7.2.1 giới thiệu
Diode quang hay Photodiode là một loại Diode bán dẫn thực hiện chuyển đổi photon thành điện tích theo hiệu ứng quang điện.
Hình 7.3 Ký hiệu của diode quang
Các photon cĩ thể là ở vùng phổ ánh sáng nhìn thấy, hồng ngoại, tử ngoại, tia X, tia gamma. Khi photon xâm nhập lớp hoạt động của photodiode là tiếp giáp p-n hoặc cấu trúc PIN, sẽ tạo ra điện tích làm phát sinh dịng điện. Tùy theo cách thức chế tạo, mà dịng điện này nhỏ và photodiode dùng làm cảm biến photon, hay dịng điện đủ lớn để làm nguồn điện như trong pin mặt trời.
Cảm biến photodiode cĩ ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện tử, đặc biệt là các thiết bị đo đạc, giám sát, truyền dẫn thơng tin, điều khiển,... Chúng được chế tạo từ dạng đơn lẻ để cảm biến trạng thái nào đĩ như giấy trong khay của máy in cịn hết, đến dạng tích hợp mảng lớn (Array) như cảm biến ảnh với hàng triệu phần tử như cảm biến CCD.
Để làm việc với vùng phổ ánh sáng chọn lọc thì các màng lọc phù hợp được phủ lên bề mặt photodiode.
7.2.2 Nguyên lý hoạt động
Photodiode được làm bằng một số chất bán dẫn liệt kê dưới đây, và vùng phổ ánh sáng làm việc. Phạm vi của ánh sáng nhìn thấy là từ 380 nm đến 780 nm.
Photodiode cĩ cấu trúc lớp hoạt động là tiếp giáp P-N, loại mới hơn thì là cấu trúc PIN. Khi photon cĩ năng lượng đủ lớn xâm nhập lớp hoạt động này sẽ bị hấp thụ, và theo hiệu ứng quang điện tạo ra cặp điện tử-lỗ trống. Nếu hấp thụ xảy ra trong vùng nghèo của tiếp giáp hoặc vùng khuếch tán, điện trường của vùng nghèo làm các hạt mang điện dịch chuyển, lỗ trống về anode cịn điện tử về cathode, làm phát sinh dịng điện.
2019 TRANG 113
Chất bán dẫn Ký hiệu hĩa Vùng bước sĩng (nm)
Silicon Si 190–1100
Germani Ge 400–1700
Arsenua indi InAs 800–2600
Sulfua chì(II) PbS 1000–3500
Tellua cadmi-thuỷ ngân HgCdTe 400–14.000
Tellua cadmi CdTe 5000–20.000
Thơng thường thì điode cĩ dịng điện rị, ở photodiode gọi là dịng tối, là dịng khi khơng cĩ photon chiếu vào. Dịng điện qua photodiode là tổng của dịng quang điện và dịng rị. Để tăng độ nhạy cảm biến thì cơng nghệ chế tạo phải hạn chế được dịng rị
Hiệu ứng quang điện là hiện tượng gắn liền với chất bán dẫn, nên khi chế các linh kiện khơng hoạt động với photon thì phải bố trí che ánh sáng đi. Các che chắn khơng phải là tuyệt hồn hảo, nên máy điện tử cĩ thể lỗi hoặc hỏng khi vào vùng nhiễu cao, chẳng hạn vùng chiếu tia X, tia gamma mạnh hay trong vũ trụ.
7.2.3 Các chế độ hoạt động
Chế độ quang điện
Photodiode quang điện (Photovoltaic mode) làm việc khơng đặt điện áp (bias), dịng quang điện được ánh sáng tạo ra và cĩ thể dùng làm nguồn cấp điện. Các pin mặt trời hoạt động ở chế độ này.
2019 TRANG 114
Hình 7.4: Pin năng lượng mặt trời
Chế độ quang dẫn
Photodiode quang dẫn (Photoconductive mode) làm việc cĩ đặt điện áp ngược. điện áp ngược làm mở rộng vùng nghèo, tăng dịng rị, tăng tiếng ồn và giảm điện dung tiếp giáp, nhưng khơng tác động đến dịng quang điện. Đối với một vùng phổ ánh sánh nhất định, dịng quang điện tỷ lệ tuyến tính với cường độ ánh sáng, và cĩ đặc trưng đáp ứng nhanh hơn chế độ quang điện. Các điốt PIN giảm được tiếng ồn và dịng rị, cĩ thể đạt dịng rị <1 nA.
Hình 7.5: Photodiode với chất bán dẫn Si nhận biết ánh sáng trong vùng nhìn thấy được
Chế độ tuyết lở
Photodiode tuyết lở (Avalanche) làm việc với thiên áp ngược đủ lớn, dẫn đến khi photon tạo cặp điện tử-lỗ trống xảy ra thì sự tăng tốc do điện trường đủ
2019 TRANG 115
mạnh sẽ kích thích vụ tạo cặp khác theo dạng sự cố sạt lở tuyết. Nĩ làm tăng độ khuếch đại và đặc trưng đáp ứng với sự kiện.