Tính chất đặc trưng và một số ứng dụng của phôtôđiốt

Độ dày của miền bán dẫn loại P là rất mỏng để cho tín hiệu ánh sáng khi rơi vào Phôtôđiốt không bị hấp thụ trong miền này mà được hấp thụ trong vùng sát với lớp chuyển tiếp PN hoặc được

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINHKHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Lưu Tiến Hưng đã hướng dẫn em

rất tận tình, chỉ bảo, cung cấp nhiều tài liệu, thiết bị cơ sở vật chất liên quan cho

đồ án tốt nghiệp và đưa ra những lời khuyên hữu ích để em nhanh chóng hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp Cảm ơn các thầy, cô giáo trong khoa Điện Tử - Viễn Thông, cùng các bạn trong lớp 48K-ĐTVT đã giúp đỡ mọi mặt trong thời gian vừa qua

Trong quá trình hoàn thành đồ án mặc dù đã có rất nhiều cố gắng nhưng do tầm hiểu biết và điều kiện thực hiện đề tài là có hạn Do đó sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được sự góp ý, phê bình, chỉ dẫn của quý thầy cô, các bạn sinh viên và bạn đọc để đề tài này được hoàn thiện hơn

Vinh, ngày … tháng … năm 2012

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Văn Sử

MỤC LỤC

Lời cảm ơn……… ……….……… 1

Mục lục……… … ……… 2

Danh mục các hình vẽ……… ….……… 5

Danh mục các bảng biểu……….……… 7

Mở đầu……… ……… 8

Chương I Tổng quan về Phôtôđiốt ….……… … 10

1.1 Định nghĩa, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Phôtôđiốt……… 10

1.2 Định nghĩa……… 10

1.3 Cấu tạo……… 10

1.4 Nguyên lý hoạt động của phôtôđiốt……… 11

1.5 Phân loại phôtôđiốt……… 16

1.6 Phôtôđiốt PN……… 16

1.7 Phôtôđiốt PIN……… 17

1.8 Phôtôđiốt thác lũ (Avalanche phôtôđiốt –APD)……… 18

1.9 Phôtôđiốt Schottky……… 20

1.10 Một số tính chất đặc trưng của phôtôđiốt……… 21

1.11 .Hiệu suất lượng tử……… 21

1.12 Đặc trưng độ nhậy phổ……… 22

1.13 Đặc trưng I-V tối sáng……… 25

1.14 Dòng tối của phôtôđiốt……… 25

1.15 Dòng quang điện trong phôtôđiốt……… 27

1.16 Đặc trưng C-V ngược………29

1.17 Nhiễu của phôtôđiốt……… 30

1.17.1 Hiệu ứng nhiệt độ……… 32

1.17.1.1 Điện trở shunt và dòng tối……… 32

1.17.1.2 Điện áp đánh thủng……… 33

1.17.2 Sự phân cực……… 33

1.17.1.3 Chế độ Photoconductive(PC)……… 33

1.17.1.4 Chế độ Photovoltaic (PV)……… 36

Kết luận chương……… 38

Chương II Một vài ứng dụng điển hình của Phôtôđiốt……… 39

2.1 Đồng hồ đo hấp thụ ánh sáng……… 39

2.2 Cảm biến ánh sáng bằng cách sử dụng khuếch đại thuật toán tốc độ cao……… 40

2.3 Đo tổng phát xạ của đèn LED……… 40

2.4 Máy dò tia X……… 41

2.4.1 Nguyên lý làm việc……… 42

2.4.2 Các thông số kỹ thuật XR-100CR……… 43

2.4.3 Sử dụng ống trực chuẩn……… 44

2.4.4 Chế độ làm việc chân không……… 45

2.4.5 Đường cong hiệu suất……… 45

2.5 Một số ứng dụng khác……… 46

Kết luận chương……… 47

Chương III Thiết kế, lắp ráp mạch đóng ngắt tự động dùng Phôtôđiốt Silíc PD204-6C……… 48

3.1 Mục đích, yêu cầu……… 48

3.2 Phương án thiết kế……… 48

3.3 Sơ đồ nguyên lý và nguyên lý hoạt động mạch……… 54

3.3.1 Sơ đồ nguyên lý mạch……… 54

3.3.2 Nguyên lý hoạt động……… 55

3.4 Kết quả và nhận xét……… 60

KẾT LUẬN……… 61 Tài liệu tham khảo……… 62

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cấu trúc của một phôtôđiốt silíc điển hình……… 11

Hình 1.2 Cơ chế các cặp hạt tải và tạo thành dòng quang điện trong phôtôđiốt khi có nguồn sáng chiếu vào……… 13

Hình 1.3 Đặc trưng I-V của phôtôđiốt với các cường độ chiếu sáng khác nhau ……… 15

Hình 1.4 Cấu trúc của một phôtôđiốt PIN……….… 17

Hình 1.5 Cơ chế nhân thác lũ trong APD……… 19

Hình 1.6 Cấu trúc của phôtôđiốt Schottky……… 21

Hình 1.7 Phổ độ nhậy của phôtôđiốt Silíc phụ thuộc vào bước sóng theo lý thuyết và thực nghiệm……… 23

Hình 1.8 Đặc trưng độ nhậy phổ điển hình của một vài loại phôtôđiốt planar……… 24

Hình 1.9 Mạch ví dụ hoạt động chế độ photoconductive: Mức ánh sáng thấp/ Dải thông rộng……… 34

Hình.1.10 Mạch ví dụ về sự hoạt động của chế độ photoconductive……… 35

Hình 1.11 Mạch ví dụ hoạt động chế độ photovoltaic……… 36

Hình 1.12 Mạch ví dụ về mảng của phôtôđiốt……… 38

Hình 2.2 Sơ đồ mạch cảm biến ánh sáng bằng cách sử dụng thuật toán tốc độ cao……… 40

Hình 2.3 Sơ đồ mạch đo tổng phát xạ của đèn LED……… 41

Hình 2.4 Bộ tùy chọn mở rộng máy dò XR-100CR……… 41

Hình 2.5 Biểu diễn hiệu suất năng lượng máy đầy đủ dò XR-100CR……… 45

Hình 2.6 Biểu diễn xác suất của một photon trải qua bất kỳ sự tương tác, cùng với xác suất của một sự tương tác quang điện mà kết quả có trong tổng năng

lượng tích tụ……… 46

Hình 3.1 a-Sơ đồ quy ước bộ so sánh……… 50

b-Đặc tuyến truyền đạt lý tưởng……… 50

c-Đặc tuyến truyền đạt thực……….50

Hình 3.2 Dạng so sánh trong mạch thực tế……… 51

Hình 3.3 Đặc tuyến truyền đạt thực……… 51

Hình 3.4 Sơ đồ điển hình của mạch điều khiển công suất……… 52

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý của IC OP.MA741……… 52

Hình 3.6 Các đường đặc tuyến cơ bản của phôtôđiốt silíc PD204-6C……… 54

Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển ánh sáng tự động sử dụng phôtôđiốt silíc PD204-6C……… 54

Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý mạch điều chỉnh ánh sáng phát……… 56

Hình 3.9 Hình ảnh kết quả thí nghiệm bộ điều khiển ánh sáng tự động sử dụng Phôtôđiốt PD204-6C……… 58

Hình 3.10 Hình ảnh bộ thí nghiệm khi không có ánh sáng tác động vào phôtôđiốt……… 59

Hình 3.11 Hình ảnh bộ thí nghiệm khi có ánh sáng tác động vào phôtôđiốt……… 59

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1 Độ nhậy phổ của phôtôđiốt Silíc lý tưởng phụ thuộc vào bước sóng……… ……… 25

MỞ ĐẦU

Vào đầu những năm 1980 có rất nhiều loại linh kiện quang bán dẫn ra đời,

nó bắt đầu xác định chỗ đứng vững chắc và dần dần giữ vai trò quyết định trong lĩnh vực phát triển các hệ thống thông tin quang mới tiếp theo trong tương lai Chúng là những phần tử rất quan trọng trong các ngành kỹ thuật như truyền tin,

đo lường, điều khiển tự động…Trong các linh kiện đó, Phôtôđiốt là một linh kiện thu quang có rất nhiều ứng dụng trong khoa học và công nghệ cũng như trong thực tiễn Người ta sử dụng Phôtôđiốt để làm các loại detector trong những thiết

bị đo đạc các thông số trong môi trường, trong công nghệ sinh học,trong y học, trong các ngành công nghiệp… Phôtôđiốt cũng là dụng cụ không thể thiếu trong thông tin quang, trong kĩ thuật tự động hóa…Nhờ những thành tựu mới trong khoa học vật liệu mà các đặc trưng quang học của Phôtôđiốt ngày càng được nâng cao một cách đáng kể như : hiệu suất lượng tử Thời gian đáp ứng phổ…

Tuy nhiên, trong khuôn khổ chương trình đào tạo, các hiểu biết về Phôtôđiốt mà đặc biệt là khả năng ứng dụng của chúng chưa được tìm hiểu và nghiên cứu một cách đầy đủ Từ những lý do trên em chọn đề tài cho đồ án này là

:”Tính chất đặc trưng và một số ứng dụng của Phôtôđiốt”.

Nội dung của đồ án, ngoài phần mở đầu và phần kết luận, được trình bày trong ba chương:

Chương I: Tổng quan về Phôtôđiốt

Trong chương này em trình bày tổng quan về định nghĩa, cấu tạo, nguyên

lý hoạt động, phân loại và một số tính chất đặc trưng của phôtôđiốt

Chương II: Một vài ứng dụng điển hình của Phôtôđiốt

Trong chương này em trình bày các ứng dụng đặc trưng và tiêu biểu của phôtôđiốt trong thực tế cuộc sống

Chương III: Thiết kế, lắp ráp mạch đóng ngắt tự động dùng Phôtôđiốt Silíc PD204-6C

Trong chương này em trình bày về sơ đồ nguyên lý mạch mô phỏng, nguyên lý hoạt động và thiết kế, lắp ráp thành công mạch đóng ngắt tự động dùng Phôtôđiốt Silíc PD204-6C

Mục đích của đồ án là giới thiệu tổng quan về cấu trúc và nguyên lý hoạt động của Phôtôđiốt Đồ án cũng trình bày các tính chất đặc trưng cơ bản và một

số ứng dụng của chúng Phần cuối cùng đồ án trình bày cơ sở lý thuyết và kết quả thực nghiệm khi lắp ráp mạch sử dụng Phôtôđiốt Silíc

Chương I TỔNG QUAN VỀ PHÔTÔĐIỐT

Trong chương này, em sẽ giới thiệu về cấu trúc và nguyên lý hoạt động của Phôtôđiốt Sau đó chúng em giới thiệu một cách phân loại dựa vào đặc trưng cấu trúc và đặc trưng đáp ứng phổ của chúng Cuối cùng chúng em giới thiệu và phân tích một số tính chất đặc trưng cơ bản của Phôtôđiốt Si như : hiệu suất lượng tử, đặc trưng độ nhậy phổ, đặc trưng I-V tối sáng, đặc trưng C-V, nhiễu trong Phôtôđiốt, hiệu ưng nhiệt độ và sự phân cực

1.1 Định nghĩa, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Phôtôđiốt

1.1.1 Định nghĩa

Phôtôđiốt cũng tương tự như điốt bán dẫn và được định nghĩa là cảm biến ánh sáng bán dẫn tạo ra một điện áp tức thời khi các đường chuyển tiếp PN trong chất bán dẫn được chiếu sáng Hoặc có thể nói phôtôđiốt là một bộ tách sóng quang có khả năng biến đổi ánh sáng thành dòng quang điện khi có ánh sáng chiếu vào Phôtôđiốt thường được dùng để chỉ các bộ cảm biến được sử dụng để phát hiện cường độ của ánh sáng hoặc được dùng như một viên pin năng lượng mặt trời

1.1.2 Cấu tạo

Thông dụng nhất là Phôtôđiốt PN Cấu trúc của một Phôtôđiốt PN trên silíc điển hình được biểu diễn trên hình 1.1 Cấu tạo của nó gồm một lớp chuyển tiếp PN được tạo thành từ một phiến bán dẫn Silíc Thí dụ có bán dẫn loại N, trên bán dẫn loại N người ta tạo ra miền bán dẫn loại P, thông thường miền này được chế tạo bằng công nghệ planar Độ dày của miền bán dẫn loại P là rất mỏng

để cho tín hiệu ánh sáng khi rơi vào Phôtôđiốt không bị hấp thụ trong miền này

mà được hấp thụ trong vùng sát với lớp chuyển tiếp PN hoặc được hấp thụ trong

vùng nghèo ( nếu như vùng này đủ dày) Chiều dày của miền bán dẫn P phù hợp với từng loại nguồn sáng mà nó thu nhận (giả sử hệ số hấp thụ cực đại của chất bán dẫn đối với một nguồn nào đó là α(cm -1) thì độ dày của miền bán dẫn P phải nhỏ hơn hoặc bằng 1/ α) Bề mặt của phôtôđiốt là nơi chùm photon rơi vào thường được bảo vệ rất tốt nhờ một lớp oxít Silíc Lớp bảo vệ này cũng có tác dụng chống sự phản xạ khi các photon rơi vào bề mặt của phôtôđiốt.

Phía dưới miền bán dẫn N người ta tạo ra miền bán dẫn N+ để tạo ra tiếp xúc ômíc Trên hai phía của hai miền bán dẫn P và N+ người ta tạo ra các lớp bằng kim loại để làm các điện cực của phôtôđiốt Toàn bộ cấu trúc trên được gọi

là chíp của phôtôđiốt và được gắn trên đế cách điện (thường làm bằng thủy tinh hoặc ceramic)

Hình 1.1 Cấu trúc của một phôtôđiốt silíc điển hình

1.1.3 Nguyên lý hoạt động của phôtôđiốt

Khi có một nguồn sáng chiếu vào, phôtôđiốt biến đổi tín hiệu ánh sáng này thành tín hiệu điện thường được gọi là dòng quang điện Xét một cách cụ thể

hơn, quá trình biến đổi tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện trong phôtôđiốt như sau:

Khi không được ánh sáng thì phôtôđiốt là một điốt chuyển tiếp PN thông thường

có đặc trưng I-V được biểu diễn bằng công thức :

Itối = Is [ exp (qV kT ) -1] (1.1)

Trong đó Is là dòng tối bão hòa, V là điện áp đặt lên phôtôđiốt (có giá trị dương khi điện áp thuận và giá trị âm khi điện áp ngược ), k là hằng số Boltzmann, T là nhiệt độ tuyệt đối

Khi có nguồn sáng thích hợp chiếu vào phôtôđiốt thì nguồn sáng này tạo thêm một dòng quang điện nữa( dòng quang điện này có thể biễu diễn là -iph(V),

vì nó cùng chiều với dòng ngược tối của phôtôđiốt và cũng phụ thuộc vào thế áp đặt lên phôtôđiốt ) bên cạnh dòng tối trên đây, do đó ta có:

Cũng tại giá trị thế ngược( có giá trị âm) đủ lớn này từ (1.1) dễ dàng ta thấy rằng

Itối ≈ -Is, và do đó ta đi đến một kết luận là đối với phôtôđiốt tại cá điện áp ngược

đủ lớn :

Đây chính là công thức cơ bản biểu thị nguyên lý hoạt động của phôtôđiốt

Trong phần lớn trường hợp Iph ≥ Is và do đó tín hiệu dòng sáng của phôtôđiốt hầu như chỉ hoàn toàn do tín hiệu ánh sáng sinh ra

Quá trình tạo thành dòng quang điện trong phôtôđiốt là như sau : Khi một nguồn chiếu sáng vào phôtôđiốt có các photon có năng lượng thõa mãn điều kiện:

trong đó hv là năng lượng của photon, ΔEg là độ rộng vùng cấm chất bán dẫn làm nên phôtôđiốt, thì khi đó các điện tử được kích thích và nhận đủ năng lượng để nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, đồng thời để lại lỗ vùng hóa trị Như vậy trong phôtôđiốt lúc này sinh ra cặp điện tử -lỗ trống (các cặp hạt tải ),trong đó quan trọng nhất là cặp điện tử -lỗ trống được sinh ra trong miền nghèo và các miền lân cận chuyển tiếp PN, khi đó :

Hình 1.2 Cơ chế các cặp hạt tải và tạo thành dòng quang điện trong phôtôđiốt

khi có nguồn sáng chiếu vào.

Ở vùng xa chuyển tiếp, các hạt tải sinh ra bị tái kết hợp hết mà không đóng góp phần tạo thành dòng quang điện Trong trường hợp này, sự chiếu sáng chỉ dẫn đến sự giảm điện trở do hiện tượng quang dẫn Trong các miền lân cận ( chỉ cách lớp chuyển tiếp không quá Ln trong lớp P và Lp trong lớp N ) các hạt tải không cơ bản được sinh ra do ánh sáng khuếch tán đến biên miền nghèo rồi cũng được điện trường cuốn sang miền bán dẫn đối diện ( điện tử được quét từ vùng P

các điện cực Trong miền nghèo các điện tử và lỗ trống do ánh sáng sinh ra nhanh chóng được cuốn về các miền bán dẫn dưới tác dụng của điện trường ngoài điện tử được cuốn về miền N, lỗ trống được cuốn về miền P Quá trình quét khuếch tán và thu thập các hạt tải không cơ bản sinh ra do sự chiếu sáng tạo thành dòng quang điện trong phôtôđiốt Dòng điện chảy qua phôtôđiốt có độ lớn được tính theo công thức (1.2), nếu điện áp ngược đủ lớn thì dòng điện chảy qua phôtôđiốt được biểu diễn theo như công thức (1.3) Hình 1.2 mô tả quá trình tạo thành dòng quang điện trong phôtôđiốt Độ lớn của dòng quang điện bão hòa Iph

tỷ lệ với cường độ chiếu sáng θ được tính theo biểu thức sau :

Iph = ηqΦ (1.5)

Trong đó n là hiệu suất lượng tử, q là điện tích của lượng tử θ là cường độ chiếu sáng

Từ biểu thức (1.5) ta thấy cường đọ dòng quang điện và dẫn đến dòng sáng

Isáng tỷ lệ thuận với cường độ chiếu sáng Đặc trưng I-V sáng được biểu diễn trên hình 1.3 (góc phần tư thứ 3)

Trên đây mới chỉ nhận xét các hạt tải không cơ bản Vậy còn các hạt tải cơ bản hoạt động như thế nào ?

Để thấy rõ tác dụng của các hạt tải cơ bản do ánh sáng sinh ra ta xét trường hợp đơn giản là khi không có thế ngoài áp đặt lên chuyển tiếp PN vì chuyển tiếp này là mở đối với chúng Còn các hạt tải cơ bản (điện tử trong vùng N và lỗ trống vùng P) bị khuếch tán đến lớp chuyển tiếp Nhưng điện trường tạo bởi lớp chuyển tiếp PN lúc này lại ngăn đối với chúng không chuyển động qua được mà

sẽ được tích tụ lại gần ở lớp chuyển tiếp

Như vậy ở hai phía của chuyển tiếp PN sẽ xảy ra việc tích tụ của các hạt tải

cơ bản có dấu ngược nhau Sự tích tụ của các hạt tải cơ bản này làm tang građiên nồng độ hạt tải và như vậy sẽ làm tăng sự khuếch tán các hạt tỉ cơ bản qua lớp chuyển tiếp PN Quá trình này làm cho rào thế của lớp chuyển tiếp giảm xuống

Điều này tương tự như việc ta đặt một thế thuận Vph trên hai cực của phôtôđiốt khi được chiếu sáng gọi là hiệu ứng quang áp ( photovoltaic).

Hình 1.3 Đặc trưng I-V của phôtôđiốt với các cường độ chiếu sáng khác nhau

Để tính giá trị của Vph ( dưới tác dụng của ánh sáng làm sinh ra ) ta xét trường hợp mạch hở Trong trường hợp này ta có Isáng =0, V= Vph và từ biểu thức (1.2) ta có:

trị dương) do đó là mộ đại lượng âm cung cấp năng lượng cho mạch ngoài Rõ ràng ta có một nguồn điện và đây chính là nguyên lý hoạt động của pin mặt trời.Tóm lại, phôtôđiốt có hai chế độ hoạt động : ở chế độ phân cực ngược phôtôđiốt dùng để thu ánh sáng, biến đổi tín hiệu ánh sáng thành dòng điện (photocurrent mode) ; khi không phân cực phôtôđiốt làm việc ở chế độ pin quang điện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện (photovoltaic mode).

1.2 Phân loại phôtôđiốt

Giải tần số của ánh sáng cũng như cường độ sáng của các nguồn sáng cần phát hiện và đo đạc là rất rộng Vì vậy, một loại phôtôđiốt không thể đáp ứng được toàn bộ giải tần của mọi nguồn sáng mà trong thức tế người ta phải chế tạo các loại phôtôđiốt có cấu trúc và chức năng hoạt động khác nhau phù hợp với đặc điểm của từng loại nguồn sáng Hơn nữa, trong thực tế với các mục đích ứng dụng khác nhau cần phải có các phôtôđiốt có tốc độ làm việc khác nhau Trên các cơ sở đó người ta có thể chia phôtôđiốt thành các loại sau :

1.2.1 Phôtôđiốt PN

Cấu trúc và cơ chế vật lý thu ánh sáng của phôtôđiốt loại PN đã được trình bày ở trên Đặc điểm của phôtôđiốt PN là độ rộng miền nghèo nhỏ do đó điện dung C của nó lớn (C=ee0A/w,trong đó e0 là hằng số điện môi tuyệt đối của chân không, ε là hằng số điện môi tương đối của chất bán dẫn, A là diện tích của lớp chuyển tiếp PN, w là độ rộng của miền điện tích không gian) Điện dung lớn dẫn đến hằng số thời gian (τ = RC) lớn làm tốc độ làm việc của phôtôđiốt PN chậm

Nguyên nhân chính gây nên tốc độ làm việc chậm của phôtôđiốt PN là do

sự khuếch tán của các hạt tải không cơ bản trong miền bán dẫn Với những đặc điểm đó mà phôtôđiốt PN hoạt động có độ nhậy không cao

1.2.2 Phôtôđiốt PIN

Phôtôđiốt PIN có cấu trúc được biểu diễn như hình 1.4 Điểm khác biệt về mặt cấu trúc của phôtôđiốt loại này là giữa miền bán dẫn loại P và miền bán dẫn loại N có thêm một lớp bán dẫn thuần I(Intrinsic).Với phôtôđiốt PN thông thường, vùng nghèo thường là nhỏ, không đủ rộng nên có nhiều hạt tải sinh ra không phải trong miền nghèo và do đó phải khuếch tán mới đến được nó để cuốn sang phía cần thiết Phôtôđiốt PIN nhờ có lớp I nên khi được phân cực ngược có giá trị đủ lớn, vùng điện tích không gian của các chuyển tiếp lan rộng ( hầu như chiều dài của vùng I là độ rộng của miền nghèo của lớp chuyển tiếp PN).Như vậy khi ánh sáng rơi vào phôtôđiốt thì hầu hết các hạt tải được sinh ra trong vùng nghèo và thời gian của các chuyển tiếp lan rộng ( hầu như chiều dài của vùng I là độ rộng của miền nghèo của chuyển tiếp PN)

Như vậy khi ánh sáng rơi vào phôtôđiốt thì hầu hết các hạt tải phụ mới được sinh ra trong vùng nghèo và thời gian dịch chuyển của các hạt tải phụ mới sinh ra bằng thời gian cuốn qua miền I, hoàn toàn không còn thành phần thời gian khuếch tán hạt tải và do đó tốc độ hoạt động của phôtôđiốt tăng lên Với điểm khác biệt về cấu trúc này phôtôđiốt PIN có một số đặc trưng như sau :

Hình 1.4 Cấu trúc của một phôtôđiốt PIN

Do độ rộng miền nghèo của phôtôđiốt PIN lớn nên khi ánh sáng chiếu vào thì hầu hết bị hấp thụ trong vùng này và tạo thành cặp điện tử -lỗ trống Các cặp hạt tải này dễ dàng được cuốn về các điện cực mà chúng hầu như không bị tái hợp trong quá trình thu thập, do đó hiệu suất của phôtôđiốt PIN cao hơn phôtôđiốt PN

Độ rộng miền nghèo của phôtôđiốt PIN lớn nên điện dung C của nó nhỏ dẫn đến hằng số thời gian (τ = RC) bé, do đó tốc độ làm việc của phôtôđiốt PIN lớn hơn so với phôtôđiốt PN Tuy nhiên, độ rộng của miền nghèo hay miền I không được qua lớn Bởi vì miền nghèo lớn thì thời gian cuốn hạt tải sinh ra trong phôtôđiốt đến các điện cực tăng và làm giảm tốc độ làm việc của nó

Mặt khác, điện dung C của phôtôđiốt nhỏ nên nhiễu sinh ra trong nó do thành phần này gây ra cũng nhỏ Vì những lý do đó nà phôtôđiốt PIN có độ nhậy cao

1.2.3 Phôtôđiốt thác lũ (Avalanche phôtôđiốt –APD)

Cấu trúc của phôtôđiốt thác lũ (ADP) về nguyên tắc cũng như phôtôđiốt PIN Nhưng cơ chế hoạt động của nó hoàn toàn khác hoạt động của ADP dựa trên hiệu ứng đánh thủng thác lũ (Avanche Breakdown) Khác với các phôtôđiốt thông thường, ADP có sự nhân hạt tải bên trong tức là có sự khuếch đại các hạt tải trong nó Hình 1.5 mô tả cơ chế nhân thác lũ bên trong APD

Hình 1.5 Cơ chế nhân thác lũ trong APD

Trong APD các hạt tải được sinh ra do chiếu sáng chuyển động trong vùng điện tích không gian nằm trong điện trường cao, do đó chúng được gia tốc và va chạm với các nguyên tử trong vùng này làm phát sinh các điện tử thứ cấp tự do Nghĩa là số hạt tải trong phôtôđiốt tăng lên và các điện tử này đến lượt mình lại

va chạm với các nguyên tử khác ( phản ứng dây chuyền ) và kết quả cuối cùng

là nhiều cặp điện tử -lỗ trống được sinh ra từ một photon rơi vào chứ không phải như một cặp thông thường, điều này làm tăng độ nhạy của APD

Thành phần dòng sáng của APD bao gồm cả dòng của các phần tử phát sinh do chiếu sáng và cả các phần tử do hiện tượng thác lũ gây nên Điểm đặc biệt của APD là hệ số nhân thác lũ Các tính toán cho biết hệ số nhân thác lũ được tính theo công thức :

M=

D P

MD I I

I I

V

IR V

1 1

(1.8)

Trong đó I là dòng tổng cộng, Ip là dòng tổng cộng khi chưa có hiện tượng thác lũ, ID,IMD là dòng tối khi chưa có và khi có hiện tượng thác lũ, V là điện áp ngược áp đặt lên APD, VB là thế đánh thủng, n là một hằng số, nó phụ thuộc vào loại vật liệu, độ pha tạp, chiều dài bước sóng bức xạ tới

APD với thế phân áp lớn gần miền thế đánh thủng, có điện trường lớn trong miền nhân hạt tải do vậy chỉ cần có một số ít photon rơi vào điốt cũng sẽ tạo ra dòng quang điện khá lớn do quá trình nhân hạt tải xảy ra trong bán dẫn APD có độ nhậy cao, độ khuếch đại lớn nên thường được dùng để ghi nhận các tín hiệu bức xạ có cường độ thấp

Nhược điểm : Nhiễu tăng lên theo quá trình nhân hạt tải, băng tần hạn chế,

khi hoạt động cần thế ổn định cao dẫn đến mạch điện ổn thế khá phức tạp và đắt tiền, công nghệ chế tạo phức tạp giá thành đắt

1.2.4 Phôtôđiốt Schottky

Phôtôđiốt Schottky có cấu trúc như hình 1.6 Trong phôtôđiốt Schottky người ta thay thế chuyển tiếp PN bằng chuyển tiếp kim loại- bán dẫn Một ưu điểm lớn của phôtôđiốt Schottky là không có miền bán dẫn P hoặc Những ở bề mặt, hay nói cách khác vùng hoạt động tích cực của phôtôđiốt nằm ngay sát bề mặt, do đó các tín hiệu ánh sáng bị hấp thụ ngay gần bề mặt ( các ánh sáng có bước sóng ngắn thường là vùng cực tím và lân cận ) vẫn tạo ra được các hạt tải điện chạy đến các điện cực mà không bị mất đi do tái hợp như trong các phôtôđiốt có chuyển tiếp PN Vì vậy phôtôđiốt Schottky rất phù hợp để ghi nhận các tín hiệu có bước sóng nắm trong vùng cực tím và lân cận

Hình 1.6 Cấu trúc của phôtôđiốt Schottky

Ngoài cách phân loại theo cấu trúc như trình bày ở trên, người ta có thể phân loại phôtôđiốt theo đặc trưng độ nhậy phổ của chúng thành các loại như: phôtôđiốt nhạy với tia X, tia γ ( dùng để ghi phổ tia X, tia γ ); phôtôđiốt nhạy với vùng tử ngoại ( dùng để ghi phổ các tia tử ngoại ); phôtôđiốt nhạy với vùng ánh sáng nhìn thấy ) và phôtôđiốt nhạy với cùng hồng ngoại ( dùng để ghi phổ các tia hồng ngoại )

1.3 Một số tính chất đặc trưng của phôtôđiốt

Để nghiên cứu ứng dụng của phôtôđiốt chúng ta xét một số tính chất đặc trưng của phôtôđiốt như sau :

1.3.1 Hiệu suất lượng tử

Để đặc trưng cho khả năng biến đổi tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện của phôtôđiốt người ta dùng một đại lượng gọi là hiệu suất lượng tử n(%) Hiệu suất lượng tử là tỷ số giữa điện tử sinh trong phôtôđiốt do được chiếu sáng trong một đơn vị thời gian (nph)

η=

ph

e n n

Trong trường hợp lý tưởng thì một photon rơi vào phôtôđiốt phải làm sinh

ra một cặp hạt tải, do đó trong trường hợp này ta phải có n = 100%.Ở một bước sóng có độ dài nhất định hiệu suất lượng tử của phôtôđiốt là:

Iq là cường độ dòng điện sinh ra do hấp thụ photon rơi vào phôtôđiốt

Popt là năng lượng bức xạ tới

hν là năng lượng của photon

Mặt khác, ta định nghĩa độ nhậy của phôtôđiốt là tỷ số của cường độ dòng điện sinh ra do hấp thụ photon và năng lượng bức xạ tới

Thay vào công thức trên ta có:

N =Shv/q = (S.1240/λ).100% (1.12)Trong đó λ là bước sóng của photon (nm)

Hiệu suất lượng tử của phôtôđiốt phụ thuộc vào kích thước, cấu trúc, tính chất của vật liệu và bước sóng của dòng photon bức xạ tới.Trong thực tế hiệu suất lượng tử của một phôtôđiốt không bao giờ đạt 100%, ở điều kiện hoạt động tối ưu, hiệu suất lượng tử của phôtôđiốt Silíc chỉ đạt 80%

1.3.2 Đặc trưng độ nhậy phổ

Một thông số quan trọng của phôtôđiốt nói riêng và các phôtôđetectơ nói chung là vùng bước sóng của nguồn sáng mà chúng có thể thu nhận được và sự phụ thuộc của giá trị độ nhậy S vào bước sóng λ

Khi chùm photon chiếu vào phôtôđiốt có năng lượng thỏa mãn điều kiện (1.4) hay:

( trong đó ΔEg là độ rộng vùng cấm của chất bán dẫn, h là hằng số Plank, c là vận tốc ánh sáng trong chân không ), thì khi đó các photon này mới đủ năng lượng để kích thích các điện tử từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, λc gọi là bước sóng giới hạn của phôtôđiốt ( tương ứng với bước sóng này là tần số giới hạn vc hay là tần số cắt Nếu chùm photon chiếu vào phôtôđiốt thì có bước sóng λ > λc thì chúng đi qua mà không bị hấp thụ trong chất bán dẫn Hình 1.7 biểu diễn sự phụ thuộc của

độ nhậy phổ vào bước sóng của photon đối với phôtôđiốt silíc Trên hình vẽ, theo đường đặc trưng lý tưởng độ nhậy phổ S tỷ lệ tuyến tính với độ dài bước sóng λ của ánh sáng chiếu vào Thật vậy, trong trường hợp lý tưởng phôtôđiốt cho biên

độ tín hiệu tỉ lệ thuận với bước sóng của nó nên đường đặc trưng là một đường thẳng Tại bước sóng giới hạn λc đường đặc trưng là một đường thẳng song song với trục tung là do các photon có bước sóng lớn hơn bước sóng này đều truyền qua mà không bị hấp thụ trong môi trường vật chất

Hình 1.7 Phổ độ nhậy của phôtôđiốt Silíc phụ thuộc vào bước sóng theo lý thuyết

và thực nghiệm

Hình 1.8 Đặc trưng độ nhậy phổ điển hình của một vài loại phôtôđiốt planar

Đường đặc trưng thực tế là một đường cong và có độ nhậy đạt giá trị cực đại ở bước sóng nhỏ hơn giới hạn bước sóng dài Bây giờ ta phân tích đường đặc trưng này Trước hết ta thầy rằng bằng thực nghiệm người ta đã chứng minh rằng độ xuyên sâu của photon vào phôtôđiốt tỷ lệ nghịch với năng lượng của chúng, Trên hình 1.2 biểu diễn cơ chế sinh dòng quang điện trong phôtôđiốt, từ hình vẽ ta thấy : những photon bị hấp thụ ngay sát bề mặt thì hầu như các hạt tải sinh ra đều bị tái kết hợp mà không góp phần tạo thành dòng quang điện, đường đặc trưng độ nhậy phổ thông có đoạn biểu diễn của vùng bước sóng tương ứng (λ

< 0,3 μ m) của những photon này (S ≈ 0); các photon bị hấp thụ lân cận lớp chuyển tiếp PN thì các cặp hạt tải sinh ra ở đây không được thu thập một cách hoàn toàn về các điện cực mà chúng mất đi một phần do bị tái hợp với các hạt tải

ở trong miền bán dẫn Đường đặc trưng độ nhậy tương ứng với các bước sóng này không cao ( tương ứng với các bước sóng 0,3 μm <= λ <≈ 0,9 μm và 0,9 μm

<≈ λ <= 1,1 μm) Khi các photon bị hấp thụ trong miền nghèo của phôtôđiốt thì các cặp hạt tải sinh ra đều bị cuốn về hai phí bán dẫn và chúng góp hoàn toàn vào

để tạo thành dòng quang điện Vì vậy vùng bước sóng ứng các photon bị hấp thụ trong miền nghèo có độ nhậy phổ cao nhất Độ nhậy phổ của một phôtôđiốt silíc

lý tưởng phụ thuộc vào bước sóng của photon được biểu diễn trong bảng 1

Bảng 1 Độ nhậy phổ của phôtôđiốt Silíc lý tưởng phụ thuộc vào bước sóng

là λc ≈ 1,7 μm (ΔEg ≈ 0,65 eV) Giới hạn vùng bước sóng ngắn của phôtôđiốt sẻ được quyết định bởi độ dày của miền bán dẫn từ bề mặt tới lớp chuyển tiếp và độ pha tạp trong miền bán dẫn này

1.3.3 Đặc trưng I-V tối sáng

Phôtôđiốt là một điốt bán dẫn hoạt động ở chế độ phân cực ngược nên khi không có nguồn sáng chiếu vào thì dòng điện trong phôtôđiốt là dòng ngược tối (gọi tắt là dòng tối ) của một điốt thông thường Khi có photon rơi vào thì ngoài dòng tối trong phôtôđiốt có dòng điện sinh ra bởi sự hấp thụ các photon gọi là dòng quang điện (dòng sáng ).Trước hết ta xét bản chất dòng tối của phôtôđiốt

1.3.3.1 Dòng tối của phôtôđiốt

Đóng góp vào dòng tối của phôtôđiốt gồm có hai thành phần: dòng rò khối

và dòng rò bề mặt

Dòng rò khối là dòng điện gây ra bởi các hạt dẫn thiểu số trong các miền bán dẫn bị cuốn qua chuyển tiếp PN khi phôtôđiốt phân cực ngược Quan hệ

dòng tối và điện áp ngược đặt lên phôtôđiốt được biểu diễn qua công thức (1.1).Trong đó Is là dòng tối bão hòa được biểu diễn như sau :

n A

D N

D

(1.14)

Trong đó q là điện tích của điện tử ; ni là nồng độ hạt tải thuần ; NA là nồng

độ acxepto; ND là nồng độ đôno ; A là diện tích bề mặt của phôtôđiốt ; Dn, Dp

tương ứng là hệ số khuếch tán của điện tử lỗ trống, τn τp tương ứng là thời gian sống của điện tử và lỗ trống

Dòng tối bão hòa Is là một thông số quan trọng của phôtôđiốt, Is càng nhỏ càng tốt Thông số này quyết định rất lớn tới độ nhậy phổ, độ phân giải năng lượng của các hệ phổ kế dùng phôtôđiốt làm đầu thu, nhiễu và tỷ số tín hiệu trên nhiễu (S/N) trong phôtôđiốt Quan hệ I-V tối của phôtôđiốt được biểu diễn trên hình 1.3 ( đường đặc trưng với cường độ sáng ф = 0)

Trên đường đặc trưng ta thấy khi điện áp ngược V đủ lớn thì dòng tối hầu như không tăng, nghĩa là I ≈ Is điều này nói lên rằng dòng ngược hầu như không phụ thuộc vào điện áp ngược mà chỉ phụ thuộc vào nồng độ hạt dẫn không cơ bản, hệ số khuếch tán, thời gian sống của điện tử và lỗ trống hay nói cách khác phụ thuộc vào đặc tính của vật liệu bán dẫn và nhiệt độ môi trường

Trên đây là dòng rò khối Ngoài dòng rò khối còn có một thành phần nữa ảnh hưởng rất lớn đến các tính chất của phôtôđiốt nói riêng và của điốt nói chung, đó là dòng rò bề mặt Dòng rò bề mặt gây nên bởi cá nguyên nhân như: các trạng thái bề mặt, đối với những chuyển tiếp PN bề mặt gia công không hoàn thiện, các sai hỏng bề mặt làm tăng hạt dẫn không cơ bản nên làm tăng dòng ngược Nồng độ hạt dẫn sinh ra bởi sai hỏng bề mặt không bão hòa mà tăng theo điện áp ngược.Kết quả trên đặc trưng I – V tối không có đoạn bão hòa như trường hợp lý tưởng mà cường độ dòng tối tăng dần khi điện áp ngược

tăng.Do bề mặt bị bẩn, các lớp bẩn gây ra sự nối tắt giữa miền bán dẫn loại N

và miền bán dẫn loại P, khiến cho khi đặt vào phôtôđiốt điện áp ngược lớn tạo

ra dòng rò ngược Dòng này cũng không bão hòa mà tăng tuyến tính khi điện áp ngược tăng

1.3.3.2 Dòng quang điện trong phôtôđiốt

Khi có chùm photon rơi vào phôtôđiốt, một phần của nó bị phản xạ và một phần sẽ xâm nhập đi sâu vào bán dẫn Phần xâm nhập vào bán dẫn nếu có năng lượng thỏa mãn điều kiện (1.4) thì bán dẫn sẽ hấp thụ photon tạo thành các cặp điện tử -lỗ trống và hiệu ứng nhiệt

Cơ chế vật lý hình thành dòng quang điện đã được trình bày trong mục 1.1 Sau đây ta sẽ tính toán các thành phần tạo nên dòng quang điện trong phôtôđiốt.Tại một vị trí x trong lớp chuyển tiếp PN kể từ bề mặt vào, mật độ photon hấp thụ được tính theo công thức:

Đối với các cặp điện tử -lỗ trống được sinh ra ngoài miền điện tích không gian

có hai quá trình xảy ra : các phần tử tải điện không cơ bản khuếch tán đến biên của miền điện tích không gian, sau đó được cuốn qua miền điện tích không

gian rồi tới các điện cực của điện trường Xác suất để phần tử tải điện không cơ bản bên miền bán dẫn P cuốn tới lớp chuyển tiếp được tính bằng:

P(x) = exp[(Xj-x)/LD] (1.17)Trong đó Xj, LD tương ứng là chiều dài khuếch tán và độ dài khuếch tán của hạt tải không cơ bản trong miền bán dẫn P Độ dài khuếch tán của hạt tải không cơ bản được tính bằng:

LD = [(kY/q).µτ]1/2 (1.18)Trong đó k là hằng số Boltzman, T là nhiệt độ tuyệt đối, τ, µ tương ứng là thời gian sống và độ linh động của hạt tải

Mật độ dòng quang điện sinh ra trong miền bán dẫn P được tính theo biểu thức sau :

Jp = q(1-R)x i∫j

0

exp[(-Xj-x)/LN]dx ∫∞

vm α.Ф0.exp(- αx)dα (1.19)Trong đó Ln là độ dài khuếch tán của điện tử

Để đơn giản ta đưa vào khái niệm hệ số hấp thụ trung bình αm trong dải sóng từ vm ÷ ∞ Rồi lấy tích phân trên ta có:

n m o l

l

α

α [ exp (-Xj)/LN- exp(-αmXj) ] (1.20)Tương tự ta có mật độ dòng quang điện sinh ra trong miền bán dẫn N được tính theo công thức :

n m o l

m j

m

L

l X L

α(1.21)

Trong đó Lp là độ dài khuếch tán của lỗ trống

Mật độ dòng quang điện trong miền điện tích không gian được tính theo biểu thức:

Jd = q(1-R)Φexp(-αmXj)[exp( − αm(X j − X p)){exp( αm x p)}− 1] +

1.3.4 Đặc trưng C-V ngược

Đặc trưng C-V ngược cũng là một thông số quan trọng cho các linh kiện có lớp chuyển tiếp PN Với một phép đo phù hợp khảo sát sự phụ thuộc C-V cho

ta biêý sự lan rộng của vùng nghèo phụ thuộc vào điện áp, độ pha tạp, sự phân

bố tạp chất của phôtôđiốt Đặc trưng C-V ngược cũng là một thông số rất quan trọng cho việc đánh giá thành phần nhiễu do nó sinh ra trong phôtôđiốt

Phôtôđiốt khi phân cực ngược có một giá trị điện dung tạo bởi lớp chuyển tiếp PN như một tụ điện phẳng tạo có hai bản tụ là hại bề mặt của lớp chuyển tiếp Khoảng cách giữa các bản cực tụ điện tạo bởi lớp chuyển tiếp đúng bằng

độ rộng vùng diện tích không gian w

Điện dung của phôtôđiốt khi phân cực ngược có thể tính theo biểu thức sau:

C = (εε0A)/w (1.24)Trong đó ε0 là hệ số điện môi tuyệt đối, ε là hằng số điện môi tương đối của chất bán dẫn, A là diện tích của lớp chuyển tiếp, w là độ rộng của miền nghèo

Trong đó độ rộng vùng diện tích không gian phụ thuộc vào thế phân cực ngược, nồng độ pha tạp được biểu diễn như sau:

W =

2 / 1 0

0 ( ) 2

d a

N N

N N q

V V

ε

(1.25)Trong đó V0 kà thế tiếp xúc của lớp chuyển tiếp, V là thế phân cực ngược áp đặt lên phôtôđiốt, q là điện tích của điện tử, Na, Nd là nồng độ pha tạp của acxepto và đôno trong hai miền bán dẫn P và N

Ứng dụng với độ rộng vùng điện tích không gian đó lượng điện tích trên mỗi phía của lớp tiếp xúc trong phôtôđiốt là:

|Q| = qA

d a

d

N N

N N

+ w = A

2 / 1 0

d

N N

N N V V

0

0

2 2 )

N N V V

q A V V d

Từ công thức (1.27) ta thấy điện dung của phôtôđiốt tỷ lệ thuận với V-1/2

1.3.5 Nhiễu của phôtôđiốt

Tín hiệu điện nhận được từ quá trình biến đổi tín hiệu ánh sáng trong phôtôđiốt không phải là một đại lượng cố định mà chúng thăng giáng ngẫu nhiên xung quanh một giá trị trung bình Đại lượng thăng giáng ngẫu nhiên làm cho không xác định nhất định tín hiệu thu được gọi là tín hiệu nhiễu Nhiễu của