Tính chất đặc trưng và một số ứng dụng của các linh kiện bán dẫn thu tín hiệu quang

Trong chương này, chúng tôi trình bày một số thông số đặc trưng cơ bản của các linh kiện thu tín hiệu quang đó là: sự hấp thụ quang trong chất bán dẫn, hiệu suất lượng tử và độ

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa Vật lý, các thầy giáo, côgiáo trong khoa Vật lý đã nhiệt tình giảng dạy, giúp đỡ tôi trong suốt thời gianhọc tập và rèn luyện tại trường Đại học Vinh

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn TS Lưu Tiến Hưng đãtận tình hướng dẫn và tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và làmkhoá luận tốt nghiệp này

Cuối cùng tôi xin cảm ơn các bạn sinh viên trong tập thể lớp 47B khoaVật lý và gia đình đã động viên, tạo mọi điều kiện giúp tôi trong suốt quá trìnhhọc tập và nghiên cứu

Vinh, tháng 5 năm 2010

Vũ Văn Nam

MỤC LỤC

Trang

Chương I Giới thiệu chung về họ linh kiện bán dẫn thu quang 6

1.1 Khái niệm 6

1.2 Phân loại 6

1.2.1 Phân loại theo nguyên lý hoạt động 6

1.2.2 Phân loại theo vùng sóng bức xạ quang 7

1.3 Các vật liệu chế tạo các linh kiện thu quang 8

1.3.1 Các vật liệu bán dẫn và detector ứng dụng thông tin đường dài 9 1.3.2 Các mạng địa phương 10

1.3.3 Detector ảnh nhiệt thu sóng dài 10

1.3.4 Các detector tốc độ cao 11

Kết luận chương 11 Chương II Một số thông số đặc trưng của họ linh kiện 12

bán dẫn thu quang

2.1 Sự hấp thu quang trong chất bán dẫn 12

2.1.1 Quá trình hấp thu quang trong bán dẫn có vùng cấm thẳng 12

2.1.2 Quá trình hấp thu trong bán dẫn có vùng cấm không thẳng 13 2.2 Hiệu suất lượng tử và độ nhạy phổ 15

2.2.1 Hiệu suất lượng tử 15

2.2.2 Độ nhạy phổ 16

2.3 Tỷ số tín hiệu trên nhiễu và độ phân giải 18

2.4 Thời gian đáp ứng 19

Chương III Linh kiện bán dẫn thu tín hiệu quang điển hình 23

3.1 Quang trở 23

3.1.1 Cấu tạo 23

3.1.2 Nguyên lý hoạt động 24

3.1.3 Các đặc tuyến quan trọng của quang trở 26 3.1.4 Các đặc trưng của quang trở 27 3.1.5 Ứng dụng của quang trở 30 3.2 Photodiode 32

3.2.1 Cấu tạo 32

3.2.2 Nguyên lý hoạt động 33

3.2.3 Các đặc trưng cơ bản của photodiode 36

3.2.4 Ứng dụng của photodiode 40

3.3- Pin mặt trời 43

3.3.1 Cấu tạo 43

3.3.2 Nguyên lý hoạt động 44

3.3.3 Sơ đồ tương đương của pin mặt trời 45

3.3.4 Các tham số đặc trưng của pin mặt trời 47

3.3.5 Hiệu suất biến đổi quang điện của pin mặt trời 47 Kết luận chương 49 Kết luận 50

Tài liệu tham khảo 51

Các tính chất đặc trưng bên các linh kiện thu tín hiệu quang như: độ nhạy,chất lượng thu tín hiệu, sự phát sinh nhiễu…có tính quyết định tới tất cả hệthống thông tin quang Do đó việc nghiên cứu các linh kiện bán dẫn thu tín hiệuquang có vai trò và ý nghĩa rất lớn trong hệ thống thông tin quang.

Từ những lý do trên mà chúng tôi đã chọn đề tài: “Tính chất đặc trưng

và một số ứng dụng của các linh kiện bán dẫn thu tín hiệu quang”.

Mục đích của đề tài chính là tìm hiểu các đặc điểm, tính chất của một sốlinh kiện bán dẫn thu tín hiệu quang Từ đó nêu lên ứng dụng của chúng trongthực tiễn

Bằng phương pháp nghiên cứu các tài liệu, sách, giáo trình, các website…có liên quan đến các linh kiện bán dẫn trong hệ thống thông tin quang kết hợpvới sự hướng dẫn, sửa đổi tận tình của giáo viên hướng dẫn tôi đã hoàn thànhkhóa luận với bố cục như sau:

Chương I: Giới thiệu chung về họ linh kiện bán dẫn thu tín hiệu quang Trong chương này, chúng tôi trình bày khái quát về họ linh kiện bán dẫn

thu tín hiệu quang gồm các đặc điểm như: khái niệm, cách phân loại, các vật liệudùng để chế tạo các linh kiện thu tín hiệu quang

Chương II: Một số thông số đặc trưng của họ linh kiện bán dẫn thu quang Trong chương này, chúng tôi trình bày một số thông số đặc trưng cơ bản của các linh kiện thu tín hiệu quang đó là: sự hấp thụ quang trong chất bán dẫn,

hiệu suất lượng tử và độ nhạy, tỷ số tín hiệu trên nhiễu và độ phân giải

Chương III: Các linh kiện bán dẫn thu tín hiệu quang Đây là phần

nội dung chính của khóa luận, trình bày tóm tắt các đặc điểm về cấu tạo, nguyên

lý hoạt động và một số ứng dụng của một số linh kiện thu quang như: quang trở,photodiode và pin mặt trời

Khóa luận được kết thúc bằng phần kết luận, nêu tóm tắt những kết quả

đã đạt được và danh mục các tài kiệu tham khảo

Mặc dù đã có nhiều cố gắng để khóa luận đạt được kết quả tốt nhất, song

do trình độ và thời gian còn hạn chế do đó không thể tránh khỏi những thiếu sót.Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy, cô giáo cùng các bạnsinh viên cũng như những ai quan tâm đến đề tài này để khóa luận ngày càngđược hoàn thiện hơn

Sau đây là phần nội dung chính của khóa luận

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÁC LINH KIỆN

BÁN DẪN THU QUANG

1.1 Khái niệm

Các photodetector là tên gọi chung của các linh kiện thu, tách tín hiệuquang, đo thông lượng hay công suất tín hiệu quang bằng cách chuyển đổi nănglượng các photon bị hấp thụ sang các dạng năng lượng khác có thể đo được như:nhiệt năng, quang năng, điện năng,…

Ngoài ra, người ta còn gọi loại linh kiện này với một tên chung khác nữa làsensor quang: là các dụng cụ nhạy với các bức xạ quang, chúng thu nhận, biếnđổi các tín hiệu quang thành tín hiệu điện

1.2 Phân loại

1.2.1 Phân loại theo nguyên lý hoạt động

Dựa trên nguyên lý hoạt động của các linh kiện có thể phân ra hai họ linhkiện với tên thường dùng là: các detector nhiệt và detector quang điện [1]

1.2.1.1 Các detector nhiệt

Các detector nhiệt hoạt động bằng cách chuyển đổi năng lượng photon sangnhiệt 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

