photodetector seminar lý thuyết-chuyên ngành: vât liệu nano và màng mỏng

a Kim loại b Bán dẫn Hình 1.1: Phát xạ quang điện ở kim loại a và trong chất bán dẫn b Trong đó: Eg là năng lượng vùng cấm, χ: ái lực điện tử, W là công thoát.. Hiệu ứng quang điện b

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA KHOA HỌC VẬT LIỆU

BỘ MÔN VẬT LIỆU NANO & MÀNG MỎNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA KHOA HỌC VẬT LIỆU

BỘ MÔN VẬT LIỆU NANO VÀ MÀNG MỎNG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

TH.S: Ngô Hải Đăng

-

TP HỒ CHÍ MINH – 2013

LỜI CẢM TẠ

Trong quá trình thực hiện đề tài này ngoài việc học thêm nhiều kiến thức mới, em còn

được củng cố thêm kĩ năng trong trích lọc kiến thức từ tài liệu, cách thức trình bày một

khóa luận tốt nghiệp, kĩ năng tiếng Anh và nhiều kiến thức bổ ích khác Đây thực sự là

một kinh nghiệm cho chúng em hôm nay cũng như quá trình làm khóa luận tốt nghiệp

sau này

Nhóm chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy Ngô Hải Đăng đã hướng dẫn

và giúp đỡ chúng em trong quá trình thực hiện đề tài này cũng như sự dạy dỗ tận tình

trong suốt thời gian qua Kính chúc thầy luôn thành công, khỏe mạnh và công tác tốt

Em cũng xin cảm ơn tập thể lớp10MM đã giúp đỡ trong thời gian vừa qua

Chúc các bạn học tập tốt

TP.HCM, ngày 14 tháng 12 năm 2013

Nguyễn Trung Nguyên

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Phát xạ quang điện ở kim loại (a) và trong chất bán dẫn (b) 7

Hình 1.2: a) Photodiode chân không với cathode hoạt động trong chế độ phản xạ 9

b) Sự bội hóa electron trong ống photomultiplier với cathode bán trong suốt hoạt động trong chế độ truyền qua 9

c) Mặt cắt của 1 tấm microchannel 9

d) Sự bội hóa electron trong mao mạch đơn của tấm microchannel 9

Hình 1.3: Sự tạo thành electron và lỗ trống nhờ photon trong chất bán dẫn 10

Hình 2.1: Hiệu ứng phản xạ bề mặt và hấp thụ ko hoàn toàn, hiệu suất lượng tử ɳ của detector 12

Hình 2.2: Độ đáp ứng ℜ và bước sóng λ0, với tham số ɳ 14

Hình 3.1: a) cặp điện tử lỗ trống được sinh ra theo chiều x 17

b) Dòng electron và dòng lỗ trống và dòng tổng 17

Hình 3.2: dòng lỗ trống ih(t), dòng electron ie(t), và dòng tổng i(t) 18

MỤC LỤC

LỜI CẢM TẠ 2

DANH MỤC HÌNH VẼ 3

MỤC LỤC 4

Lời mở đầu 5

I Hiện tượng phân cực trong và phân cực ngoài: 6

1 Sự phát xạ photoelectron: 6

2 Quang dẫn 9

II Các thuộc tính chung 11

1 Hiệu suất lượng tử: 11

2 Độ hồi đáp: 13

3 Thời gian hồi đáp: 15

3.1 Transit-time spread 15

3.2 Định luật Ohm: 18

3.3 Thời gian liên tục RC 19

Tài liệu tham khảo 20

Lời mở đầu

Chúng ta đều biết các loại bòng đèn là thiết bị chuyển đổi năng lượng dòng điện thành ánh sáng, và photodetector hay còn gọi là bộ thu quang, là những thiết bị có chức năng ngược lại, chúng chuyển đổi ánh sáng thành các tín hiệu điện

Ở chương này chúng ta sẽ tìm hiểu về cách hoạt động của các loại photodetector Cách thức chúng chuyển đổi ánh sáng thành dòng điện, phân loại từ đó ta tìm cách ứng dụng

kết hợp chúng vào các thiết bị máy móc khác nhau

𝐸𝑚𝑎𝑥 = ℎ𝜗 − 𝑊 (1.1) Trong đó công thoát W là sự chênh lệch năng lượng giữa mức Fermi và mức chân không của kim loại Công thức (1.1) được gọi là công thức quang phát xạ Einstein Chỉ các electron nằm ở sát mức Fermi mới có động năng cực đại như trong công thức (1.1); các electron ở sâu hơn cần tốn một khoảng năng lượng để di chuyển tới mức Fermi, cho nên động năng khi được giải phóng ra giảm Công thoát nhỏ nhất cho kim loại (Cs) là khoảng 2eV, vì vậy các quang detector dựa trên hiệu ứng quang điện ngoài từ cái kim loại tinh khiết được sử dụng trong phổ nhìn thấy và UV

(a) Kim loại (b) Bán dẫn Hình 1.1: Phát xạ quang điện ở kim loại (a) và trong chất bán dẫn (b)

Trong đó: Eg là năng lượng vùng cấm, χ: ái lực điện tử, W là công thoát

Hiệu ứng quang điện bên trong chất bán dẫn được mô tả trên hình 1b, các quang electron chủ yếu được giải phóng từ vùng hóa trị Tương tự ta cũng có công thức như công thức (1.1) :

𝐸𝑚𝑎𝑥 = ℎ𝜗 − 𝑊 = ℎ𝜗 − (𝐸𝑔 + 𝜒) (1.2)

Tổng năng lượng 𝐸𝑔+ 𝜒 có thể nhỏ cỡ 1.4eV đối với một vài loại vật liệu nhất định, vì vậy các detector quang điện bán dẫn có thể hoạt động ở gần phổ hồng ngoại và hoạt động tốt ở vùng nhìn thấy và UV

Hơn nữa, hầu hết cái vật liệu, ái lực điện tử âm được hình thành từ biên vùng dẫn nằm trên mức chân không, vì vậy, chỉ cần ℎ𝜗 lớn hơn 𝐸𝑔 là đủ để xảy ra sự phát xạ (một lớp mỏng bán dẫn loại n, hay lớp kim loại phủ trên bán dẫn loại p, hay bề mặt vật liệu bị uốn cong có thể là nguyên nhân làm cho đáy vùng dẫn nằm dưới mức chân không) NEA detector, ví dụ như GaAs được phủ Cs, đáp ứng tốt ánh sáng có bước sóng gần vùng hồng ngoại, và cũng cả thiện tốt hiệu suất lượng tử và giảm đi dòng tối ( dòng rỉ) Các photocathode

được làm từ các vật liệ vô định hình hay oxit, có thể được sử dụng ở gần vùng hồng ngoại như chỉ đến bước sóng gần 1 µm

Ở dạng đơn giản nhất, các photodetector dựa vào hiệu ứng quang điện dưới dạng các ống chân không còn được gọi là các photodiode chân không hay phototubes Các electron được phát ra từ bề mặt của vật liệu quang điện gọi là photocathode đến điện cực có điện thế cao hơn là anode Photocathode có thể

bị đục và hoạt động ở chế độ phản xạ (hình 1.2a), hay bán trong suốt và hoạt động trong chế độ truyền qua (hình 1.2b) Kết quả là electron dịch chuyển giữa cathode và anode, xuất hiện dòng điện trong mạch tỉ lệ với quang thông Hiệu ứng quang điện cũng có thể tạo ra thác lũ điện tử qua quá trình phát xạ thứ cấp Phát xạ thứ cấp xảy ra khi các quang electron tác động lên bán dẫn đặc biệt hay bề mặt cesiated-oxide trong ống, được gọi là dynode, được duy trì ở các mức điện thế cao hơn Và kết quả là các dòng quang điện được

khuếch đại lên cỡ 108 Thiết bị này được gọi là photomultiplier tube (PMT) PMT có thể phát hiện và đếm các photon riêng biệt trong phạm vi rộng, tuy nhiên nó khá cồng kềnh và yêu cầu điện thế cao

Một thiết bị sử dụng nguyên tắc này là tấm micro channel, nó bao gồm hang triệu tấm xếp dạng mao mạch ( đường kính trong ≈ 10 µm) được tạo trong một tấm thủy tinh có đọ dày cỡ 1mm Cả 2 mặt của tấm được phủ một lớp mỏng kim loại đóng vai trò như các điện cực (hình 1.2c) Bên trong vách của mỗi mao mạch được phủ lớp vật liệu phát ra điện tử thứ cấp, vì vậy nó hoạt động như 1 dynode liên tục, tại các vị trí đó sẽ xảy ra sự bội hóa dòng quang điện (hình 1.2d) Tín hiệu quang thông yếu được chuyển thành tín hiệu quang điện rõ ràng hơn, do đó có thể đo trực tiếp Hơn nữa, các tín hiệu điện thông

có thể được chuyển lại thành các tín hiệu quang hình (được khuếch đại) bằng cách phủ lớp phosphor đóng vai trò như điện cực sau để tạo ra ánh sáng thông qua cathodoluminescence Sự kết hợp này gọi là sự khuếch đại tín hiệu

Hình 1.2: a) Photodiode chân không với cathode hoạt động trong chế độ

Hình 1.3: Sự tạo thành electron và lỗ trống nhờ photon trong chất bán dẫn Photodiode là một detector bán dẫn, với lớp tiếp xúc p-n, hoạt động dựa trên hiện tượng quang điện trong Photon được hấp thụ tại vùng nghèo để tạo nên electron và lỗ trống Dưới tác dụng của điện trường nội, 2 hạt mang điện này

sẽ dịch chuyển về 2 hướng đối diện và gây ra dòng điện ở mạch ngoài

Một vài photodetector kết hợp với các bộ khuếch đại nên dễ phát hiện ra tín hiệu hơn Nếu điện trường ở lớp nghèo trong photodiode đủ lớn, do điện áp phân cực ngược lớn, các electron và lỗ trống được gia tốc va chạm và kết hợp với electron và lỗ trống khác làm đấy nhanh quá trình ion hóa Thiết bị

sử dụng sự khuếch đại nội tại này được gọi là avalanche photodiodes (diode quang thác) ( APDs) APD được sử dụng luân phiên hay kết hợp trong các thiết bị khuếch đại laser, trong đó các tín hiệu quang được khuếch đại trước khi được phát hiện Mỗi cơ chế khuếch đại đều có cách khuếch đại riêng, tuy nhiên, với các detector bán dẫn để tăng dòng quang điện lên dựa vào 3 quá trình cơ bản:

 Sự sản sinh: Hấp thụ photon và sinh ra các hạt mang điện tự do

 Sự dịch chuyển: áp điện trường vào làm di chuyển các hạt mang điện để tạo ra dòng điện trong mạch

 Sự gia tăng: trong diode quang thác, các hạt mang điện được gia tốc bởi điện trường mạnh, va chạm vào các điện tử lỗ trống khác làm cho quá trình ion hóa xảy ra nhanh hơn

II Các thuộc tính chung

1 Hiệu suất lượng tử:

Hiệu suất lượng tử ɳ (0 < ɳ < 1) của photodetector là xác suất 1 photon ngẫu nhiên đập vào và tạo ra hạt mang điện Không phải tất cả các photon đập vào đều sinh ra điện tử và lỗ trống bởi vì không phải tất cả chúng đều được hấp thụ Ví dụ như trong hình 4, một vài photon bj phản xạ khi tới bề mặt detector

do ko được hấp thụ bởi vì vật liệu không đủ độ sâu Hơn nữa, một vài cặp electron trống sinh ra ở gần bề mặt nhanh chóng tái hợp bởi vì có quá nhiều tâm tái hợp trên bề mặt Hiệu suất lượng tử do đó có thể được biểu diễn:

ɳ = (1 − ℛ) 𝜁 [1 − exp(−𝛼𝒅)] (2.1)

Với ℛ là hệ số phản xạ bề mặt, ζ là phần trăm cặp electron lỗ trống đóng góp vào dòng quang điện 𝛼 là hệ số hấp thụ của vật liệu (cm-1), d là độ sâu của

detector Công thức (2.1) được tạo thành từ 3 yếu tố:

 Yếu tố đầu tiên: (1 − ℛ) đặc trưng cho sự phản xạ tại bề mặt, có thể giảm sự phản xạ bằng cách phủ màng chống phản xạ Một vài định nghĩa về hiệu suất lượng tử bỏ qua sự phản xạ bề mặt và xem xét riêng

 Yếu tố thứ 2 là ζ : phần trăm cái cặp điện tử lỗ trống không bị tái hợp tại bề mặt vật liệu và đóng góp vào quá trình quang điện Có thế giảm

sự tái hợp này bằng cách cẩn thận trong xử lí vật liệu

 Yếu tố thứ 3: ∫ 𝑒0𝒅 −𝛼𝑥𝑑𝑥/ ∫ 𝑒0∞ −𝛼𝑥𝑑𝑥 =[1 − exp(−𝛼𝒅)] đặc trưng

cho tỉ lệ photon được hấp thụ Bằng cách tăng d ta có thể có được giá

trị cực đại của yếu tố này

Và tất nhiên sẽ giảm hiệu suất nếu như ánh sáng không tập trung vào vị trí của detector

Sự phụ thuộc của hiệu suất lượng tử vào bước sóng: Hiệu suất lượng tử ɳ phụ thuộc bước sóng, bởi vì hệ số hấp thụ 𝛼 phụ thuộc vào bước sóng Nếu bước sóng λ0 có giá trị quá lớn thì ɳ nhỏ, bởi vì sự hấp phụ không thể xảy ra khi λ0 ≥

λg = hc 0 /Eg (năng lượng của photo do đó nhỏ hơn năng lượng vùng cấm và ánh sáng sẽ truyền qua) Bước sóng vùng cấm λg đặc trưng cho vật liệu bán dẫn Nếu

λ0 quá nhỏ thì ɳ cũng giảm do hầu hết các photon này được hấp thụ ở gần bề mặt thiết bị, khi ở gần bề mặt, thời gian tái tổ hợp quá ngắn, sẽ làm cho các hạt mang điện tái hợp trước khi đi vào dòng điện

Hình 2.1: Hiệu ứng phản xạ bề mặt và hấp thụ ko hoàn toàn, hiệu suất lượng tử

ɳ của detector

Khoang cộng hưởng: có thể tăng hiệu suất lượng tử ɳ điều chỉnh cấu trúc của detector, làm sao cho ánh sáng có thể tương tác với vật liệu cảm quang nhiều

lần Điều này tương đương với việc làm tăng độ rộng vùng nhạy quang d, vì vậy

là tăng độ hấp phụ và giảm lượng photon truyền qua Có thể làm điều này bằng cách đặt photodetector vào trong buồng cộng hưởng, để bẫy ánh sáng và làm tăng hiệu suất lượng tử

2 Độ hồi đáp:

Độ hồi đáp của photodectector liên quan đến dòng điện ip trong mạch và năng lượng quang tác dụng lên nó Nếu mỗi photon tới và đều tạo ra cặp điện tử lỗ trống, thì qang thông sẽ bằng điện thông Ta có: 𝑖𝑝 = 𝑒𝛷, năng lượng quang:

𝑃 = ℎ𝜗𝛷 (𝑤𝑎𝑡𝑡)và tần số 𝜗 sẽ làm phát sinh dòng 𝑖𝑝 = 𝑒𝑃/ℎ𝜗

Tuy nhiên, chỉ một phần các photon tới và sinh ra dòng điện, cho nên:

𝑖𝑝 = ɳ𝑒𝛷 =ɳ𝑒𝑃

ℎ𝜗 ≡ ℜ𝑃 (2.2) Đại lượng đặc trưng cho sự liên quan của dòng điện và năng lượng quang ℜ được gọi là độ hồi đáp của photodetector

Hình 2.2: Độ hồi đáp ℜ và bước sóng λ0, với tham số ɳ

Để ɳ = 1, thì ℜ = 1 và λ0 = 1.24

Sỡ dĩ có sự tỉ lệ của ℜ với λ0 bở vì, hồi đáp được định nghĩa dựa trên năng lượng quang, trong khi hầu hết các photodetector tạo ra dòng tỉ lệ với quang thông 𝛷

ℎ𝜗 =

𝑃𝜆0

ℎ𝑐0Tích 𝑃𝜆0 là cố định, cho nên muốn tăng P ta phải giảm 𝜆0 Trong một số

detector nhiệt đáp ứng lại năng lượng quang hơn là quang thông, cho nên độ đáp ứng không phụ thuộc vào bước sóng

Trên đồ thị ta có thể thấy, do hiệu suất lượng tử lớn nhất là 1, nên bước sóng bị giớ hạn dù có tăng độ hồi đáp Nên độ hồi đáp có thể bị giảm nếu như năng lượng quang quá lớn Khi đó, detector bị bão hòa, nên có một phạm vi hoạt động cho detector, trong phạm vi đó, detector tỉ lệ với năng lượng quang một cách tuyến tính

Độ lợi: Các công thức ở trên được xác định dựa trên giả thiết rằng mỗi cặp

quang điện tạo ra 1 điện tích e trong mạch của photodetector, tuy nhiên, thực tế

lại có nhiều thiết bị tạo ra điện tích q khác với e Ta nói những thiết bị như vậy

có độ lợi Độ lợi G được định nghĩa bằng số electron trung bình trong mạch tạo

ra mỗi cặp quang điện:

Vì vậy ta có vận tốc của các hạt mang điện: = 𝑎 𝜏𝑐𝑜𝑙 , với 𝑎 = 𝑒𝐸/𝑚 là gia tốc, 𝜏𝑐𝑜𝑙 là thời gian giữa 2 lần va chạm Các hạt mang điện sẽ trôi theo hướng của từ trường với vận tốc trôi: v = 𝑒𝑎𝜏𝑐𝑜𝑙𝐸/𝑚, thông thường được viết dưới dạng:

v = 𝜇𝐸 (3.1) Trong đó: 𝜇 = 𝑒𝜏𝑐𝑜𝑙/𝑚 là độ linh động của hạt tải

Sự dịch chuyển của các hạt mang điện trong photodetector tạo ra dòng điện ở mạch ngoài Để xác định độ lớn của dòng i(t), ta xét cặp điện tử-lỗ trống được

sinh ra theo hướng x tùy ý trong vật liệu bán dẫn có chiều dài w, áp vào điện

thế V ( hình 6a) Nếu hạt mang điên mang điện tích Q, dịch chuyển một đoạn

dx trong khoảng thời gian dt, dưới điện trường có độ lớn E=V/w, ta được:

Hạt mang điện di chuyển với vận tốc trôi v(t) theo hướng x tạo ra dòng điện

trong mạch ngoài được xác định bởi định lý Ramo:

𝑖(𝑡) = −𝑄

𝑤𝑣(𝑡) (3.2)

Giả sử lỗ trống di chuyển với vận tốc vh, và electron di chuyển với vận tốc ve,

từ công thức (1.1-10) ta có dòng lỗ trống ih= -e(-vh)/w, và dòngelectron ie=

-eve/w (hình 3.1b) Mỗi hạt mang điện góp phần làm cho dòng điện chuyển

động lâu hơn Nếu các hạt mang điện tiếp tục dic huyển cho tới biên của vật liệu, thì lỗ trống sẽ mất khoảng thời gian là x/vh và electron sẽ mất khoảng thời gian (w-x)/ve (hình 3.1a) Trong các chất bán dẫn, ve thường lớn hơn vh nên để

đi hết bề rộng cần khoảng thời gian x/vh , khoảng thời gian này được gọi là thời gian lan truyền Đây là yếu tố quan trong để giới hạn tốc độ hoạt động của các detector bán dẫn

Người ta có khuynh hướng cho rằng điện tích tạo ra ở mạch ngoài là 2e, do 1 photo giải phỏng cặp điện tử lỗ trống, cho nên có 2 điện tích Nhưng sự thật thì

điện tích được tạo ra là e, được tính bằng tổng điện tích q ở mạch ngoài bao gồm cả hai dòng electron và lỗ trống:

đều sẽ tạo ra hạt mang điện ở mọi vị trí, kể cả tại x=w, là nơi mà quãng được dịch chuyển của lỗ trống xa nhất trước khi được tái hợp tại x = 0

Hình 3.2: dòng lỗ trống ih(t), dòng electron ie(t), và dòng tổng i(t)

Tóm lại, định lý Ramo chứng minh rằng, các điện tích được giải phóng và đi ra

mạch ngoài không phải ngay lập tức, nhưng cũng không mất nhiều thời gian

Các điên tích di chuyển trong dây dẫn dường như bị kéo chậm lại một bên và

đẩy chậm một bên nên phải mất một tí thời gian để ra mạch ngoài

3.2 Định luật Ohm:

Thay vì xét một điện tích điểm Q, ta xét mật độ điện tích đều ϱ, tổng điện tích

trong photodetector là ϱAw, với A là diện tích mặt cắt ngang (hình 3.1a), từ

định lý Ramo (1-10), ta có: i(t) = -( ϱAw/w)v(t) = - ϱAv(t), nên mật độ dòng

theo trục x là: J(t) = -i(t)/A = ϱv(t ),dạng vector của công thức này là: