Chuyên Đề : Nghiên cứu về quá trình thu quang các loại diode thu quang

Thiết bị thu quang có vai trò quan trọng trong hệ thống thông tin quang.biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện Cơ sở của hiệu ứng quang điện là quá trình hấp thu ánh sáng trong chất bán dẫnHiệu ứng quang điệnKhi chiếu ánh sáng vào tấm bán dẫn này ,nếu năng lượng của photon đến (E=hv) lớn hơn năng lượng vùng cấm của bán dẫn ,photon bị hấp thụ sẽ tao thành 1 cặp điện tử lỗ trốngDưới tác động của điện trường đặt ngoài tấm bán dẫn các điện tử và lỗ trống này sẽ dịch chuyển qua tấm bán dẫn đi qua mạch ngoài và tạo thành dòng điện với công thức Ip=RpinR là đáp ứng của diode thu quang Pin công suất quang đến

Chuyên Đề : Nghiên cứu về quá trình thu quang các loại diode

thu quang

Giảng viên: Trần Thủy Bình Nhóm thực hiện: Nhóm 8 lớp D11VT3 Thành viên:

Dương Văn Hai Nguyễn văn Quỳnh

BỘ MÔN CƠ SỞ THÔNG TIN QUANG

Vị trí của diode thu quang

Sơ đồ hệ thống truyền tải thông tin quang

Cơ chế thu quang ?

tín hiệu quang thành tín hiệu điện

Hiệu ứng quang điện

Khi chiếu ánh sáng vào tấm bán dẫn này ,nếu năng lượng của photon đến (E=hv) lớn hơn năng lượng vùng cấm của bán dẫn ,photon bị hấp thụ sẽ tao thành 1 cặp điện

tử lỗ trống

Dưới tác động của điện trường đặt ngoài tấm bán dẫn các điện tử và lỗ trống này sẽ dịch chuyển qua tấm bán dẫn đi qua mạch ngoài và tạo thành dòng điện với công thức

Ip=Rpin

R là đáp ứng của diode thu quang

Pin công suất quang đến

Quá trình biến đổi ánh sáng thành điện

Các khái niệm cơ bản

Cỏc khỏi niệm cơ bản

• Sự phụ thuộc η vào λ: liên quan đến hệ số hấp thụ

• Giả sử lớp bán dẫn bọc lớp chống phản xạ ⇒ công suất truyền qua lớp bán dẫn

• Công suất bị hấp thụ:

• Mỗi photon bị hấp thụ ⇒ cặp e-h tự do đ ợc tạo ra ⇒ Hiệu suất l ợng tử:

• ⇒ η= 0 khi α = 0 , η→ 1 khi αW >> 1

Các khái niệm cơ bản

Các loại Diode thu quang

Diode

Diode thu quang PIN

•Có cấu trúc gồm lớp bán dẫn p và lớp bán dẫn n,giữa 2 lớp bán dẫn p-n này là lớp i

•Lớp I này thường là bán dẫn thuần hoặc pha tạp ít dày hơn hai lớp còn lại

Cơ chế hoạt động của PIN

Cấu trúc và phân bố điện trường trong diode p-i-n khi có điện trường ngược đặt vào

Cơ chế hoạt động

• Do lớp i có trở kháng cao nên phần lớn điện trương sẽ đặt vào lớp i

• Khi 1 photon có năng lượng lớn hơn hoặc bằng năng lượng vùng cấm của vật liệu bán dẫn đi tới,photon này sẽ bị hấp thụ và kích thích 1 điện tử từ vùng hóa trị nhảy lên vùng dẫn

• Quá trình này sẽ hình thành cặp điện tử lỗ trống tự do và chủ yếu được tao ra trong lớp i

• Dưới tác động của điện trường lớn bên trong lớp i các điện tử lỗ trống trôi ra mạch ngoài và tao thành điện vì thế lớp i còn gọi là vùng trôi

Cơ chế hoạt động

Các thông số của Diode PIN

việc thay đổi bề dày i

photodiode

hạt mang điện cần nhiều thời gian để dịch chuyển ra ngoài

Độ rộng của lớp i

Vật liệu chế tạo

• Với các vật liệu bán đẫn có dải cấm không trực tiếp như Si và Ge để đạt được hiệu suất lượng tử hợp lý giá trị của W phải khoảng 20-50

• Vì vậy băng tần thường bị hạn chế do thời gian chuyển tiếp tương đối lớn

• Photodiode được chế tạo từ các vật liệu có dải cấm trực tiếp như InGaAs,W có thể nhỏ tới 3-5 mà vẫn đảm bảo được hiệu suất điện tử

• Thời gian chuyển tiếp của diode này giảm nên độ rộng băng tần được cải thiện

m

µ

m

µ

Cấu trúc dị thể kép

• Lớp i ở giữa được kẹp giữa các lớp bán dẫn khác nhau p và n với dải cấm được chọn để ánh sáng chỉ hấp thụ trong lớp i

• Sử dụng InGaAs làm lớp giữa InP làm lớp p và n bao quanh

• Độ rộng vùng cấm InP là 1.35eV nên InP không hấp thụ ánh sáng có bước sóng > 0.92 µ m

• Lớp InGaAs ở giữa hấp thuk mạnh bước sóng trong dải 1.3-1.6 µ m

• Cấu trúc dị thể kép loại bỏ thành phần khuếch tán do vậy tăng tốc độ đáp ứng của photodiode

Nâng cao tính năng của PIN

• - CÊu tróc dÞ thÓ kÐp ⇒ lo¹i bá dßng khuyÕch t¸n

Các loại Diode thu quang

Diode

Cấu tạo của diode APD

•Có cấu trúc gần giống với diode PIN

•APD có thêm lớp p được cấu tạo từ vật liệu loại p có điện trở

suất cao ,đóng vai trò vùng nhân.các cặp điện tử lỗ trống thứ cấp

được tạo ra ở vùng này nhờ hiện tượng ion hóa do va chạm

•Lớp i vẫn đóng vai trò vùng hấp thụ tương tự như trong PIN

Nguyên lý hoạt động

• Quá trình này làm tăng dòng điện ngoài cũng như là tăng độ nhạy

của APD

• Điều kiện để sảy ra hiện tượng ion hóa điện trường trong vùng

nhân phải gần với mức đánh thủng zener,với Si ngưỡng khoảng 105

V/cm

• Các hạt tải điện thứ cấp qua miền điện trường lớn lại tăng tốc và

có đủ dộng năng để tạo ra các điện tử lỗ trống mới.đó chính là hiệu

ứng thác lũ

Vïng nh©n

Cỏc tham số của diode APD

•Tốc độ sinh hạt tải mới đ ợc đặc tr ng bởi các hệ số ion hoá do va chạm αe, αh

•Trong đú được αe gọi là tốc độ ion húa do điện tử gõy ra

αh gọi là tốc độ ion húa do lỗ trụng gõy ra

•Hệ số khuếch đại dũng của APD cú thể tớnh toỏn được thụng qua hai phương trỡnh tốc độ liờn quan tới vựng nhõn như sau

h h e

e h

h h e

e e

i

i dx

di

i

i dx

di

α α

α α

Các tham số của diode APD

• Hệ số khuếch đại dòng:

• Khi

• Khi

• APD tốt thường chọn hoặc

• M là 1 hàm của điện áp phân cực và phải được chọn hợp lý

• Bộ đáp ứng

• Sự phụ thuộc hệ số khuếch đại theo tần số

thời gian chuyển tiếp hiệu dụng

A e

A

A e

e

K d

K

K i

d i M

1 ( exp(

1

e

h A

0[ 1 ( ) ] )

MR

Các tham số của APD

• Sự phụ thuộc hệ số khuếch đại theo tần số:

Đặc tính của 1 số diode APD phổ biến

Bảng đặc tính củ 1 số diode APD phổ biến

Các photodiode APD làm từ Si có hệ số nhân cao với mức nhiễu thấp và cân bằng.nên loại này được sử dụng phổ biến trong các hệ thông thông tin sợi quang ở bước sóng 0.85 µm với tốc độ 100Mbits/s

Với bước sóng 1.3-1.6 µm sử dụng Apd làm từ Ge và InGaAs

Một số cấu trúc APD

Một số ví dụ

Một số cấu trúc APD

Một số cấu trúc APD

Tổng kết

Cảm ơn Cô và các bạn đã lắng nghe