Linh kiện thu quang

Báo cáo linh kiện thu quang môn thông tin quang

Linh kiện thu quang

 Nội dung:

 Giới thiệu chung về photodetector

 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Chức năng của bộ thu quang

 Chức năng của bộ thu quang

 Chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện

 Phục hồi các số liệu đã truyền qua hệ thống thông tin quang

 Linh kiện chủ yếu của bộ thu quang là các photodiode

photodiode

Nguyên lý hoạt động và cấu tạo

Sơ đồ cấu tạo chung

 Điện cực hình khuyên cho phép các

photon đi vào thiết bị

V r

(a) A schematic diagram of a reverse biased pn junction

photodiode (b) Net space charge across the diode in the

depletion region N d and N a are the donor and acceptor

concentrations in the p and n sides (c) The field in the

Các thông số cơ bản

Hiệu suất lượng tử (Quantum Efficiency):

Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất lượng tử:

Hiệu suất lượng tử của một số loại bàn dẫn ứng với các bước sóng khác nhau

Các thông số cơ bản

 Đáp ứng (Responsivity):

Ip : Dòng quang điện ra (A)

Pin: Công suất quang tới (W)

=> R=Ip/Pin (A/W)

Các thông số cơ bản

Mức độ công suất quang nhỏ nhất yêu cầu thu để đạt được mức chất lượng cho trước

Mức chất lượng đánh giá tỷ số lỗi bit trong bộ thu quang

BER = Ne/Nt

Ne: số các bit lỗi xảy ra Nt: số bit tổng cộng được truyền

Các thông số cơ bản

khoảng chênh lệch giữa mức công suất cao nhất và mức công suất thấp nhất mà linh kiện có thể thu nhận được trong một giới hạn tỷ

Các thông số cơ bản

lượng của các photon tới đập vào diode quang

Iq² = 2e.R.Po.B = 2e.Ip.B

photodiode nhưng vẫn còn dòng dò rất nhỏ trong mạch.

Id² = 2e.Id.B

Id: dòng dò

e: điện tích electron

B: độ rộng băng thông

Một số loại photo

 Photodiode loại P-N

V r

E

d drift

W t

v



Đáp ứng của một số loại photodiode

pin

PHOTO DIODE THÁC LŨ

CẤU TRÚC

APD gồm có bốn lớp: P+πPNPN+

•P+N+ là hai lớp bán dẫn có nồng độ tạp chất cao,nên điện trở hai vùng này nhỏ do vậy điện áp rơi nhỏ

•πPN là vùng nồng độ tạp chất rất ít gần như tinh khiết Gần như

là lớp I của PIN Hầu như toàn bộ photon bị hấp thụ ở vùng này tạo ra cặp điện tử, lỗ trống tự do

CẤU TRÚC

Điện trường phân bố không đều

trong toàn bộ photo diode Do vùng

hấp thụ và vùng nhân hạt tải được

tách biệt

Quang hạt tải phát sinh do hấp thụ photon chuyển động

cuốn qua vùng πPN dưới tác dụng của một điện trường trung bình đi vào vùng nhân hạt tải P-N+ ở đây đưới tác dụng của điện trường mạnh,gây ra hiện tượng đánh thủng thác lũ do ion hóa

CƠ CHẾ NHÂN HẠT TẢI

•Khi một photon bị hấp thụ sinh ra một cặp điện tử lỗ trống

•Đưới tác dụng của điện trường mạnh điện tử sẽ di chuyển đến vùng 2

•Trường hợp điện tử có mức năng lượng >Eg điện tử sẽ có khả năng tạo thành cặp điện tử lỗ trống mới và quá trình đó tiếp tục được lặp lại quá trình này là quá trình nhân thác lũ

•Các lỗ trống phát sinh tại 1 di chuyển đến 3 cũng có khả năng phát sinh cặp điện tử lỗ trống mới

CƠ CHẾ NHÂN HẠT TẢI

k<<1 ion hóa chủ yếu do điện tử

k→ ∞ ion hóa chủ yếu do lỗ trống

e h

THÔNG SỐ CỦA PHOTO DIODE APD

Hệ số khuếch đại (Hệ số nhân hạt tải)

Trường hợp nhân hạt tải chỉ bởi điện tử (k=0)

Trong quãng đường dx dòng điện tăng một lượng dJe

Trường hợp nhân hạt tải bởi cả hai loại hạt tải điện tử và lỗ trống

 

  x

J dx

x

dJ

e e

1

Đối với Si(p): m=1,5÷2 Si(n): m=3,4÷4

VBr điện áp đánh thủng (20÷500V )

Vd chiều cao rào thế

R điện trở hiệu dụng

THÔNG SỐ CỦA PHOTO DIODE APD

Khi k=0 thì là trường hợp trênKhi k=∞ thì G=1(chỉ nhân bằng lỗ trống)Khi k=1 thì G=1/(1-αew)

Thông số kỹ thuật APD PIN

Dòng tối Lớn hơn Nhỏ hơn

Độ ổn đinh Phụ thuộc vào nhiệt

độ và điện áp phân cực

Ít nhạy với nhiệt độ Điện áp phân cực Cao vài trăm volt Thấp ≤20volt

THÔNG SỐ CỦA PHOTO DIODE APD

Phototransistor

 PT có cấu tạo giống như

transistor thường.

 Chỉ khác là:

• Ở vỏ bọc phải có cửa

sổ trong suốt để ánh sáng chiếu qua đến vùng Bazo.

• Không tác dụng dòng

lên Bazo mà tác dụng ánh sáng lên Bazo

Cấu tạo

 Khi không có tín hiệu quang (hv=0) trong mạch chỉ

có dòng điện tối I0 hay còn gọi là dòng rò Đây là

dòng điện do các lỗ trống khuếch tán từ phần phát sang tới cực góp

 Khi có tín hiệu quang đến, nó sẽ hoạt động như

photodiode với dòng ngược

IR = I0 + Ip

IR: đóng vai trò của dòng IB ,Ip: là dòng quang điện

IR đóng vai trò của dòng IB I ⇔ I R gây nên dòng IC

IC = (β + 1)I= (β + 1)I0 + (β + 1)Ip

β: hệ số khuếch đại dòng của transistor khi đấu E chung.

 Hoạt động:

• Các điện tử - lỗ trống phát sinh trong vùng Bazor (nhờ ánh

sáng) sẽ bị phân chia dưới tác dụng của điện trường trên chuyển tiếp B-C

+

C

E

-• Với phototransistor npn:

 Các điện tử bị kéo về phía Colector

 Lỗ trống bị cản lại trong vùng Bazo

ÞBazo tích điện dương-> rào thế B-E giảm->dòng điện tử

từ E->B->C

•Hiện tượng xảy ra tương tự nếu phun lỗ trống vào B từ

một nguồn bên ngoài

 Sơ đồ tương đương của

phototransistor:

 Có thể coi PT như một tổ hợp gồm:

 Một photodiode cung cấp dòng quang điện tại Bazor,

 Một transistor cho hiệu ứng

khuếch đại.

 Thành phần dòng tối sẽ hạn chế khả năng khuếch đại tín hiệu quang của Transistor

 Mắc transistor quang 3 chân cực để tối ưu hoá các thông số

=>dòng điện tối giảm 10 lần, hệ

số khuếch đại tăng

Để tăng hệ số khuếch đại người ta sử dụng transistor

quang Dacling ton

Đặc tuyến và các tham số

a Đặc tuyến V-A

10 8 6 4 2 0

Ic

UCE

50mW/cm2

30mW/cm240mW/cm2

20mW/cm210mW/cm2

b Các đặc tuyến khác : Tương tự như của photodiode.

Đặc tuyến V-A của phototransistor

Phototransistor

Photodetector schottky

Photodetector schottky là loại photodetector được tạo nên từ tiếp xúc kim loại- bán dẫn Một lớp kim loại mỏng được sử dụng thay vào chỗ lớp p(hoặc n) trong photodiode chuyển

tiếp p-n

Tiếp xúc kim loại-bán dẫn

 Năm 1938 Schottky đưa ra mô hình giải thích tính chỉnh lưu của tiếp xúc kim loại-bán dẫn gọi là mô hình hàng rào schottky (schottky

barrier).Sau đây là sơ đồ vùng năng lượng của kim loại và bán dẫn trước khi tiếp xúc

Sơ đồ năng lượng của kim loại- bán dẫn loại n trước khi tiếp xúc

 Trong đó:

Φm là công thoát của kim loại

Φs là công thoát từ bán dẫn : là ái lực hóa học điện tử trong bán dẫn

 Khi kim loại và bán dẫn tiếp xúc nhau thì trong

vùng điện tích không gian xuất hiện điện trường

ngăn cản sự chuyển dời của điện tử rời khỏi bán dẫn

bán dẫn sang kim loại Trong bán dẫn loại n xuất

hiện một vùng điện tích không gian dương,còn trong kim loại tích tụ một lớp mỏng điện tử ở gần mặt

tiếp xúc.

Khi Φm > Φs tiếp xúc kim loại bán dẫn loại n tạo nên 1 chuyển tiếp chỉnh lưu điện tử sẽ chuyển dời từ bán dẫn sang kim loại.

Sơ đồ vùng năng lượng của tiếp xúc –kim loại bán

dẫn trong trạng thái cân bằng

Dưới thiên áp thuận

 Nếu kim loại có thế dương so

với bán dẫn(phân cực thuận)

thì chiều cao rào thế của bán

dẫn giảm một lượng qV(V là

điện áp phân cực ) dòng

chuyển dời từ bán dẫn sang

kim loại lớn hơn dòng từ kim

loại sang bán dẫn

 Nếu kim loại âm so với bán dẫn(phân cực ngược) thì Chiều cao rào thế tăng không có hạt tải nào vượt qua được không có dòng

Kim loại Silic loại n (V) Silic loại p (V)

-Dòng qua diode Schottky được cho bởi:

A là hằng số Richardson Φb được cho trong bảng sau:

Cấu trúc Schottky Photodetector

 Có cấu tạo đơn giản

 Không cần chuyển tiếp p-n

 Loại linh kiện dùng hạt tải cơ

bản vì vậy không có hiện

tượng trễ phản hồi do thời

gian sống của hạt tải Có tốc

độ chuyển nhanh

 Khi ánh sáng chiếu lên diode có hai chế độ làm việc:

 Khi Φb<hv<EG :Điện tử trong miền kim loại được kích hoạt và vượt qua độ cao rào

schottky.Kết quả là xuất hiện dòng quang điện

 Khi hv>EG các cặp e-h phát sinh trong bán dẫn.Khi đó các hạt tải phát sinh trong vùng nghèo sẽ bị đẩy về các phía tương ứng xuất hiện dòng quang điện

Cấu trúc:MSM (Kim loại - bán dẫn - kim loại )

 Photodetector MSM bao gồm hai lớp kim loại đặt trên 1 bề

mặt 1 lớp bán dẫn tạo thành 2 tiếp xúc Schottky Điện cực

kim loại có dạng chân cài răng lược Khoảng cách giữa

chúng d ~1,5µm sao cho khi đặt phân áp cho các điện cực

thì vùng giữa chúng hoàn toàn nghèo hạt tải.Cấu trúc MSM được đặt một phân áp lên mỗi tiếp xúc.Trong đó một là

phân áp thuận,một là phân áp ngược .

 Khi chưa đặt điện áp Cấu trúc msm có dạng đối xứng.

Điện trường tại trung tâm bằng không

Các điện tử bị bẫy trong

hố thế và không có dòng quang điện

 Khi đặt một điện áp trung bình (chưa đánh thủng) lên thì hàng rào thế năng bên tiếp xúc được phân cực thuận giảm.Xuất hiện điện trường giữa các cực điện.Phần lớn điện tử vẫn bị bẫy trong các hố thế.Lỗ trống không bị bẫy nhưng vẫn không thể rời vùng hoạt động do bị hút bởi điện tử bị bẫy.Do vậy tồn tại dòng quang điện rất nhỏ

 Khi đặt điện áp đánh thủng hàng rào thế năng biến mất xuất hiện dòng quang điện

 Dòng điện tối của linh kiện

Tài liệu tham khảo

 Physics of Semiconductor Devices (3rd Edition) - S M Sze and Kwok K Ng

 Vật liệu bán dẫn:Phùng Hồ-Phan Quốc Phô

 Công nghệ vi điện tử :Nguyễn Đức Chiến-Nguyễn Văn Hiếu

 Một số tài liệu từ Internet:

 http://vi.scribd.com/doc/23244288/MSM-Photo-Detector

 http://vi.scribd.com/doc/39798832/Chg1-Tongquan-P1-15-9-09