trên hình 3.10 a và nguyên lý hoạt động thoe phân bố giải năng lợng nh trên hình 3.10b
Hình 3.10. Cấu tạo của điôt quang PIN (a) và phân bố dãi năng lợng (b)
Cấu tạo của điôt PIN bao gồm một lớp bán dẫn dẫn tốt n+ làm nền, trên đó phủ một lớp n dẫn yếu hoặc một lớp tự dẫn i rồi đến một lớp mỏng p+ dẫn tốt. Vì thế cấu trúc p- i- n này có tên gọi là PIN. Bên trên bề mặt của lớp p điện
cực là điện cực vòng, tức là chỉ tiếp xúc ở rìa xung quanh, để ánh sáng có thể xâm nhập vào miền i. Trên mặt lớp p có phủ một lớp mỏng là lớp chống phản xạ để tránh tổn thất ánh sáng vào. Điện áp phân cực ngợc làm điôt không có dòng, chỉ có một dòng ngợc rất nhỏ gọi là dòng tối.
Nguyên lý hoạt động của điôt PIN: khi ánh sáng đi vào lớp p, trong tr- ờng hợp lý tởng mỗi phôtôn sẽ sinh ra trong miền p, i hoặc n một cặp điện tử- lỗ trống. Các điện tử và lỗ trống trong miền i vừa đợc sinh ra sẽ đợc điện tr- ờng mạnh hút về hai phía, các điện tử thì về phía miền có điện áp dơng còn các lỗ trống thì về phía miền p vì có điện áp âm. Các điện tử sinh ra trong miền p+ ở giáp với lớp tiếp giáp p+ - I sẽ khuyếch tán sang miền I nhờ Gradien mật độ của các phần tử mang điện thiểu số tại tiếp giáp này, để rồi chạy về miền n+ nhờ điện trờng ngoài. Tơng tự các lỗ trống sinh ra trong miền N+ ở kề bên lớp tiếp giáp I- N+ sẽ khuyếch tán sang miền I rồi đợc hút chạy về miền p+. Tất cả các phần tử mang điện này sinh ra ở mạch ngoài một dòng điện và trên tải một điện áp, có một số điện tử và lỗ trống không tham gia vào quá trình tạo dòng điện ngoài, chúng xuất hiện trong miền p+ và N+ ở xa hai lớp tiếp xúc p+- I và I - N+, không đợc khuyếch tán vào miền số, vì ở khoảng cách xa hơn độ dài khuếch tán của các phần tử thiểu số do đó lại tái hợp với nhau ngay trong miền p+ và N+.
Trong trờng hợp lý tởng, mỗi phôtôn đợc chiếu vào phải sinh ra một xung điện ở mạch ngoài và giá trị trung bình của dòng điện ra tỷ lệ với công suất ánh sáng vào Dĩ nhiên thực tế không thể đạt đợc nh vậy. Mỗi phần ánh sáng vào bị tổn thất do phản xạ. Lớp chống phản xạ có thể làm hiệu suất hấp thụ đạt 80%. Lớp này có tính chọn lọc theo bớc sóng.
b.Điôt quang thác APD:
Để tăng độ nhạy của điôt quang, ngời ta có thể ứng dụng hiệu ứng giốg nh hiệu ứng nhân điện tử trong các bộ nhân quang điện. Cấu tạo của điôt quang sẽ có dạng đặc biệt, đó là điôt quang thác APD nh trên hình 3.11.
Hình 3.11- Cấu tạo của điôt quang thác APD (a) và sự phân bố cờng độ điện trờng (b).
Bên trái SP bị giới hạn bởi lớp p+ còn bên phải giới hạn bởi lớp tiếp giáp p- N+. Điện trờng do điện áp phân cực ngợc bên ngoài đặt vào thay đổi theo các lớp nh trên hình 3.11b. Trong vùng sP điện trờng tăng chậm, nhng trong vùng tiếp giáp p-N+ thì tăng nhanh. Lớp tiếp giáp p-N+ là miền thác, ở đó xảy ra quá trình nhận điện tử.
Nguyên lý hoạt động của APD cơ bản giống PIN. Khi các điện tử trong miền sP dịch chuyển đến miền thác p-N+ thì có thể nhận đợc thêm năng lợng tĩnh của giải cấm, do điện trờng mạnh nên chúng đợc tăng tốc va chạm vào các nguyên tử để tạo ra phần tử tải điện mới, gọi là sự ion hoá do va chạm, do đó số lợng các phần tử tải điện tăng nhanh giữa hai quá trình va chạm có thời gian tự do là τ . Ta thấy dòng điện nh đợc khuyếch đại lên với độ khuyếch đại là M. Độ lớn của M phụ thuộc vào điện áp phân cực và có thể đạt giá trị tới 200 lần. Trên hình 3.12 cho thấy sự phụ thuộc của M vào điện áp phân cực, nh thế điôt APD cần có điện áp phân cực lớn hơn PIN nhiều. Nếu thời gian cho quá trình trong miền thác càng dài thì hệ số khuyếch đại M càng lớn, song tốc độ trôi qua miền thác sẽ chậm đi. Các xung cũng bị dãn rộng ra do cần thời gian trôi lớn, và hạn chế độ rộng băng ∆.
Hình 3.12- Quan hệ giữa hệ số khuyếch đại và điện áp phân cực 3.3 Các phơng pháp thu và giải điều quang
Cũng nh điều biến các nguồn quang ở đầu phát, ở đầu thu của các hệ thống truyền dẫn quang cũng có hai phơng pháp thu và giải điều quang ở các bộ biến đổi quang điện, đó là:
Giải điều trực tiếp công suất quang tại điôt quang (hình 3.13a).
Giải điều gián tiếp nhờ thu ngoại sai dùng một nguồn quang nội bộ (hình 3.13b)
a, b,
Hình 3.13 Nguyên lý giải điều quang trực tiếp(a) và gián tiếp(b)
Trong mạch giải điều trực tiếp có một điôt quang bán dẫn, một điện trở tải RL và một bộ khuếch đại áp để khuếch đaị điện áp tín hiệu ra trên tải.
Trong mạch giải điều gián tiếp, nguyên tắc cũng giống nh trong các máy vô tuyến kiểu đổi tần ngời ta dùng một gơng cho qua một chiều để dẫn luồng quang thu và lái một luồng quang đơn sắc khác do boọ phát quang nội
bộ cung cấp để đa vào bên trong một điôt quang để tách ra tín hiệu trung tần cung cấp ra cho bộ khuyếch đại trung tần. Yêu cầu là cả hai luồng quang đa đến điốt phải biết kết hợp cả không gian và thời gian.
Trong cả hai nguyên lý thu và tách quang trên thì các điôt quang đợc thực hiện chức năng giải điều, biến đổi các tín hiệu quang đa đến thành một dòng điện tỷ lệ với chúng. Công suất quang do sợi quang cung cấp là p vào cho điôt quang là pQ. Giá trị của pQ phụ thuộc vào điều kiện và hiệu suất ghép sợi quang vào điôt quang, cũng giống nh khi ghép các điôt phát quang. Các điôt quang có thể là loại PIN hoặc loại APD.
