Nghiên cứu các dụng cụ bán dẫn thu tín hiệu trong hệ thống thông tin quang

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÁC LINH KIỆNBÁN DẪN THU QUANG 1- Khái niệm: Các phôtô detector là tên chung thường gọi của các linh kiện thu tách tínhiệu quang, đo thông lượng hay công suấ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

KHOA VẬT LÍ

NGUYỄN THỊ BÍCH

NGHIÊN CỨU CÁC DỤNG CỤ BÁN DẪN THU TÍN HIỆU

TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH QUANG HỌC - QUANG PHỔ

VINH - 2009

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

KHOA VẬT LÍ _

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP

CHUYÊN NGÀNH QUANG HỌC - QUANG PHỔ

NGHIÊN CỨU CÁC DỤNG CỤ BÁN DẪN THU TÍN HIỆU

TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Phú Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Bích

VINH - 2009

MỤC LỤC

3

MỞ ĐẦU: Trang 1

MỤC LỤC: 3

CHƯƠNG I: Giới thiệu chung về họ linh kiện bán dẫn thu quang 5

1- Khái niệm 5

2- Phân loại 5

2.1- Phân loại theo nguyên lí hoạt động 2.1.1- Các detector nhiệt 2.1.2- Các detector quang điện 2.2- Phân loại theo vùng sóng bức xạ quang 3- Các vật liệu chế tạo các linh kiện thu quang 7

3.1- Các vật liệu bán dẫn và detector ứng dụng thông tin đường dài 3.2- Các mạng địa phương 3.3- Detector ảnh nhiệt thu sóng dài 3.4- Các Detector tốc độ cao CHƯƠNG II: Một số thông số đặc trưng của họ linh kiện 11

bán dẫn thu quang 1- Sự hấp thu quang trong chất bán dẫn 11

1.1- Quá trình hấp thu quang trong bán dẫn

có vùng cấm thẳng

1.2- Quá trình hấp thu trong bán dẫn có vùng cấm không thẳng

2- Hiệu suất lượng tử và độ nhạy phổ 14

2.1- Hiệu suất lượng tử 2.2- Độ nhạy phổ 3- Tỷ số tín hiệu trên nhiễu và độ phân giải 18

4- Thời gian đáp ứng 19

CHƯƠNG III: Các linh kiện bán dẫn thu tín hiệu quang 22

1- Tế bào quang điện 22

1.1- Cấu tạo 1.2- Nguyên tắc hoạt động 1.3- Những đặc tính quan trọng của tế bào quang điện 1.3.1- Đặc tuyến vôn - ampe 1.3.2- Đặc tuyến năng lượng 1.3.3- Đặc tuyến tần số 2- Quang trở 26

2.1- Cấu tạo 2.2- Nguyến lí hoạt động 2.3- Các đặc tuyến quan trọng của quang trở 2.4- Ứng dung của qung trở 3- Pin mặt trời 29

5

3.1- Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động3.2- Hiệu suất của pin mặt trời

3.3- Đặc tuyến vôn - ampe của pin mặt trời4- Photodiot chuyển tiếp P-N 31

4.1- Cấu tạo4.2- Nguyên lí hoạt động4.3- Dòng quang điện trong photodiot P-N5- Photodiot Pin 38

5.1- Cấu tạo5.2- Nguyên tắc hoạt động5.3- Dòng quang điện6- Phôtôdiôt thác lũ 407- Phototransitor 428- Phôtôđiốt Schottky 44

MỞ ĐẦU

Thông tin quang là phương thức dùng ánh sáng để truyền dẫn thông tin

Hệ thống thông tin quang bao gồm: một đầu phát dùng để mã hoá thông tinthành tín hiệu ánh sáng, kênh truyền dẫn dùng để truyền tín hiệu đến đích, đầuthu dùng để tái tạo lại thông tin từ tín hiệu nhận được

Hiện nay, công nghệ nghiên cứu và ứng dụng các thiết bị phát và thuquang rất đa dạng, phức tạp và phát triển mạnh mẽ cả về phương diện lý thuyếtcũng như thực nghiệm Tuy nhiên lĩnh vực nghiên cứu, chế tạo linh kiện thu cóphần được chú ý hơn so với các linh kiện phát quang Điều này có lí do kháchquan là bên thu có vai trò rất đặc biệt trong các thiết bị cũng như trong các hệthống thông tin quang Các thông tin bên phía thu quang như: độ nhạy, chấtlượng thu tín hiệu, sự phát sinh nhiễu có tính quyết định tới tất cả hệ thống thôngtin quang