1.2.1.2 Các detector quang điện

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

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

trình quang dẫn, ở đó các hạt tải bị kích thích không bứt ra khỏi vật liệu mà vẫnở trong lòng vật liệu bán dẫn Khi chiếu một photon có năng lượng lớn hơn nănglượng vùng cấm vào bề mặt bán dẫn thì quá trình hấp thụ photon xảy ra Khi hấpthụ một photon, một điện tử được kích thích từ vùng hóa trị lên vùng dẫn để lạitrong vùng hóa trị một lỗ trống, ta nói photon đã tạo ra một cặp điện tử - lỗ trốngkhi có trường điện đặt vào linh kiện sẽ có sự chuyển dời các điện tích về 2 cựctạo ra dòng điện ở mạch ngoài, dòng điện này được gọi là dòng quang điện.Bình thường một photon chỉ có thể tạo ra một số cặp điện tử - lỗ trống nghĩa làvới một lượng photon xác định chỉ có thể tạo ra một dòng điện xác định Tuynhiên có một số loại linh kiện thu quang có khả năng hoạt động với cơ chếkhuếch đại bên trong nghĩa là dòng quang điện có khả được năng khuếch đại lênnhiều lần do một số cơ chế đặc biệt của detector tạo ra Linh kiện điển hình cókhuếch đại trong các photodiode 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 hóa…

1.2.2 Phân loại theo vùng sóng bức xạ quang

Vùng sóng bức xạ quang mà các photodetector hoạt động nằm trong dải bức

xạ của ánh sáng nhìn thấy (0,38 – 0,78 µm), vùng hồng ngoại gần và một phầnvùng hồng ngoại trung (0,78 – 15 µm) 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 quang ánh sángnhìn thấy, detector nhạy ở 3 cửa sổ ở trong vùng hồng ngoại (IR), detector ảnhnhiệt (detector nhạy trong vùng từ 3 – 12 µm), các linh kiện thu các bức xạ laserở vùng 1,3 µm và 1,55 µm

Như vậy tùy theo cách phân loại mà họ các linh kiện thu quang phân chianhiều loại khác nhau Ngày nay các linh kiện thu quang với cấu trúc giếng lượngtử hay tổ hợp các cấu hình quang điện tử hiện đại với cấu hình phức tạp đangđược 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 phận quang điện.

 Các cấu hình photodiode giếng lượng tử, các detector IR

 Các detector ảnh nhiệt (thermal detector)

 Các mạch tích hợp thu phát quang điện tử (OEIC)

1.3 Các vật liệu chế tạo các linh kiện thu quang

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 photodetector hoạt động tại các dải sóng quang khác nhau và nhiệt độkhác nhau

Trong cấu trúc các linh kiện thu quang thường bao gồm vật liệu bán dẫn làm

đế và vật liệu màng để làm detector trên đó

Về các vật liệu đế [1]: công nghệ bán dẫn ngày nay, chỉ có một số vật liệubán dẫn làm đế là: Si, GaAs, Ge và InP Các vật liệu bán dẫn khác cũng có thểđược sử dụng nhưng với kích thước rất nhỏ do công nghệ chế tạo chưa phát triểnhoặc mật độ sai hỏng trong mặt đế còn khá cao, hoặc đơn giản chỉ là thành phầnrất đắt tiền Do đó, việc chế tạo các linh kiện thu quang theo ý muốn gặp khôngít khó khăn.

Về các vật liệu màng bán dẫn [1]: trên các vật liệu đế, các vật liệu màng bándẫn thường được nuôi bằng kỹ thuật epitaxy và sau đó các linh kiện tích cựcđược chế tạo ra ở trên đó Nhìn chung người ta cần nuôi các lớp epitaxy có hằng

số mạng phù hợp với hằng số mạng của lớp đế Tuy nhiên trong một số trường

hợp cũng có thể nuôi một lớp epitaxy không trùng hằng số với mạng nhằm gây

ra các sai hỏng để làm bẫy gần vùng biên tiếp giáp

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 [1].

Các chất bán dẫn dùng để chế tạo các linh kiện thu quang thường có cấu trúcvùng năng lượng dạng vùng cấm xiên

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

Các photon sử dụng bước sóng 1,3 µm và 1,55 µm 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 µm (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 µm và 1,55 µm Vật liệu làm linh kiện thu quang được sửdụng rộng rãi nhất là In0,53 Ga0,47As, vật liệu hợp chất này có hằng số mạng phùhợp với InP rất tốt cho thông tin đường dài.

Linh kiện thu quang chế tạo trên bán dẫn Ge cũng được sử dụng trong thôngtin đường dài, loại vật liệu này được để làm photodiode thác lũ, nó có độ khuếchđại khá cao, khá nhạy song chỉ làm việc ở nhiệt độ thấp (770K)

1.3.2 Các mạng địa phương

Trong các mạng địa phương (LAN’s) tín hiệu quang thường dùng là do LEDphát ra ở bước sóng 0,8 µm, linh kiện này chế tạo trên vật liệu GaAs, nhưng vìmục đích giá thành thấp nên người ta thường dùng linh kiện thu quang Si loạiAPD

1.3.3 Detector ảnh nhiệt thu sóng dài

Các photodetector được sử dụng trong lĩnh vực ảnh nhiệt để nhìn đêm vàdùng trong y học…có dải bước sóng hoạt động khá rộng từ các bước sóng vài

µm đến 20 µm Các photodetector phục vụ cho mục đích này cần làm việc trên

cơ sở các vật liệu bán dẫn có vùng cấm rất hẹp hoặc với sự trợ giúp của các mứcsai hỏng có trong vùng cấm trên các cấu trúc dị chất Trong các bán dẫn có vùngcấm hẹp, các vật liệu quang trọng được chọn là hợp chất bán dẫn HgCdTe,PbTe, PbSe, InSb Các delector không thuần trên cơ sở vật liệu Si, Ge với việccấy các ion tạp chất vào để có các sai hỏng trong vùng cấm phù hợp cũng đượcsử 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.

1.3.4 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 ởnhiệt 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 một picogiây (psec), trong khi thời gian sống của vật liệu GaAs có chất lượng tốt là cỡmột nano giây (nsec) Với thời gian sống rất ngắn có thể cho tốc độ hoạt độngrất cao

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

Trước khi tìm hiểu về từng loại detector riêng biệt chúng ta khảo sát một sốđặc điểm chung nhất như sự hấp thụ ánh sáng trong bán dẫn, hiệu suất lượng tử,

độ nhạy, thời gian phản ứng…

2.1 Sự hấp thụ quang trong chất bán dẫn

Khi có một photon (hay một chùm photon) được chiếu vào bề mặt bán dẫn,tùy thuộc vào năng lượng của photon, nó có thể bị hấp thu làm phát sinh ra mộtcặp điện tử lỗ trống trong bán dẫn Điện tử có thể nhảy từ vùng hóa trị lên vùngdẫn để lại trong vùng hóa trị một lỗ trống Quá trình này được gọi là quá trìnhhấp thụ photon Để cho một điện tử có thể nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn thìnăng lượng photon ít nhất phải bằng năng lượng vùng cấm Đây là hấp thụ vùng– vùng [1]

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

Ở đây ta chỉ xét quá trình hấp thụ vùng -vùng

2.1.1 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 hóa trị vàcực tiểu của vùng dẫn nằm tại cùng một hệ số sóng k (nằm trên một đườngthẳng) như trên (hình 2.1a) Quá trình hấp thụ photon trong bán dẫn có vùngcấm thẳng là mạnh nhất vì khi này photon có khả năng tác động một cách trựctiếp để một điện tử nhảy lên vùng dẫn Quá trình dịch chuyển này có thể thựchiện gần mép của vùng cấm, có cấu trúc thẳng của bán dẫn và có động lượngđược bảo toàn

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

1 2

0

2 0

3

2 )

cm n

- m0 : Là khối lượng điện tử

- ε0 : Là hằng số điện môi trong môi trường tự do

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

1 0

*

2

) (

10

4 )

và vùng cấm không thẳng có sự tham gia của photon (b) [1].

