trên tốc độ photon tới. Nó có dạng sau:
η=toc do tao dien tu / toc do photon toi =
e h P I t P ν
Do hiệu suất lượng tử của photo diode được xác định qua hệ số hấp thụ ánh sáng, mà hệ số hấp thụ ánh sáng của photo diode lại phụ thuộc vào bước sóng, nên cuối cùng hiệu suất lượng tử η và độ nhạy R của photo diode cũng là hàm của bước sóng.
- Đáp ứng thời gian của photo diode P-N
Đáp ứng thời gian của photo diode chỉ mức độ phản ứng của photo diode với ánh sáng chiếu vào nó, hay biểu thị quán tính của photo diode. Đáp ứng thời gian của photo diode quyết định bởi các yếu tố sau:
+ Thời gian dịch chuyển của dòng điện khuếch tán của hạt dẫn ngoài vùng trôi (trong lớp P và lớp N) của diode.
+ Thời gian dịch chuyển của dòng điện trôi của các hạt dẫn qua lớp nghèo trong diode.
Để giảm đáp ứng thời gian, photo diode được chế tạo với hai vùng P và N khá mỏng. Còn để tăng hiệu suất lượng tử, tức là tăng số cặp điện tử và lỗ trống được tạo ra trong photo diode, lớp nghèo được chế tạo có độ dày càng lớn càng tốt, nhưng không làm tăng đáp ứng thời gian của photo diode.
c. Nhược điểm của photo diode P-N
Photo diode P-N có hai chiều nhược điểm cơ bản là: hiệu suất lượng tử thấp do độ rộng lớp nghèo nhỏ và đáp ứng thời gian lớn do ảnh hưởng của dòng khuếch tán lớn, nên trong thực tế kỹ thuật nó ít sử dụng làm bộ thu quang.
2.5.2.Photo diode PIN
a. Cấu tạo và nguyên tắc làm việc
Photo diode PIN được cấu tạo từ bán dẫn loại Si hay InGaAs gồm ba lớp là P, N và lớp giữa I (Instrinsic) là bán dẫn tinh khiết có trở kháng cao. Tại hai lớp P và N
có gắn lớp tiếp xúc kim loại để tạo thành các điện cực Anot và Katot. Hình 2.27 mô tả cấu trúc tiếp xúc tiết diện dọc và phân bố điện trường cùng mạch cấp thiên áp ngược cho photo diode PIN. Điện trở tải của photo diode là RL.
Hình2. 27: Tiết diện dọc và phân bố điện trường của PIN
Vùng bán dẫn tinh khiết I có trở kháng cao nên điện trường do thiên áp đặt từ ngoài lên vùng này có cường độ trường khá lớn, vì vậy tăng được tốc độ trôi của dòng điện hạt dẫn qua lớp nghèo lên nhiều lần so với photo diode P-N. Để giảm đáp ứng thời gian người ta chế tạo hai lớp P và N rất mỏng, để cho các cặp điện tử và lỗ trống chỉ được tạo ra trong lớp nghèo, nên giảm được dòng khuếch tán. Lớp nghèo chiếm cả vùng I và mở rộng một chút sang hai bên P và N, nó có độ rộng l lớn hơn, nên tăng được thiên áp đặt vào, do đó tăng hiệu suất lượng tử của diode.
Hai ưu điểm nổi trội của PIN so với photo diode P-N là hiệu suất lượng tử cao và đáp ứng thời gian nhỏ. Do vậy photo diode PIN được ứng dụng trong các hệ thống thông tin quang tốc độ trung bình, cự ly trung bình, có giá thành rẻ, tin cậy.
b. Bảng các tham số kỹ thuật của PIN
Bảng dẫn ra các tham số của một số photo diode PIN tiêu biểu làm từ các loại bán dẫn khác nhau:
Tham số (ký hiệu) Đơn vị Si Ge InGaAs
Bước sóng λ μm 0,4-1,1 0,8-1,8 1,0-1,7
Đáp ứng R A/W 0,4-0,6 0,5-0,7 0,6-0,9
Hiệu suất lượng tử η % 79-90 50-55 60-70
Dòng tối It nA 1-10 50-500 1-20
Thời gian lên τr ns 0,5-1 0,1-0,5 0,05-0,5
Băng tần Δf GHz 0,3-0,6 0,5-3 1-5
Thiên áp Vb V 50-100 6-10 5-6
Bảng2. 8: Các tham số của PIN
2.5.3.Photo diode thác APD
a. Cấu tạo và nguyên tắc làm việc
Photo diode thác APD được cậu tạo từ bán dẫn Si hoặc InGaAs, bao gồm 4 lớp P+, N+, I và P trở kháng cao. Ở đây các vùng bán dẫn có dấu + được pha tạp chất với nồng độ cao. Trong photo diode thác APD, dòng quang điện được khuếch đại lên nhiều lần do hiệu ứng nhân thác xảy ra bởi sự ion hóa do va chạm của điện tử được tạo ra với mạng tinh thể trong lớp nhân thác của photo diode để tạo ra nhiều cặp điện tử và lỗ trống mới trong khoảng thời gian rất ngắn.
Hình2. 28: Cấu trúc và cường độ trường của APD
Do có trở kháng khá cao nên dưới tác dụng của thiên áp đặt vào photo diode, điện trường trong lớp P đạt giá trị cao hơn giá trị điện trường ngưỡng nhân thác (cỡ Eng
= 3.105 V/cm). Lớp I là bán dẫn tinh khiết, là lớp nghèo dùng chủ yếu để hấp thụ ánh sáng và tạo ra các điện tử, lỗ trống trong diode. Hiệu ứng nhân thác xảy ra như sau:
- Khi photon tới có năng lượng E = hν >EG chiếu vào photo diode, trong lớp I sinh ra các cặp điện tử và lỗ trống ban đầu gọi là sơ cấp. Các điện tử này trôi dưới tác dụng của điện trường đi đến lớp P có điên trường rất cao, tại đây chúng được tăng tốc mạnh nên có vận tốc rất cao, đủ sức ion hóa khi va chạm với các điện tử trong mạng tinh thể của lớp P để tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống mới gọi là thứ cấp. Đến lượt các điện tử thứ cấp lại được trường tăng tốc và tiếp tục ion hóa va chạm với các điện tử trong mạng tinh thể để tạo ra nhiều cặp điện tử thứ cấp nữa. Quá trình ion hóa do va chạm xảy ra theo phản ứng dây chuyền trong thời gian rất ngắn để tạo ra một số lượng rất lớn các điện tử thứ cấp nên gọi là hiệu ứng nhân thác. Do đó dòng quang điện chảy trong photo diode thác đã được khuếch đại lên nhiều lần so với photo diode PIN. Lớp P được gọi là lớp nhân thác của photo diode.
b. Các tham số kỹ thuật của APD
Thừa số nhân thác M đặc trưng cho sự nhân thác dòng quang điện trong photo diode APD. Nó được biểu thị bởi tỷ lệ của dòng quang điện trung bình tổng đầu ra trên
dòng ban đầu không được nhân:
P I I M _ = .
Do đó độ nhạy của photo diode thác được biểu thị qua công thức sau:
1 MR hv e M RAPD = η =
ở đây R1 là độ nhạy của APD ứng với thừa số nhân thác M=1. Vì trong thực tế không phải mọi cặp điện tử và lỗ trống được tạo ra trong photo đều cùng được nhân thác, nên cơ chế nhân thác là quá trình thống kê. Do đó giá trị của thừa số nhân thác M được tính một cách trung bình.
- Để đảm bảo cường độ trường trong lớp nhân thác P đạt được giá trị ngưỡng nhân thác, thiên áp đặt vào photo diode thác APD phải đủ lớn (cỡ vài chục đến hàng trăm vol), nhưng phải nhỏ hơn mức đánh thủng cỡ 10% để không làm hỏng photo diode.
- Để tăng độ nhạy của APD, cần phải chọn thừa số nhân thác có giá trị lớn, tuy nhiên khi M lớn thì làm cho tạp âm của photo diode APD cũng tăng, dẫn đến giảm tỷ số tín trên tạp S/N và độ nhạy của APD. Do vậy trong thực tế cần chọn một giá trị tối ưu cho thừa số nhân thác là Mopt của APD. Giá trị tối ưu Mopt phụ thuộc vào chất bán dẫn làm photo diode (cỡ 30-100). So với PIN, APD có độ nhạy cao hơn, thiên áp ngược có giá trị lớn hơn, nhưng giá thành đắt hơn. Do vậy APD được sử dụng làm bộ thu quang trong các hệ thống thông tin quang có tốc độ bit rất cao và cự ly rất dài.
Tham số (ký hiệu) Đơn vị Si Ge InGaAs
Bước sóng λ μm 0,4-1,1 0,8-1,8 1,0-1,7
Đáp ứng R A/W 80-130 3-30 5-20
Thừa số nhân M - 100-500 50-200 10-40
Dòng tối It nA 0,1-1,0 50-500 0,1-0,5
Thời gian lên τr Ns 0,1-2 0,5-0,8 0,1-0,5
Băng tần Δf GHz 0,2-1 0,4-0,7 1,0-3,0
Thiên áp Vb V 200-250 20-40 20-30
Bảng2. 9: Các tham số của APD
2.5.4.Các tham số kỹ thuật của bộ thu quang
Các tham số kỹ thuật của bộ thu quang bao gồm: tạp âm, tỷ số tín trên tạp S/N, tỷ số lỗi bit BER và độ nhạy thu Pr min.
a. Tạp âm của bộ thu quang
Là đặc trưng kỹ thuật quan trọng có tác dụng quyết định đến chất lượng của độ nhạy bộ thu. Tạp âm của bộ thu quang bao gồm các thành phần là tạp âm lượng tử hay gọi là tạp âm bắn và tạp âm nhiệt. Tạp âm là một quá trình ngẫu nhiên, có cơ cấu tuân theo quy luật thống kê.
- Đối với bộ thu quang dùng photo diode Pin tạp âm lượng tử do ánh sáng chiếu vào và dòng tối gây ra, chúng làm thăng giáng ngẫu nhiên giá trị của dòng quang điện đầu ra photo diode. Giá trị trung bình bình phương của dòng tạp âm lượng tử được tính theo biểu thức sau:
f I I e P t S2 =2 ( + )∆ σ
- Đối với bộ thu quang dùng photo diode thác APD thì tạp âm lượng tử còn được gây ra bởi hiệu ứng nhân thác. Do đó tạp âm lượng tử của bộ thu quang này có dạng sau: f I I F eM k P t S2 =2 2 ( + )∆ σ
ở đây ( ) − − + =