Cùng với sự phát triển của chất bán dẫn, sự ra đời của dụng cụ bán dẫn cóvai trò rất quan trọng đối với hệ thống thông tin quang Để nghiên cứu kỹ hơn vềnhững dụng cụ bán dẫn được sử dụng để thu tin hiệu trong hệ thống thông tin

quang, trong luận văn này, chúng tôi đặt vấn đề về “Nghiên cứu các dụng cụ bán dẫn thu tín hiệu trong hệ thống thông tin quang”.

Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn gồm 3 chương với các nội dung

cơ bản sau:

CHƯƠNG I:

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỌ LINH KIỆN BÁN DẪN THU QUANG

Trong chương này chúng tôi giới thiệu khái quát về họ linh kiện bán dẫnthu tín hiệu quang gồm: các phân loại, nguyên lí hoạt động và các linh kiện bándẫn dùng để chế tạo các dụng cụ thu quang

7

độ phân giải.

CHƯƠNG III:

CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN THU TÍN HIỆU QUANG

Trong chương này chúng tôi giới thiệu một số dụng cụ bán dẫn thu tínhiệu quang điển hình như: tế bào quang điện, quang trở, các phôtôđiôt,phototransistor Qua đó giới thiệu về cấu tạo, nguyên lí hoạt động và một sốthông số đặc trưng của các dụng cụ bán dẫn thu tín hiệu quang

Trong quá trình học tập và nghiên cứu, mặc dù đã có rất nhiều cố gắngsong do điều kiện hạn chế về trình độ và thời gian nên luận văn không tránh khỏinhững thiếu sót Rất mong nhận được sự chỉ bảo của các thầy, cô giáo trongkhoa cũng như các ý kiến đóng góp của người đọc

Qua đây, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới các thầy, côgiáo đã giảng dạy và giúp đỡ tôi Đặc biệt xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới

TS Nguyễn Văn Phú đã trực tiếp chỉ dẫn nguồn tài liệu tham khảo và tận tìnhhướng dẫn để tôi hoàn thành khoá được luận này

Vinh, tháng 5 năm 2009

SINH VIÊN THỰC HIỆN

Nguyễn Thị Bích

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÁC LINH KIỆN

BÁN DẪN THU QUANG

1- Khái niệm:

Các phôtô detector là tên chung thường gọi của các linh kiện thu tách tínhiệu quang, đo thông lượng hay công suất tín hiệu quang bằng cách chuyển đổinăng lượng các photon bị hấp thụ sang các dạng năng lượng khác có thể đo đượcnhư: nhiệt năng, quang năng và điện năng

Trong khái niệm rộng hiện nay người ta còn gọi chủng loại linh kiện nàyvới một tên chung khác nữa là sensor quang: là các dụng cụ nhạy với các bức xạquang, chúng thu nhận, biến đổi các tín hiệu quang thành tín hiệu điện

2- Phân loại:

2.1- Phân loại theo nguyên lí hoạt động

Về nguyên lí có thể phân ra 2 họ linh kiện với tên thường dùng là: Cácdetector nhiệt và detector quang điện

2.1.1- Các detector nhiệt

Các detector nhiệt hoạt động bằng cách chuyển đổi năng lượng photonsang nhiệt Hoạt động của các detector nhiệt khá chậm vì quá trình chuyển đổi từnăng lượng photon sang nhiệt cần có một thời gian, trong khi đó các ứng dụng ởlĩnh vực quang điện tử cần các quá trình chuyển đổi xảy ra rất nhanh, vì vậychúng không có vai trò lớn trong lĩnh vực này

2.1.2- Các detetor quang điện

- Các detector quang điện hoạt động trên nguyên lí chuyển đổi hiệu ứngquang điện, ở đó sự hấp thụ photon bởi vật liệu bán dẫn đã tạo ra các cặp điện tử

- lỗ trống tạo ra tín hiệu quang điện dưới dạng dòng điện hay điện thế có thể đođược

9

- Hiệu ứng quang điện có 2 dạng đặc trưng: Hiệu ứng quang điện ngoài vàhiệu ứng quang điện trong Hiệu ứng quang điện ngoài bao gồm quá trình phát

xạ điện tử từ bề mặt vật liệu khi bị chiếu sáng còn hiệu ứng quang điện trongchính là quá trình quang dẫn, ở đó các hạt tải bị kích thích không bứt ra khỏi vậtliệu mà vẫn ở trong lòng vật liệu bán dẫn Khi chiếu 1 photon có năng lượng lớnhơn năng lượng vùng cấm vào bề mặt bán dẫn thì quá trình hấp thụ photon xảy

ra Khi hấp thụ 1 photon, 1 điện tử được kích thích từ vùng hoá trị lên vùng dẫn

để lại trong vùng hoá trị 1 lỗ trống, ta nói photon đã tạo ra 1 cặp điện tử - lỗtrống khi có trường điện đặt vào linh kiện sẽ có sự chuyển dời các điện tích về 2cực tạo ra dòng điện ở mạch ngoài, dòng điện này được gọi là dòng quang điện.Bình thường một photo chỉ có thể tạo ra một cặp điện tử - lỗ trống nghĩa là vớimột lượng photon xác định chỉ có thể tạo ra một dòng điện xác định Tuy nhiên

có một số loại linh kiện thu quang có khả năng hoạt động với cơ chế khuếch đạibên trong nghĩa là dòng quang điện có khả năng được khuếch đại lên nhiều lần

do một số cơ chế đặc biệt của detector tạo ra Linh kiện điển hình có khuếch đạitrong là phôtôdiôt thác lũ (APD), quang trở,

- Các detector quang điện có ứng dụng rất rộng rãi trong thông tin quang,trong đo lường, biến đổi tín hiệu và trong tự động hoá

2.2- Phân loại theo vùng sóng bức xạ quang.

- Vùng sóng bức xạ quang mà các photodetector hoạt động nằm trong dảibức xạ của ánh sáng nhìn thấy (0,38 - 0,78 m), vùng hồng ngoại gần và mộtphần vùng hồng ngoại trung (0,78 - 15m) Tuy nhiên trong thực tế có nhiều linhkiện thu quang có khả năng thu được cả ánh sáng nhìn thấy và bức xạ hồngngoại nên khó có thể xác định linh kiện đó nhạy tại bước sóng nào Đôi khingười ta phân chia photodetector ra các họ như: họ linh kiện thu ánh sáng nhìnthấy, detector nhạy ở 3 cửa sổ trong vùng vùng hồng ngoại (IR), detector ảnhnhiệt (detector nhạy trong vùng từ 3 - 12m), các linh kiện thu các bức xạ laser ởvùng 1,3m và 1,55m.

Như vậy tuỳ theo cách phân loại mà họ các linh kiện thu quang được phânchia nhiều loại khác nhau Ngày nay các linh kiện thu quang với cấu trúc giếnglượng tử hay tổ hợp các cấu hình quang điện tử hiện đại với cấu hình rất phứctạp đang được phát triển rất mạnh mẽ và được sử dụng ngày càng rộng rãi

Họ các linh kiện thu quang bao gồm:

- Tế bào quang điện chân không, bộ nhân quang điện

- Các mạch tích hợp thu phát quang điện tử

3- Các vật liệu chế tạo các linh kiện thu quang

11

Về cơ bản các linh kiện thu quang đều dựa trên các vật liệu bán dẫn có thểchuyển đổi từ tín hiệu quang sang tín hiệu điện Những vật liệu thường đượcdùng trong chế tạo linh kiện thu quang là: Si, Ge, PbSe, InSe, CdSe, GaAs,HgCdTe và tổ hợp của chúng (hình vẽ 1.1) Các vật liệu bán dẫn được sử dụng

để chế tạo các photodetector hoạt động tại các dải sóng quang khác nhau và nhiệt

Hình 1.1: Các vật liệu bán dẫn được sử dụng để chế tạo các photodetector hoạt

động tại các dải sóng quang khác nhau và nhiệt độ khác nhau

- Về các vật liệu màng bán dẫn: Trên các vật liệu đế, các vật liệu màngbán dẫn được nuôi bằng kỹ thuật epitaxy và sau đó các linh kiện tích cực đượcchế tạo ra ở trên đó Nhìn chung người ta cần nuôi các lớp epitaxy có hằng sốmạng phù hợp với hằng số mạng của lớp đế Tuy nhiên, trong một số trường hợpcũng có thể nuôi một lớp epitaxy không trùng hằng số mạng nhằm gây ra các saihỏng để làm bẫy gần vùng biên tiếp giáp

3.1- Các vật liệu bán dẫn và detector ứng dụng thông tin đường dài

Các photon sử dụng bước sóng 1,3m và 1,55m được ứng dụng rất rộngrãi trong thông tin đường dài vì mất mát đường truyền trong sợi quang là nhỏnhất tại các bước sóng này Các linh kiện thu cũng được chế tạo tương ứng để có

độ nhạy với các bước sóng này Các vật liệu GaAs không thể đáp ứng cho cácđòi hỏi này vì bước sóng cắt của nó chỉ đạt đến cỡ 0,8m (hình 1.1)

Trong số các bán dẫn hợp chất thì hệ bán dẫn InGaAs, InGaAsP, GaAlSb,HgSdTe có thể nhạy với các bước sóng đã nêu ra, chúng có khả năng phát quangtại bước sóng 1,3m và 1,55m Vật liệu làm linh kiện thu quang được sử dụngrộng rãi nhất là In0,53 Ga0,47As, vật liệu hợp chất này có hằng số mạng phù hợpvới InP rất tốt cho thông tin đường dài

Linh kiện thu quang chế tạo trên bán dẫn Ge cũng được sử dụng trongthông tin đường dài, loại vật liệu này được dùng để làm photodiot thác lũ, nó có

độ khuếch đại khá cao, khá nhạy song chỉ làm việc ở nhiệt độ thấp (77K)

3.2- Các mạng địa phương

13

Trong các mạng địa phương (LAN’

s) tín hiệu quang thường dùng là doLED phát ra ở bước sóng 0,8m, linh kiện này chế tạo trên vật liệu GaAs, nhưng

vì mục đích giá thành thấp nên người ta thường dùng linh kiện thu quang Si loạiAPD

3.3- Detector ảnh nhiệt thu sóng dài

Các detector ảnh nhiệt để nhìn đêm và dùng trong y học có dải bướcsóng hoạt động khá rộng từ các bước sóng vài m đến 20m Các photodetectorphục vụ cho mục đích này cần làm việc trên cơ sở các vật liệu bán dẫn có vùngcấm rất hẹp hoặc với sự trợ giúp của các mức sai hỏng có trong vùng cấm trêncác cấu trúc dị chất Trong các bán dẫn có vùng cấm hẹp, các vật liệu quan trọngđược chọn là hợp chất bán dẫn HgCdTe, PbTe, PbSe, InSb Các detector khôngthuần trên cơ sở vật liệu Si, Ge với việc cấy các ion tạp chất vào để có các saihỏng trong vùng cấm phù hợp cũng được sử dụng nhiều

Các giếng lượng tử có một ứng dụng quan trọng là dùng để chế tạo loạidetector hoạt động trên cơ sở giữa siêu vùng có các mức năng lượng khác nhautrong cấu trúc giếng lượng tử ở trong vùng dẫn Công nghệ chế tạo vật liệuGaAs/ AlGaAs có thể sử dụng tốt trong lĩnh vực này

Với công nghệ chế tạo các vật liệu bán dẫn hai, ba, bốn thành phần có thểchế tạo các vật liệu có hằng số mạng và độ rộng vùng cấm phù hợp dùng trongchế tạo detector

3.4- Các detector tốc độ cao

Một lợi thế quan trọng xét về khía cạnh linh kiện thu quang có tốc độ caođối với vật liệu GaAs là hoạt động ở nhiệt độ thấp Vật liệu này được nuôi tạinhiệt độ rất thấp, ở đó có một số sai hỏng được sinh ra trong vật liệu Các saihỏng này làm giảm đáng kể thời gian tái hợp điện tử lỗ trống xuống 1 picôgiâytrong khi thời gian sống của vật liệu GaAs có chất lượng tốt là cỡ 1nanô giây.Với thời gian sống rất ngắn có thể cho tốc độ hoạt động rất cao

CHƯƠNG II MỘT SỐ THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA HỌ LINH KIỆN BÁN DẪN THU QUANG

Có một số tính chất cơ bản chung đặc trưng cho các photdetector bán dẫn.Trước khi tìm hiểu về từng loại detetor riêng biệt chúng ta khảo sát 1 số đặcđiểm chung nhất như sự hấp thụ ánh sáng trong bán dẫn, hiệu suất lượng tử, độnhạy, thời gian phản ứng

1- Sự hấp thụ quang trong chất bán dẫn

Khi có 1 photon (hay 1 chùm photon) được chiếu vào bề mặt bán dẫn, tuỳthuộc vào năng lượng của photon, nó có thể bị hấp thụ làm phát sinh ra 1 cặpđiện tử lỗ trống trong bán dẫn Điện tử có thể nhảy từ vùng hoá trị lên vùng dẫn

để lại trong vùng hoá trị 1 lỗ trống Quá trình này được gọi là quá trình hấp thụphoton Để cho 1 điện tử có thể nhảy từ vùng hoá trị lên vùng dẫn thì năng lượngphoton ít nhất phải bằng năng lượng vùng cấm Đây là hấp thụ vùng - vùng

Còn một số khả năng hấp thụ khác nữa, ví dụ như điện tử không nhảy lênvùng dẫn mà nhảy lên 1 mức năng lượng của tạp chất ở trong vùng cấm, haytrong giếng lượng tử điện tử nhảy từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượngcao ở trong vùng Trong các quá trình này năng lượng photon không cần lớn hơnnăng lượng vùng cấm

Ở đây ta chỉ xét quá trình hấp thụ vùng

1.1- Quá trình hấp thụ trong bán dẫn có vùng cấm thẳng

- Bán dẫn có vùng cấm thẳng là loại bán dẫn có cực đại của vùng hoá trị

và cực tiểu của vùng dẫn nằm tại cùng 1 hệ số sóng k (nằm trên 1 đường thẳng)như trên (hình 2.1a) Quá trình hấp thụ photon trong bán dẫn có vùng cấm thẳng

là mạnh nhất vì khi này photon có khả năng tác động 1 cách trực tiếp để 1 điện tửnhảy thẳng lên vùng dẫn Quá trình dịch chuyển này có thể thực hiện tại gần mép củavùng cấm, có cấu trúc thẳng của bán dẫn và có động lượng được bảo toàn

Hệ số hấp thụ đối với bán dẫn có vùng cấm thẳng có thể viết như sau:

2

1 cv

- m0: Là khối lượng điện tử

- 0: Là hằng số điện môi trong môi trường tự do

Sau khi thay 1 số giá trị cụ thể, biến đổi biểu thức ta có:

vùng cấm không thẳng có sự tham gia của photon (b).

1.2- Quá trình hấp thụ trong bán dẫn có vùng cấm không thẳng

17

Bán dẫn có vùng cấm không thẳng là loại bán dẫn có cực đại của vùng hoátrị và cực tiểu của vùng dẫn không nằm tại cùng hệ số sóng k, khi đó sự dịchchuyển theo chiều thẳng đứng k không thể xảy ra và các điện tử có khả năng hấpthụ chỉ 1 photon nếu có 1 photon tham gia quá trình hấp thụ, như trên (hình 2.1b).Các quá trình hấp thụ gián tiếp trong vùng cấm không thẳng là không mạnh như cácquá trình hấp thụ trong vùng cấm thẳng Khi này hệ số hấp thụ có dạng:

Từ phương trình (2.3) ta nhận thấy, hệ số hấp thụ quang sẽ bằng 0 khinăng lượng của photon bằng năng lượng vùng cấm và bước sóng của photon khi

hệ số hấp thụ bằng 0 được gọi là bước sóng cắt

Từ đó có thể suy ra bước sóng cắt như sau:

2- Hiệu suất lượng tử và độ nhạy phổ

2.1- Hiệu suất lượng tử

Hệ số lượng tử được định nghĩa là sác xuất để 1 photon rơi vào bề mặtlinh kiện bị hấp thụ làm sinh ra 1 cặp điện tử lỗ trống góp phần vào dòng điệnmạch ngoài Khi có rất nhiều photon đến bề mặt bán dẫn thì hiệu suất lượng tử là

tỷ số thông lượng các cặp điện tử - lỗ trống góp phần tạo ra dòng quang điện ởmạch ngoài trên thông lượng photon tới Như vậy một linh kiện thu quang bándẫn không khuếch đại có dòng điện ngoài IL tỷ lệ với công suất bức xạ L

- Hiệu suất lượng tử  là tỉ số giữa số electron ne chạy trong mạch ngoài

và số photon nph rơi trên bề mặt đầu thu trong cùng một đơn vị thời gian:

- Rv: là hệ số phản xạ tại bề mặt linh kiện thu

- : là tỷ phần của cặp điện tử - lỗ trống tham gia vào dòng quang điện

- : là hệ số hấp thụ photon của vật liệu

- d: là chiều dày của photodetetor

- Thành phần 1 exp(- d)   : là tỷ phần thông lượng photon bị hấp thụtrong lòng detector Như vậy càng có kích thước dày thì thành phần này cànglớn.

2.2- Độ nhạy phổ

a) Sự phụ thuộc của hiệu suất lượng tử vào bước sóng

- Tại 1 bước sóng nào đó trong 1 đơn vị thời gian, số photon sẽ là:

e, ph

hf





Trong đó: e,: là thông lương quang

- Số electron của dòng quang điện được tạo ra do hấp thụ ánh sáng sẽ là:

L, e

Iq



Trong đó:

- IL,: là dòng điện ở mạch ngoài

- q: là điện tích của điện tử

Khi đó hiệu suất lượng tử tại 1 bước sóng sẽ là:

I t.hf I hc( )

  

21

Khi linh kiện thu có khuếch đại bên trong thì công thức (2.10) sẽ có dạngkhác 1 chút Khi này, người ta đưa vào hệ số khuếch đại G là số trung bình củacác điện tử mạch ngoài chia cho số cặp hạt tải quang điện đã được sinh ra vàđược xác định bởi biểu thức:

Với q* là năng lượng điện tử ở mạch ngoài

e* là số điện tử sinh ra trong lòng bán dẫn

Do q* có thể lớn hơn e* nên hệ số khuếch đại có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn1

Đến đây ta có thể đưa ra biểu thức tổng quát về dòng quang điện và nhạyphổ dưới dạng:

R( )



  

- Như vậy độ nhạy R của linh kiện thu tại một bước sóng được định nghĩabằng tỉ số tín hiệu ra trên công suất tín hiệu quang chiều vào Nó có thứ nguyên

là v/W hay a/W Giá trị độ nhạy của linh kiện thu theo một dải bước sóng  đượcgọi là phổ độ nhạy Linh kiện thu sẽ nhạy với các photon có năng lượng lớn hơn

hoặc bằng năng lượng vùng cấm: hc Eg

Hình 2.4: Hiệu suất lượng tử tương đối và độ nhạy phổ của vật liệu bán

dẫn.

Tất cả các bước sóng thoả mãn điều kiện (2.16) sẽ nằm trong phổ độ nhạycủa linh kiện, tuy nhiên không phải mọi bước sóng độ nhạy R đều như nhau.Trong thực tế người ta thường xác định phổ độ nhạy tương đối bằng cách lấy cácgiá trị đo chia cho giá trị độ nhạy cực đại, với cách này khi đo phổ độ nhạykhông nhất thiết phải đo dạng phổ phát sáng của đèn

Hình 2.4 biểu thị sự phụ thuộc của hiệu suất lượng tử tương đối và độnhạy phổ của một số vật liệu bán dẫn theo bước sóng Từ hình vẽ ta thấy rất ítvật liệu bán dẫn có hiệu suất lượng tử đạt giá trị gần bằng 1 Riêng đối với linhkiện thu quang chế tạo từ vật liệu bán dẫn Si thì hiệu suất lượng tử có giá trị caochủ yếu ở vùng bước sóng hồng ngoại gần, khoảng 0,8 - 0,95m và phụ thuộcvào nhiệt độ

