Đã có một số quan điểm rằng điện tích sinh ra trong mạch ngoài của detector có giá trị độ lớn là 2e do loại hạt tải chạy về 2 cực thì 1 photon làm phát sinh ra 1 cặp điện tử lỗ trống trong bán dẫn. Ta hãy xét xem quan điểm này đúng hay sai.
Trong thực tế, thời gian chạy ra mạch ngoài của điện tử và lỗ trống là không giống nhau do khối lượng của chúng không giống nhau và tuỳ thuộc vào cấu trúc và đặc điểm của vật liệu bán dẫn làm linh kiện thu quang. Cụ thể là các điện tử thì chạy nhanh, có thể đi về phía điện cực dương 1 cách nhanh chóng, còn các lỗ trống thì chạy chậm hơn về phía điện cực âm. Mỗi loại hạt tải chạy qua mạch ngoài đều cần có một khoảng thời gian, và được gọi là thời gian lan
Ta sẽ xét một cặp điện tử - lỗ trống sinh ra bởi quá trình hấp thụ 1 photon tại một vị trí bất kỳ x nào đó trong vật liệu làm detector có chiều rộng là w và có thế hiệu đặt vào là V. Xét sự chuyển động theo chiều x, giả sử hạt tải có điện tích tổng cộng là Q, chuyển động với tốc độ v(t) theo chiều x tạo ra dòng điện trong mạch ngoài có dạng: i(t) = Q Q v(t) t W − = (2.20) t = W v(t)
Cấu trúc của linh kiện thu quang có 1 cặp điện tử - lỗ trống sinh ra do hấp thụ photon tại toạ độ x, chúng đi về 2 cực, được biểu thị trên hình vẽ:
Hình 2.5: Sự sinh cặp điện tử - lỗ trống trong linh kiện thu
Khi có dòng điện có dòng điện E thì hạt tải trong vật liệu bán dẫn sẽ bị cuốn với tốc độ v = µE.
Giả sử: Lỗ trống chuyển động sang trái với tốc độ không đổi vh, còn điện tử chuyển động sang phải với tốc độ ve. Độ lớn của dòng điện tử và lỗ trống là ie và ih.
Thời gian mà lỗ trống chuyển động là x/vh và thời gian điện tử chuyển động là (w - x)/ve. Trong vật liệu bán dẫn, tốc độ điện tử ve thường lớn hơn tốc độ lỗ trống vh, nên độ dài toàn phần quyết định thời gian bay trong vật liệu do thời gia của lỗ trống quyết định.
Hình 2.6.
Dòng điện tổng cộng Q cảm ứng của dòng điện bên ngoài được tính:
Q = h e h e v x v (w-x) x w-x e. . e. . e e w v w v w w + = + ÷= (2.21)
Từ biểu thức ta thấy, điện tích ở mạch ngoài chỉ bằng e chứ không phải 2e như đã nói ở trên mặc dù có 2 loại hạt tải mang 2 lượng điện tích chạy về 2 cực của linh kiên thu.
Trong thực tế thời gian đáp ứng không được tính toán từ thời gian bay của điện tử - lỗ trống. Ta gọi thời gian đáp ứng Tr của linh kiện thu quang giới hạn chủ yếu bởi điện dung và trở kháng của linh kiện thu như công thức:
Tr = (RD + RA)(CD + CA) (2.22) Trong đó:
- RD: là điện trở của linh kiện
- RA: là điện trở thuần của lối vào bộ khuếch đại
- CD; CA: làđiện dung của linh kiện thu và bộ khuếch đại. Đối với bộ khuếch đại tốt sẽ có RA< RD; CA < CD, do đó:
Tr≈ RD.CD (2.23)
CD = A W ε (2.24) Trong đó: - ε: là hằng số điện môi
- W: Là độ rộng lớp nghèo của chuyển tiếp - A: là điện tích của linh kiện.
Từ công thức (2.24) ta thấy: vật liệu có hằng số điện môi nhỏ sẽ cho giá trị điện dung nhỏ và khi lớp nghèo tăng lên có thể làm gia tăng đáng kể quá trình phát sinh tái hợp trong lớp nghèo gây ảnh hưởng tới tỉ số tín hiệu trên nhiễu theo chiều hướng không có lợi.
CHƯƠNG III
CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN THU TÍN HIỆU QUANG
Hiện nay, các lĩnh vực nghiên cứu, chế tạo các linh kiện bán dẫn thu tín hiệu quang rất đa dạng, chúng đã và đang được phát triển rất mạnh mẽ. Các linh kiện này có tác dụng thu nhận, biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện. Chúng bao gồm nhiều loại với cấu trúc và nguyên lý hoạt động khác nhau như: các tế bào quang điện, quang trở, các photodiot (P-N, PIN, APD), pin mặt trời, phototransitor, photoschotlky, các detector giếng lượng tử. Chúng hoạt động dựa trên cơ sở hiệu ứng quang điện trong và hiệu ứng quang điện ngoài. Các linh kiện thu tín hiệu quang có vai trò rất lớn trong nghiên cứu khoa học, công nghệ, quân sự và trong cuộc sống hàng ngày.