4.1.4. Độ đáp ứng phần tử chuyển đổi quang - điện
Photodiode cần phải có tốc độ đáp ứng nhanh để có thể hoạt động với tín hiệutốc độ cao. Nếu ngõ ra của photodiode không theo kịp với sự thay đổi của dạng tín hiệu quang ngõ vào thì dạng xung ngõ ra sẽ bị méo.Điều này sẽ ảnh hưởng đến chất lượng của tuyến do lỗi bit. Tốc độ đáp ứng của photodiode có thể đo theo thời gian lên củatín hiệu ngõ ra, từ 10% đến 90% giá trị đỉnh tín hiệu ngõ ra khi ngõ vào của photodiode chuyển sang vừa chuyển trạng thái on. Tương tự như vậy khi tín hiệu ngõ ra chuyển xuống từ
90% đến 10% giá trị đỉnh, gọi là thời giang xuống.Thời gian lên và thời gian xuống được minh họa ở hình 4.6.
Thời gian lên và thời gian xuống phụ thuộc vào các nhân tố như mức độ hấp thụ ánh sáng ở một sóng nào đó, độ rộng vùng hiếm, sự thayđổi giá trị điện dung, sựthay đổi giá trịđiện trởcủa photodiode.
Hình 4.6. Đáp ứng của photodiode với xung ánh sáng biểu diễn thời gian lên 10% đến 90% và thời gian xuống 90% đến 10%
4.1.5. Thời gian đáp ứng phần tử chuyển đổi quang - điện
Tốc độ đáp ứng hay băng thông của photodiode phụ thuộc vào ba yếu tố: thời gian vượt ra khỏi vùng hiếm (gọi là thời gian trôi) của các hạt mang điện tạo ra từ các photon tới vùng này, đáp ứng tần số được xác định bởi thời hằng RC (phụ thuộc vào điện dung của diode), và sự khuếch tán các hạt mang điện ra khỏi vùng hiếm. Thời gian hạt mang điện vượt khỏi vùng hiếm có chiều dài w được xác định theo biểu thức sau: t
d W v
= (4.19)
với vd là vận tốc trôi của hạt mang điện. w càng nhỏ thì τt càng nhỏ và sẽ càng ít bị giới hạn đếnthời gian trôi. Ngược lại, w nhỏ sẽ làm giới hạn hiệu suất lượng tử. Chúng ta xét ví dụ đối với photodiode PIN Si có độ rộng lớp I là 20µm, vận tốc trôi của các hạt electron là 105m/s. Do đó, thời gian để vượt qua vùng I là 200ps. Còn nếu vật liệu chế tạo PIN là InGaAs có độ rộng lớp I là 5µm thì thời gian trôi là 50ps. Các giá trị tính được ở trên tương ứng với thời gian chuyên lên của photodiode. Bên cạnh đó, điện dung của photodiode cũng đóng vai trò đáng kể. Nếu diện tích của diode là A và vùng hiếm có độ rộng là w thì điện dung mối nối là:
d A C w = (4.20)
Trong đó ε là hằng số điện môi của chất bán dẫn. Trong mạch hình 4.6, tốc độ đáp ứngđượcxác định bởi thời hằng RC. Do đó thời gian lên (10%-90%) là:
2,19. . 2,19. . r L d L A t R C R w = = (4.21)
Trong công thức trên, giảm w để giảm thời gian trôi thì sẽ làm tăng thời gian lên do điện dung. Chúng ta có thể cân bằng hai đại lượng này bằng cách giảm điện trở tại RL. Băng thông củaphotodiode được xác định bởi RL và Cd như sau:
1 2 . .L d B R C = (4.22)
Rõ ràng để có được thời gian lên nhỏ, photodiode phải có diện tích A nhỏ, độ rộng vùng hiếm w lớn và điện trở tải RL nhỏ.
Ví dụ: Xét một PIN Si có đường kính 500µm và w = 20µm. Sử dụng ε = 10,5×10- 13F/cm. Ta có: Cd A 4pF
w
=
Do đó nếu RL = 1000Ω thì tr = 8,8ns. Băng thông sẽ là B = 40MHz. Giảm RL = 100Ω thì tr giảm còn 0,88ns và băng thông tăng lên đến 400MHz.
4.2. Các linh kiện biến đổi quang - điện bán dẫn (Photodiode)
Linh kiện biến đổi quang điện thường được gọi là photodiode hay photodetector thực hiệnchức năng biến đổi công suất quang vào thành dòng điện ngõ ra.
4.2.1. Photodiode P-N
Photodiodde P-N là mối nối P-N hoạt động ở chế độ dòng phân cực ngược, được minh họa như hình 4.7. Ánh sáng tới phải lọt vào vùng hiếm của mối nối P-N. Ánh sáng này sẽ được hấp thụ trong vùng hiếm và phân phối năng lượng cho vật liệu. Nếu năng lượng hấp thụ đủ lớn. một cặp điện tử - lỗ trống được tạo ra. Sự phân cực ngượcmối nối P-N tạo ra một điện trường lớn trên vùng hiếm, điện trường này sẽ làm cho cặpđiện tử - lỗ trống này di chuyển ra khỏi vùng hiếm và ra mạch ngoài tạo thành dòng điện. Dòng điện này say khi qua điện trở tải RL để chuyển thành điện ápVout. Tín hiệu này sẽ được qua các tần tiếp theo để xử lý. Số lượng cặp điện tử-lỗ trống được tạo ra trong một giây phụ thuộc tuyến tính với côngsuất trường ánh sáng tới, do đó cường độ dòng điện ở mạch ngoài tỉ lệ với công suất ánh sáng tới.