3- Tỷ số tín hiệu trên nhiễu và độ phân giải

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu được kí hiệu bằng S/N được xác định bằng biểuthức:

sout Nout

S in/ Nin

p / pS

NEP = 2 B





(2.18)Trong đó:

- B: là độ rộng băng tần

- : là tần số sóng ánh sáng

- : Là hiệu suất lượng tử

Đối với các linh kiện thu, đặc biệt là linh kiện thu hồng ngoại người ta đưavào thông số đặc trưng cho khả năng tách tín hiệu, được gọi là độ phân giải D*,được xác định bởi biểu thức:

D* = (A.B)1/ 2

Với A là điện tích tích cực của linh kiện thu quang

D* tương ứng với tỉ số S/N trên 1 Wat của công suất quang tới bề mặtdetector trên độ rộng băng tần 1Hz

4- Thời gian đáp ứng:

Đã có một số quan điểm rằng điện tích sinh ra trong mạch ngoài củadetector có giá trị độ lớn là 2e do loại hạt tải chạy về 2 cực thì 1 photon làm phátsinh ra 1 cặp điện tử lỗ trống trong bán dẫn Ta hãy xét xem quan điểm này đúnghay sai

Trong thực tế, thời gian chạy ra mạch ngoài của điện tử và lỗ trống làkhông giống nhau do khối lượng của chúng không giống nhau và tuỳ thuộc vàocấu trúc và đặc điểm của vật liệu bán dẫn làm linh kiện thu quang Cụ thể là cácđiện tử thì chạy nhanh, có thể đi về phía điện cực dương 1 cách nhanh chóng,còn các lỗ trống thì chạy chậm hơn về phía điện cực âm Mỗi loại hạt tải chạyqua mạch ngoài đều cần có một khoảng thời gian, và được gọi là thời gian lantruyền trung chuyển trong linh kiện Đây là một thừa số giới hạn quan trọng đốivới tốc độ hoạt động của tất cả các linh kiện thu quang bán dẫn

25

Ta sẽ xét một cặp điện tử - lỗ trống sinh ra bởi quá trình hấp thụ 1 photontại một vị trí bất kỳ x nào đó trong vật liệu làm detector có chiều rộng là w và cóthế hiệu đặt vào là V Xét sự chuyển động theo chiều x, giả sử hạt tải có điện tíchtổng cộng là Q, chuyển động với tốc độ v(t) theo chiều x tạo ra dòng điện trongmạch ngoài có dạng:

i(t) = Q Q v(t)

t = Wv(t)Cấu trúc của linh kiện thu quang có 1 cặp điện tử - lỗ trống sinh ra do hấpthụ photon tại toạ độ x, chúng đi về 2 cực, được biểu thị trên hình vẽ:

Hình 2.5: Sự sinh cặp điện tử - lỗ trống trong linh kiện thu

Khi có dòng điện có dòng điện E thì hạt tải trong vật liệu bán dẫn sẽ bịcuốn với tốc độ v = E

Giả sử: Lỗ trống chuyển động sang trái với tốc độ không đổi vh, còn điện

tử chuyển động sang phải với tốc độ ve Độ lớn của dòng điện tử và lỗ trống là ie

Trong thực tế thời gian đáp ứng không được tính toán từ thời gian bay củađiện tử - lỗ trống Ta gọi thời gian đáp ứng Tr của linh kiện thu quang giới hạnchủ yếu bởi điện dung và trở kháng của linh kiện thu như công thức:

Tr = (RD + RA)(CD + CA) (2.22)Trong đó:

- RD: là điện trở của linh kiện

- RA: là điện trở thuần của lối vào bộ khuếch đại

- CD; CA: làđiện dung của linh kiện thu và bộ khuếch đại

Đối với bộ khuếch đại tốt sẽ có RA  RD; CA  CD, do đó:

Đối với linh kiện thu có thời gian đáp ứng nhanh thì cả RD và RC phải cógiá trị nhỏ Khi khảo sát nhiễu thì RD có vai trò nhất định, do vậy giá trị nhỏ nhấtcủa RD bị giới hạn bởi 1 giá trị nào đó khi đứng trên quan điểm trung hoà tối ưu

Điện dung chuyển tiếp có thể xác định như sau: