Kỹ thuật này được sử dụng để đo lường các xung tương đối dài (>100 ps). Với các photodiode nhanh nhất, phương pháp đo lường xung laser ngắn bằng hệ photodiode - oscilloscope chỉ cho phép phân giải tối đa ở khoảng thời gian vài chục Picô - giây.
Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý đo bằng photodiode phân cực ngược
Nguyên lý của kỹ thuật đo bằng photodiode nhanh như sau (hình 2.1): Để sử dụng loại này làm đầu đo bức xạ hệ số hấp thụ phụ thuộc vào phổ của nó là một tham số quan trọng. Trong một bán dẫn không pha tạp, sự hấp thụ một photon hv làm cho một điện tử chuyển dời từ vùng hóa trị lên vùng dẫn. Với vùng cấm ∆Eg = Ec - Ev chỉ những photon có năng lượng lớn hơn giá trị này mới có thể kích thích chuyển dời điện tử. Hệ số hấp thụ nội tại là:
( )1/ 2 0 int , ( ) 0, g r hv E v α α − ∆ = for for g g hv E hv E > ∆ < ∆ (2.1) Thể tích tích tụ các hạt tải giới hạn có thể đạt được đối với các loại photodiode PIN mà tại đó vùng không pha tạp sẽ tách rời vùng p và vùng n.
ốt sẽ tạo nên một điện trường không đổi làm gia tốc các hạt tải. Vùng giữa tại có thể khá rộng gây nên một điện dung thấp trong lớp tiếp giáp p - n tạo nên một đầu đo nhanh và nhậy. Tuy nhiên, giới hạn sự đáp ứng thời gian phụ thuộc vào thời gian dịch chuyển τ =ω/vthcủa hạt tải trong vùng giữa nó được xác định bởi độ rộng ω và vận tốc nhiệt của hạt tải vth. Đi - ốt silic PIN có độ rộng vùng giữa bằng 700 µm có thời gian đáp ứng khoảng 10 ns và độ nhậy cực đại tại λ= 1,06 µm trong khi đi - ốt có độ rộng vùng giữa 10 µm có thời gian đáp ứng đạt được 100 ps và độ nhậy cực đại 0,6 µm. Thời gian đáp ứng nhanh và nhậy đạt được khi chùm sáng được hội tụ vào giữa của đầu đo.
Từ sơ đồ mạch điện hình 2.1, điện dung Cs của đầu đo và các điện trở song song, nối tiếp của mạch sẽ quyết định hằng số thời gian hay thời gian đáp ứng tín hiệu. Thời gian đáp ứng tần số trên sẽ là
( )( ) max 1 2 1 / s s L s p f C R R R R π = + + (2.2) giá trị này giảm xuống với đầu đo bán dẫn vì Rp lớn và Rs là nhỏ max 1 2 s L f C R π = (2.3)
Sự đáp ứng tần số cao khi giá trị điện trở RL là nhỏ và chỉ phụ thuộc vào thời gian di chuyển của hạt tải qua vùng tiếp giáp p - n. Thời gian dịch chuyển này có thể giảm xuống bằng một thế hiệu dịch ngoài đặt vào các cực. Thời gian đáp ứng có thể đến dưới nano - giây nếu sử dụng một điện áp ngoại và một điện trở RL = 50Ω.
Ví dụ: Cs = 10-11F, RL = 50Ω, thì fmax = 300MHz, t = 1/(2π fmax) = 0,6 ns Khi năng lượng photon hv gần bằng vùng cấm, theo biểu thức (2.1) hệ số hấp thụ giảm và độ thấm sâu của bức xạ tăng lên. Điều này làm tăng thời gian thời gian đáp ứng do kéo dài thu gom các hạt tải.
Sự khuếch đại nội của dòng quang điện có thể đạt được bằng đi - ốt thác lũ. Đây là loại đi - ốt có một điện thế dịch ngược trong đó các hạt tải tự
do đủ năng lượng trong trường gia tốc để sinh ra các hạt tải thứ cấp khi va chạm vào nút mạng. Hệ số nhân tử M được xác định bằng số cặp điện tử - lỗ trống sinh ra sau quá trình nhân thác lũ do một photon sinh ra ban đầu. Giá trị M lên đến 106 đã được công bố cho loại đi - ốt silic có thể so sánh được với nhân quang điện (PMT). Ưu điểm của các loại đi - ốt thác lũ này là sự đáp ứng thời gian nhanh, nó giảm cùng với sự tăng thế hiệu dịch. Loại đầu đo này có thể đạt được độ bán rộng lên đến 1012 Hz nếu như thế hiệu ngược đặt vào đủ lớn mà không phá hủy đầu đo.
Để tránh sự thác lũ điện tử cảm ứng do các lỗ trống bị gia tốc theo hướng ngược lại làm tăng ồn nhiễu, hệ số khuếch đại lỗ trống phải nhỏ hơn hệ số khuếch đại điện tử. Điều này có thể đạt được bằng cách sắp xếp cấu trúc các lớp theo dạng răng cưa bậc thang làm dốc sự phụ thuộc năng lượng vùng
Hình 2.2. Đi - ốt thác lũ: a) sơ đồ minh họa quá trình thác lũ hạt tải; b) hệ số khuếch đại; c) sự biến đổi biên dải và vùng cấm khi không có
cấm ∆Eg(x) trong trường theo hướng x. Trong trường ngoài, cấu trúc này làm cho hệ số khuếch đại M của điện tử đạt được 50 - 100 lần so với lỗ trống.
Các đi - ốt thác lũ hiện đại có thể được xem như một nhân quang điện rắn. Ưu điểm của nó là cho một hiệu suất lượng tử cao (cỡ 40%) mà điện áp cung cấp thấp (10 - 20V). Nhược điểm của loại đầu đo này là diện tích thu nhận ánh sáng khá nhỏ so với diện tích thu quang của PMT khá lớn.