/ mN Nd sin si n
b) Máy thu quang dẫn
Trong khi quang dẫn là phần tử thụ động (passive element) cần một công suất cung cấp ngoài, điot quang điện là yếu tố hoạt động tạo quang điện khi được chiếu sáng, mặc dù
Hình 4.91. Sơ đồ điện của máy thu quang dẫn với bộ khuếch đại; CD là điện dung của photodiot và Ca là điện dung của bộ khuếch đại.
bức xạ
chúng thường được sử dụng với một điện áp lệch ngoài. Nguyên tắc của quang điện được minh họa trong hình 4.92.
Trong điot không được chiếu sáng, sự khuếch tán của các điện tử từ vùng n vào vùng p (và khuếch tán ngược lại của lỗ trống) tạo một điện tích không gian, với dấu ngược ở hai phía của tiếp giáp p-n, mà mang lại điên áp tiếp giáp VD và điện trường tương ứng qua tiếp giáp p-n (hình 4.92b). Lưu ý rằng điệm áp khuếch tán không thể thu nhận được qua các điện cực của điot, bởi vì nó được bù bởi hiệu thế tiếp giáp giữa hai mặt cuối của điot và dây nối ra.
Khi máy thu được chiếu sáng, cặp electron-lỗ trống được tạo bởi sự hấp thụ photon trong tiếp giáp p-n. Electron được điều khiển bởi điện áp khuếch tán vào vùng n, lỗ trống và vùng p. Điều này dẫn đến một sự giảm điện áp khuếch tán ΔVD, mà xuất hiện nhu điện áp quang điện Vph = ΔVD qua điện cực mở của photodiot. Nếu các điện cực này được kết nối với một ampe kế, dòng cảm ứng bởi photon
ph
i e A (4.132)
được đo, mà bằng tích của hiệu suất lượng tử η, diện tích hoạt động được chiếu sáng A của photodiot, và mật độ thông lượng photon tới I h/ .
Máy thu quang p-n có thể được sử dụng hoặc là tạo dòng điện hoặc nguồn điện, phụ thuộc vào điện trở ngoài giữa các điện cực.
Lưu ý: Điện áp cảm ứng photon Uph < ΔEg/e luôn được giới hạn bởi năng lượng vùng cấm ΔEg. Điện áp Uph qua đầu mút mở của photodiot đạt được tại thông lượng photon nhỏ, trong khi dòng quang điện là tuyến tính trên một phạm vi lớn (hình 4.93b). Khi sử dụng máy thu quang điện cho phép đo công suất bức xạ, điện trở tải RL phải đủ thấp để giữ điên áp ra Uph = iphRL < US = ΔEg/e luôn dưới giá trị bão hòa của nó US. Mặt khác, tín hiệu ra là
không tỉ lệ thuận với công suất ra.
Nếu điện áp ngoài U được áp dụng cho điot, dòng điot mà không được chiếu
2 / / 1 D eV kT eU kT D i U CT e e (4.133a)
biểu diễn đặc trưng điot (hình 4.93a). Đối với điện áp âm lớn U (exp(Ue/kT)<< 1), một dòng tối ngược âm
/2 eVDkT 2 eVDkT S
i CT e (4.133b)
là chảy qua điot. Trong suốt quá trình chiếu dòng tối iD chồng chất bởi dòng quang điện dương
ill D ph
i U i U i (4.134)
Hình 4.93. (a) Đặc trưng Vôn-ampe của một dòng tối và điot được chiếu; (b) điện áp
khuếch tán và điện áp quang điện tại đầu mút mỏ và dòng quang điện trong một điot hấp thụ như hàm của công suất bức xạ tới
không được chiếu
được chiếu cường độ bức xạ [mW/cm2] đ iệ n á p
Với đầu mút mở của điot ta thu được i = 0, và do đó từ (4.133a,b) điện áp quang điện trở nên 0 ln ph 1 ph s i kT U i e i (4.135) Photodiot nhanh luôn được hoạt động tại điện áp ngược U < 0, ở đó dòng ngược bão hòa is của điot tối là nhỏ (hình 4.93). Từ (4.133) ta được, với exp(Ue/kT)<< 1, cho dòng điot toàn phần
/2 eVDkT 2 eVDkT
s ph ph
i i i CT e i (4.136)
mà trở nên phụ thuộc vào điện áp ngoài U.
Các vật liệu sử dụng cho máy thu quang điện là silicon, cadmi sunfua (CdS), và gali asen (GaAs). Máy thu silicon truyền với điện áp 550mV và dòng quang điện 40mA/cm2 [4.89]. Hiệu suất η = Pel/ Pph của năng lượng biến đổi đạt được 10-14%. Thiết bị mới với số sai hỏng tinh thể cực tiểu đạt được thậm chí là 20-30%. Máy thu Gali asen (GaAs) cho một điện áp quang điện lớn hơn tới 1V, nhưng dòng quang điện hơi thấp khoảng 20mA/cm2.