Bài giảng Đầu thu quang điện

Hiệu ứng quang điện• Đầu thu quang điện là thiết bị chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu điện dựa trên hiện tượng quang điện... Đáp ứng của đầu thu quang• Dòng quang điện tạo ra trong đầ

ĐẦU THU QUANG ĐIỆN

Hiệu ứng quang điện

• Đầu thu quang điện là thiết bị chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu điện dựa trên hiện tượng quang điện.

Đáp ứng của đầu thu quang

• Dòng quang điện tạo ra trong đầu thu quang tỉ lệ với công suất quang đến:

R là đáp ứng của đầu thu quang (A/W).

•

Hiệu suất lượng tử

- Hiệu suất lượng tử được định nghĩa như sau:

Đáp ứng của đầu thu:

Đáp ứng của đầu thu tăng theo bước sóng trong giới hạn xảy ra hiện tượng quang điện.

- Nếu toàn bộ quang năng hấp thụ chuyển sang điện năng, ta có:

•

Thời gian đáp ứng

• Thời gian đáp ứng là đại lượng để xác định tốc độ mà đầu thu đáp ứng với sự thay đổi của dòng quang năng.

• Thời gian đáp ứng phụ thuộc chủ yếu vào 2 yếu tố:

- Thời gian các hạt mang điện tích dịch chuyển ra mạch ngoài (bao gồm thời gian dịch chuyển trong vùng trôi và thời gian khuêch tán của các hạt mang điện được tạo ra ngoài vùng trôi), gọi là thời gian chuyển tiếp τtr.

- Hằng số thời gian RC của các mạch điện trong đầu thu τRC.

• Thời gian hạt dịch chuyển trong vùng trôi:

Đối với Si, tốc độ lớn nhất của các điện tử khoảng 8.4*106 cm/s khi cường độ điện trường là 2*104 V/m Nếu

độ rộng vùng trôi là 10 μm thì thời gian dịch chuyển là 0.1 ns.

•

Diode thu quang pin

• Diode thu quang p-i-n thông thường có cấu trúc gồm lớp bán dẫn p và lớp bán dẫn n, giữa 2 lớp bán dẫn p-n này là một lớp i Lớp i này thường là bán dẫn thuần hoặc hoặc bán dẫn được pha tạp rất ít và có độ dày hơn nhiều so với hai lớp p và n Vùng lớp I này được gọi là vùng trôi

• Độ rộng vùng nghèo w tối ưu phụ thuộc vào việc cân đối giữa tốc độ đáp ứng và độ nhạy của photodiode Với các bán dẫn có dải cấm không trực tiếp như Si hay Ge, giá trị của w nằm trong khoảng 20 – 50 μm thì có hiệu suất lượng tử hợp lý Vì vậy, thời gian đáp ứng bị hạn chế do thời gian chuyển tiếp tương đối lớn (>200 ps) Ngược lại, với các bán dẫn có dải cấm trực tiếp như InGaAs, w có thể nhỏ cỡ 3 - 5 μm mà vẫn đảm bảo hiệu suất lượng

tử, do đó thời gian chuyển tiếp của photodiode loại này cỡ 10 ps

- APD là đầu thu quang điện dựa trên hiện tượng thác lũ.

- APD có đáp ứng và tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu lớn hơn nhiều các loại photodiode do hiện tượng khuếch đại nội.

- So với cấu trúc pin, APD có thêm lớp p có điện trở suất cao Vùng p này được gọi là vùng nhân.

Hiệu ứng thác lũ

- Phương trình tốc độ:

αe, αh được gọi là tốc độ ion hóa do điện tử và lỗ trống gây ra

Nếu điện trường trong vùng nhân là đồng nhất thì chúng là hằng

APD

Si APD

Si APD

PMT

PMT dạng tròn

PMT dạng hộp và lưới

Các vật liệu thường dùng: silver-oxygen-caesium (AgOCs), antimonycaesium (SbCs), and the bi-and trialkali compounds SbKCs, SbRbCs, and SbNa2KCs.

• Những vật liệu làm dynode: alkali antimonide, beryllium oxide (BeO), magnesium oxide (MgO), gallium phosphide (GaP) Chúng được phủ lên đế dẫn điện làm từ nikel, thép…

Các phương pháp đo