2. Transistor trường MOSFET loại có kênh tạo sẵn
5.2.2. Cơ chếbức xạ laser
Cơ chế bức xạ laser có thể tóm tắt như sau: sự phân bố e-theo trạng thái năng lượng có thể trong bán dẫn phụ thuộc vào mật độ tạp chất và nhiệt độ của tinh thể.
Để có sự bức xạ cảm ứng trong bán dẫn cần phá vỡ sự phân bố cân bằng theo năng lượng. Nghĩa là phân bố lại chúng sao cho các mức năng lượng cao có mật độ trạng thái lớn hơn ở các mức thấp, tức là có sự đảo lộn mật độ (đảo mức). Chuyển mức từ thấp lên cao làm tăng năng lượng của điện tử thì nó phải hấp thụ năng lượng, còn từ cao xuống thấp thì giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt năng hoặc bức xạ ánh sáng. Môi trường có sự đảo lộn mật độ thì số chuyển mức từ cao xuống thấp rất lớn, năng lượng được giải phóng có thể
lượng tử - đó là sự phát Laser. Sự đảo lộn mật độ với chuyển mức vùng- vùng có được khi số điện tử trong vùng dẫn lớn hơn vùng hoá trị. Hiện nay có 3 cách cơ bản tạo nên sự đảo lộn mật độ (còn gọi là phương pháp kích thích hoặc phương pháp bơm).
- Kích thích quang học: chiếu vào bán dẫn các photo có các năng lượng eV lớn hơn độ rộng vùng cấm. Ưu điểm của phương pháp này là có thể sử dụng trong những vật liệu không thể tạo nên chuyển tiếp p-n ví dụ CdS và CdSẹ Nhược điểm của phương pháp này là có sự hấp thụ mạnh ánh sáng chiếu vào bán dẫn nên chỉ kích thích được một lớp mỏng bề mặt (vàiàm).
- Kích thích bằng chùm điện tử nhanh: cách này cho phép kích thích được thể tích lớn của tinh thể. Chùm điện tử phải có năng lượng lớn hơn 20 KeV hướng vào bề mặt bán dẫn, để tạo được cặp điện tử- lỗ trống cần năng lượng gấp 3 lần độ rộng vùng cấm. Mỗi e- có thể tạo nên 104 cặp. Hệ số kích thích bằng chùm điện tử≤40%.
- Kích thích bằng sự phun hạt tải điện qua chuyển tiếp p - n: sự phun thực hiện bằng cách đặt một điện áp vào chuyển tiếp p - n theo chiều phân cực thuận, khi đó hàng rào thế của bán dẫn hạ xuống và qua chuyển tiếp có dòng hạt tải cơ bản rất lớn (lỗ trống phun từ bên p, còn e-phun từ bên n), mật độ dòng đạt đến 103đến 104A/cm2, tức là phải có dòng vài chục mA chạy qua diodẹ Gần chuyển tiếp p - n sinh ra 1 miền với sự đảo lộn mật độ. Bức xạ cảm ứng sinh ra khi có chuyển mức điện tử từ vùng dẫn xuống vùng hoá trị. Quá trình chuyển mức cảm ứng có kèm theo bức xạ (lượng tử ánh sáng) và sự tái hợp điện tử- lỗ trống trong chuyển tiếp p - n. Đây là phương pháp được dùng phổ biến trong chế tao diode laser.
Sự đảo lộn mật độ trong bán dẫn tạo nên môi trường khuếch đại ánh sáng. Nếu có thêm hệ phản hồi dương thì môi trường này sẽ đủ điều kiện phát ánh sáng laser. Hệ phản hồi dương ở đây chính là hệ cộng hưởng quang học. Cộng hưởng quang học của Laser bán dẫn được tạo nên bằng các bề mặt phản xạ trên mặt biên giữa tinh thể và không khí. Hai bề mặt đối diện này được đánh bóng để phản xạ tốt (hoặc có thể áp hai gương phản xạ vào 2 mặt biên này).
Ngưỡng kích thích laser
Sự phát xạ tia sáng phụ thuộc sự kích thích vùng chuyển tiếp, có nghĩa là phụ thuộc vào dòng kích thích cường độ sáng tổng cộng (gồm bức xạ bức xạ kích thích và bức xạ tự động). Hình 5.4 cho thấy cho thấy sự thay đổi thông lượng sáng theo theo mật độ dòng kích thích.
Khi dòng kích thích nhỏ, sự đảo mức chưa được thực hiện, do vậy chỉ có bức xạ tự động xuất hiện.
Khi mật độ dòng đạt giá trị ngưỡng Jth thì bức xạ laser khởi phát. Thời gian sống của các hạt tải trở lên rất nhỏ, toàn bộ dòng điện bị đồn vào miền mà ở đó bức xạ kích thích được sản sinh. Miền đó được gọi là miền hoạt động. Với một miền hoạt động có chiều dầy d đồng nhất chất đầy hốc cộng hưởng quang học người ta tìm thấy:
nR ph th qd K J = th
: thời gian sống của các photon trong hốc cộng hưởng quang học.
nR
: thời gian sống của các điện tử trong chế độ bức xạ tự động.
K: hệ số tỉ lệ.
Như vậy dòng ngưỡng tỉ lệ với thời gian sống của các hạt tải và của các photon trong hốc cộng hưởng laser.
Nếu dòng kích thích lớn hơn dòng ngưỡng, thì cường độ của tia sáng phát xạ tỉ lệ với số dư của dòng so với giá trị ngưỡng (đoạn 3).
5.2.3. Cấu trúc của diode laser
A D a) b) 100 8 60 40 20 0 825 835 845 855 865nm Cường độ bức xạ λ 13 nm 1,5 nm 1 2 B C A’ B’ C’ p n 50àm 250àm (5-10)àm Hình 5.4: Ngưỡng kích thích của diode laser.1- Bức xạ tự động, 2- Bức xạ kích thích, 3- Dao động duy trì J 1 Jth 2 3
Diode laser được chế tạo có nhiều loại, được dùng rộng rãi hiện nay là Laser bán dẫn GaAs và được bơm bằng sự phun hạt tải điện qua chuyển tiếp p - n cấu tạo của nó như trên hình 5.5 ạ
Diode laser có tấm dưới là GaAs pha tạp chất Tellua có độ dẫn loại n. Tấm trên là GaAs pha tạp chất Zn có độ dẫn p, mỗi tấm có 1 tiếp điểm nối với nguồn điện ngoài, kích thước hình học như hình vẽ. Chiều dày của miền tạo ra bức xạ chỉ cỡ ≤ àm. Hai đầu (hai mặt phẳng ABCD và ÁB'C'D') được đánh bóng tạo nên 2 gương phản xạ đó là hệ cộng hưởng hở và bức xạ Laser (màu đỏ) thoát ra từ đó.
Dạng phổ của Laser GaAs cho thấy trên hình 5.5 b.
Đường 1: Mật độ dòng thấp 11.000A/cm2 độ rộng vạch phổ lớn- độ đơn sắc kém.
Đường 2: Mật độ dòng cao 19.000A/cm2 độ rộng vạch phổ nhỏ- độ đơn sắc caọ
Góc khối của chùm Laser đạt được 10theo phương nằm ngang và 60theo phương thẳng đứng.
5.2.4. Đặc trưng kỹ thuật cơ bản của Laser bán dẫn
Hiện nay hiệu ứng Laser nhận được ở nhiều vật liệu bán dẫn. Dải sóng của một số Laser bán dẫn cho trong bảng 5.2
Bảng 5.2: Dải sóng của một số Laser bán dẫn
Vật liệu chế
tạo Laser Bước sóng
Vật liệu chế
tạo Laser Bước sóng
Zn S λ= 0,35àm InP λ= 0,9àm
Cd (S + Se) λ= (0,5ữ0,69)àm GaSp λ= 1,6àm Ga (As + P) λ= (0,65 ữ0,9) àm PbS λ= 4,3àm In (As + P) λ= (0,9 ữ0,32)àm PbSe λ= 8,5àm
GaAs λ= 0,85àm
Để truyền tin dùng cáp quang thường dùng các máy phát laser có
λ= 1,3àm vàλ= 1,55àm để giảm suy hao trên đường truyền. Khi sử dụng diode laser lưu ý các thông số sau:
- Điện áp cung cấp (V- DC) - Dòng ngưỡng (Ing)
- Dòng làm việc (I) - Bước sóng (λ)
- Nhiệt độ làm việc (oC)
Tham số của một số Laser bán dẫn trong công nghiệp cho trên bảng 5.3.
Bảng 5.3: Tham số của một số Laser bán dẫn trong công nghiệp
Laser Điện áp (V) Ing (mA) I (mA) λ (nm) P (mW) T (oC) LAS670/05 2.3 30 45 670 5 0 - 45 LAS650/03 2.3 30 40 650 3 0 - 45 LAS650/05 2.3 25 35 650 5 0 - 45 LAS635/05 2.3 30 40 635 5 0 - 45 LAS63/01 5 60 635 1 0 - 45
Ưu điểm của Laser bán dẫn có hiệu suất caọ Cường độ bức xạ có thể điều chế qua dòng bơm. Tần số giới hạn điều chế tới 1011 Hz (vì thời gian sống của hạt tải chỉ cỡ 10-11sec).
Diode laser rất dễ bị hư hỏng với những xung điện cao thế phát sinh từ các nguồn điện (dù các xung này có thời gian tồn tại rất ngắn, vài ns), các xung này có thể phát sinh do đóng mở mạch điện, do vậy nguồn điện cấp cho diode laser phải có mạch bảo vệ. Mặt khác chỉ nên vận hành diode laser dưới 2/3 công suất phát sáng cao nhất của nó, thông thường đi kèm với diode laser thường có monitor diode để giám sát công suất bức xạ của diode laser.
Diode laser được dùng phổ biến trong điều khiển tự động; kỹ thuật truyền tin; đọc dữ liệu trong CD, VCD, DVD...
5.3. Photo diode (diode quang)
Photo diode là dụng cụ quang điện bán dẫn sử dụng hiệu ứng quang điện nộị Nó có cấu tạo như diode thường nhưng vỏ bọc cách điện có một phần là kính hay thuỷ tinh trong suốt để nhận ánh sáng chiếu vào (ký hiệu hình 5.6 a).
a) b) + + - - I 0 Iφ U φD RT E p n φ IφD
Khi phân cực ngược cho photo diode bằng nguồn E (hình 5.6 b) và chưa có ánh sáng chiếu vào dòng qua diode là dòng ngược bão hoà I0 có trị số rất nhỏ.
Khi chiếu sáng vào chuyển tiếp p - n nhờ quá trình ion hoá các nguyên tử của tinh thể làm sinh ra các cặp điện tử – lỗ trống. Dưới tác dụng của điện trường ngoài các điện tích này được chuyển động định hướng: lỗ trống đi về bán dẫn loại p, điện tử đi về phía bán dẫn loại n. Như vậy qua tải sẽ có dòng:
IφD ≈I0+ Iφ
Trong đó dòng Iφdo hiệu ứng quang điện tạo rạ
Qua thí nghiệm cho thấy độ lớn dòng Iφphụ thuộc vào cường độ quang thông chiếu vào photo diode, khi quang thông càng lớn, dòng Iφ càng lớn (hình 5.7).
Từ đặc tuyến V-A hình 5.7 cũng cho thấy sự cách biệt rất lớn của điện trở của photo diode lúc bị che tối và lúc được chiếu sáng:
- Khi che tối Rtối: rất lớn
- Khi chiếu sáng Rsáng= 10 KΩđến 100 KΩ
Photo diode được dùng để ghi nhận bức xạ ánh sáng. Ví dụ sử dụng trong hệ thu tín hiệu điều khiển từ xa của các tivi, đầu CD, VCD ...
5.4. Photo transistor (Quang transistor)
5.4.1. Photo BJT
Photo BJT là là một transistor lưỡng cực có base nhạy sáng, hoạt động như một photo diode nhưng có khả năng khuếch đại dòng quang điện.
IφD UDng 0 φ4>φ3>φ2>φ1 Iφ4 Iφ3 Iφ2 Iφ1 I0 φ4 φ3 φ2 φ1 φ= 0
Tương tự như BJT, photo BJT cũng có 2 loại p - n - p và n - p - n . Kí hiệu và cấu tạo của photo BJT được trình bày trên hình 5.8.
Nếu cực base để hở (nghĩa là không nối với bất kỳ chân nào) thì khi chưa chiếu sáng có dòng rò (dòng ngược của tiếp giáp C-B) ICE0 chạy qua cực C và B. Do cực B hở nên tiếp giáp B-E được phân cực thuân chút ít (cỡ vài chục mV với transisror Si) do vậy dòng qua cực C lúc này là dòng tối It=βICE0
Khi base được chiếu sáng, dòng quang điện Iφ xuất hiện trong photo diode tạo bởi tiếp giáp collector – base và điều khiển hoạt động của transistor. Do vậy dòng collector đo được: IC=β(Iφ+ ICE0)
a) b) c)
Hình 5.8: Cấu tạo của và ký hiệu Photo BJT
p n p E B C ánh sáng IC(mA) UCE φ1 A B φ= 0 Q φ2 φ3 φ4 φ1<φ2<φ3<φ4 a) b) c)
Hình 5.9: a) Đặc trưng V - A của Photo BJT b) Photo transistor mắc theo sơ đồ EC
out R
out R
Như vậy dòng điện qua photo BJT khi được chiếu sáng là dòng quang điện của photo diode tạo bởi tiếp giáp collector – base nhân với hệ số khuếch đạị Vì vậy photo BJT có hệ số khuếch đại cao hơn photo diode hàng trăm lần (từ 100 đến 400 lần), nhưng có nhược điểm là dòng tối lớn. Ngoài ra do độ dày của miền base lớn nên hằng số thời gian của các quang hạt tải cũng lớn do vậy tần số cắt của photo BJT nhỏ hơn rất nhiều so với photo diodẹ
Đặc tuyến von - ampe của photo BJT được trình bày trên hình 5.9 a
Photo BJTcó thể mắc trong sơ đồ đo quang thế BC, CC, CE như các transistor thông thường chỉ khác là sơ đồ có thể để trống một chân không mắc. Thông thường photo BJT mắc theo sơ đồ EC, CC trên hình 5.9 b,c.
Để tăng tần số cắt người ta có thể nối base với emitter nhưng như vậy làm cho độ nhạy của photo transistor giảm.
Để tăng độ nhạy có thể chế tạo vi mạch gồm 2 transistor tạo thành photo darlington lúc đó photo transistor có độ nhạy rất lớn nhưng tần số cắt lại giảm.
Photo BJT được ứng dụng trong các mạch tự động điều khiển, điện báo quang, đo quang thoại lối vào và lối ra thông tin, trong kỹ thuật máy tính, điện ảnh, ghi nhận các ánh sáng nhìn thấy và không nhìn thấy (mắt thần sensor trong các TV, video, CD có điều khiển từ xa)....
Hình 5.10 cho thấy ứng dụng photo BJT trong mạch tự động đóng cắt đèn chiếu sáng. Khi trời sáng đèn Đ tự động tắt, khi trời tối đèn tự động được chiếu sáng. Photo transistor làm nhiệm vụ cảm biến ánh sáng, khi trời sáng Rpt của photo transistor nhỏ, Q khoá, Rơ le RL không có dòng qua, tiếp điểm của RL hở, đèn Đ không sáng.
Khi trời tối Rpt lớn, Q dẫn, RL có dòng qua hút tiếp điểm chập lại, đèn Đ sáng.
5.4.2. Photo transistor trường
Cấu trúc của photo transistor trường được minh hoạ trên hình 5.11
Hình 5.10:ứng dụng photo transistor trong mạch tự động đóng cắt đèn chiếu sáng
+Ec R RL AC 220V Q Đ
Giữa các miền bán dẫn loại n ở cực S và D, người ta tạo kênh dẫn loại n. Dòng chạy trong kênh dẫn là dòng các hạt tải điện cơ bản.
Khi chiếu sáng ở gần lớp chuyển tiếp giữa kênh dẫn n và đế bán dẫn loại p, các cặp điện tử lỗ trống được hình thành. Dưới tác dụng của điện trường lớp tiếp xúc các điện tử và lỗ trống dịch chuyển theo hai chiều ngược nhau tạo nên dòng quang điện qua cực cửa, gây sụt áp trên điện trở RClàm thay đổi điện áp cực cửạ
Sự thay đổi dòng cực máng cũng tương tự như là transistor trường thông thường:
ID = S . EG = SRGIφG Độ nhạy cảm của photo transistor trường:
K ID =
Độ nhạy của photo transistor trường lớn hơn nhiều so với độ nhạy của photo BJT. Điện trở lối vào của transistor trường lớn, nó có thể làm việc với tín hiệu lớn. Dải truyền (106ữ107)Hz.
Photo transistor trường cũng được ứng dụng trong các mạch tự động điều khiển, điều khiển từ xa ....
5.5. Photo thyristor
Hình 5.11: Cấu trúc vầ ký hiệu của Photo transistor trường
S D SiO2 n+ n+ Si - p RG + + Kênh dẫn n Thấu kính RT EG ED G D S
Photo thyristor là loại linh kiện quang bán dẫn có ít nhất 3 lớp chuyển tiếp p - n. Photo thyristor có cấu tạo như thyristor thông thường nhưng có thêm cửa nhận ánh sáng. Trên hình 5.12 trình bày cấu tạo, ký hiệu, sơ đồ tương đương của photo thyristor. Ta có thể khảo sát hoạt động của photo thyristor như hai transistor p - n - p và n - p - n mắc như hình 5.12c.
Đặc trưng von - ampe của photo thyristor được trình bày trên hình 5.13.
Khi không có ánh sáng chiếu vào (φ = 0) dòng tối của photo thyristor được xác định theo hệ thức: ) ( 1 1 2 02 01 + − + + = C C G T I I I I + - + - + - + - n p n p A G K ánh sáng G A K Z T1 Z T2 E2 E1 Z IK IA IC1 IC2 G A K a) b) c)
Hình 5.12: Cấu tạo, ký hiệu và sơ đồ tương đương của photo thyristor
φ2 φ1 φ0
Um2 Um1 Um0 UAK IA
Hình 5.13: Đặc trưng V - A của photo thyristor
Khi có ánh sáng chiếu vào photo thyristor, trong các lớp bán dẫn của photo thyristor hình thành các cặp điện tử và lỗ trống. Số cặp điện tử, lỗ trống ở các lớp giảm theo khoảng cách xuyên sâu của ánh sáng. Các phần tử tải điện phát sinh do có ánh sáng dọi vào dưới sự tác động của điện trường trong các lớp bán dẫn, chúng chuyển động tách riêng ra tạo nên dòng quang điện.
) ( 1 1 2 2 1 + − + + = IC IC IG I
Khi tăng cường độ ánh sáng thì dòng quang điện tăng dẫn đến tăng hệ số khuếch đạiα1+α2.
Khiα1+α2= 1 dòng I qua photo thyrystor tăng đột ngột .
Dòng qua photo thyrystor phụ thuộc vào quang thông. Đây là tính chất đặc trưng liên quan đến ánh sáng của photo thyrystor. Dòng quang điện của