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

Bán dẫn có vùng cấm không thẳng là loại bán dẫn có cực đại của vùng hóatrị và cực tiểu của vùng dẫn không nằm tại hệ số sóng k, khi đó sự dịch chuyểntheo chiều thẳng đứng k không thể xảy ra và các điện tử có khả năng hấp thụ chỉ

1 photon nếu có một 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 nhưcác quá trình hấp thụ trong vùng cấm thẳng Khi này hệ số hấp thụ có dạng :

Trong đó: k0 : là hằng số, k1(T): là thừa số phụ thuộc vào nhiệt độ.

Khi nhiệt độ tăng thì k1(T) tăng và hệ số hấp thụ sẽ tăng k0 và k1(T) có giátrị sao cho giá trị hệ số hấp thụ của bán dẫn không thẳng nhỏ hơn cỡ 100 lần sovới bán dẫn thẳng tại cùng 1 gia trị năng lượng của photon với độ lớn tối thiểubằng năng lượng vùng cấm (  Eg)

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

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

λc = Eg hc =Eg1,24(ev) (µm) (2.4)

Hệ số hấp thụ của một số vật liệu bán dẫn được biểu diễn trên (hình 2.2) Tạiđây biểu thị các chất bán dẫn có độ hấp thụ trong dải sóng từ 1- 10 µm

Độ dài bước sóng (µm)

(đường nét liền) và 77 0 K (đường nét đứt) [1].

Độ xuyên sâu của photon được xác định bằng nghịch đảo của hệ số hấpthụ: 1‹α Trong thiết kế chế tạo rất cần biết độ xuyên sâu của photon để từ đó cóthể thiết kế, tính toán độ nhạy các lớp bán dẫn

Hình 2.3 Độ xuyên sâu của photon trong vật liệu bán dẫn Si

dùng trong thiết kế detector [1].

Hình 2.3 mô tả chi tiết độ xuyên sâu của photon trong vật liệu bán dẫn Si tạicác nhiệt độ 780K và 3000K Thí dụ tại bước sóng λ = 0,85 μm độ xuyên sâu củam độ xuyên sâu củaphoton là khoảng 20μm độ xuyên sâu củam ở 3000K và ở 780K độ xuyên sâu khá lớn

2.2 Hiệu suất lượng tử và độ nhạy phổ

2.2.1 Hiệu suất lượng tử

Hệ số lượng tử được định nghĩa là sác xuất để một photon rơi vào bề mặtlinh kiện bị hấp thụ làm sinh ra một 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 là tỉ số thông lượng các cặp điện tử - lỗ trống góp phần tạo ra dòng quang điệnở mạch 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 φL

Hiệu suất lượng tử η là tỷ số giữa số electron ne chạy trong mạch ngoài và sốphoton nph rơi trên bề mặt đầu thu trong cùng một đơn vị thời gian [1]:

η = (1- Rv).ξ.[1-exp(-αd)] (2.6)

Trong đó:

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

- ξ: Là tỷ phần của cặp điện tử - lỗ trống tham gia vào dòng quang điện

- α : Là hệ số hấp thụ photon của vật liệu

- d: Là chiều dày của photodetector

- Thành phần [1-exp(-αd)] : Là tỷ phần thông lượng photon bị hấp thụ tronglòng detector Như vậy càng có kích thước dày thì thành phần này càng lớn

2.2.2 Độ nhạy phổ

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

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

ηph =

hf

t e

 ,, (2.7)

Trong đó: e, : Là thông lượng quang

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

- IL,λ : 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:

.

.

)

(

,

, ,

,

e

L e

L

q

hc I t q

hf t I

R

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

*

*

e q

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 hơn 1.Đến đây ta có thể đưa ra biểu thức tổng quát về dòng quang điện và độ nhạy phổdưới dạng:

0

 (2.13)

Ở đây thứ nguyên của một số đại lượng là: G[A‹W]; λ[μm độ xuyên sâu củam] Khi đó tại mộtbước sóng λ nào đó, độ nhạy phổ tuyệt đối và hiệu suất lượng tử tương đối đượcviết như sau:

là v‹W hay a‹W Giá trị độ nhạy của linh kiện thu theo một giải bước sóng λđược gọi là phổ độ nhạy Linh kiện thu sẽ nhạy với các photon có năng lượnglớn hơn hoặc bằng năng lượng vùng cấm:



hc

 Eg (2.16)

Hình 2.4 Hiệu suất lượng tử tương đối và độ nhạy phổ

của vật liệu bán dẫn [1].

Tất cả các bước sóng thỏa 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 lấycác giá trị đo chia cho giá trị độ nhạy cực đại, với cách này thì 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 độ nhạyphổ của một số vật liệu bán dẫn theo bước sóng Từ hình vẽ ta thấy rất ít vật liệubán dẫn có hiệu suất lượng tử đạt giá trị gần bằng 1 Riêng đối với linh kiện thuquang chế tạo từ vật liệu bán dẫn Si thì hiệu suất lượng tử có giá trị cao chủ yếuở vùng bước sóng hồng ngoại gần, khoảng 0,8 ÷ 0,95μm độ xuyên sâu củam và phụ thuộc vào nhiệtđộ

2.3 Tỷ số tín hiệu trên nhiễu và độ phân giải

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu được kí hiệu bằng S‹N được xác định bằng biểuthức:

p p

p p

Nin Sin

Nout Sout

N S

Trong đó: PSout, PNout, PSin, PNin là công suất tín hiệu và công suất nhiễu tại đầuvào và đầu ra.

Tỷ số S‹N = 1 là lúc giá trị tín hiệu bằng giá trị nhiễu, khi này tín hiệu bắtđầu chìm vào nền nhiễu và không thể phân giải được nữa Người ta thường dùngcông suất nhiễu tương đương NEP được định nghĩa là giá trị bình phương trungbình (RMS) của công suất bức xạ tới làm sinh ra một thế hiệu nội RMS ở đầu rabằng với thế RMS nhiễu:

NEP = 2B (2.18)

Trong đó:

- B : Là độ rộng băng tần

- Ω : Là tần số sóng ánh sáng

- η : 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 :

NEP

B A

D* ( . ) 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

mạch ngoài cần có một khoảng thời gian, và được gọi là thời gian lan truyềntrung chuyển trong linh kiện Đây là một thừa số giới hạn quan trọng đối với tốc

độ hoạt động của tất cả các linh kiện thu quang bán dẫn

Ta sẽ xét một cặp điện tử - lỗ trống sinh ra bởi quá trình hấp thị một photontại một vị trí bất kì 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 điệntích tổng cộng là Q, chuyển động với tốc độ v(t) theo chiều x tạo ra dòng điệntrong mạch ngoài có dạng:

Hình 2.5: Sự sinh cặp điện tử - lỗ trống trong linh kiện thu [1].

Khi có dòng điện E thì hạt tải trong vật liệu bán dẫn sẽ bị cuốn với tốc độ v

= μm độ xuyên sâu củaE

Giả sử lỗ trống chuyển động sang trái với tốc độ không đổi vh, còn điện tửchuyển động sang phải với tốc độ ve Độ lớn của dòng điện tử và lỗ trống là ie và

ih

Thời gian mà lỗ trống chuyển động là x‹vh và thời gian điện tử chuyển động

là (  w x ) ve Trong vật liệu bán dẫn, tốc độ điện tử ve thường lớn hơn tốc độ lỗ

trống vh, nên độ dài toàn phần quyết định thời gian bay trong vật liệu do thờigian của lỗ trống quyết định.

Dòng điện tổng cộng Q cảm ứng của dòng điện bên ngoài được tính:

x

= e (2.21)

Hình 2.6: Sự quét của điện tử và lỗ trống ra hai điện cực của linh kiện

với tốc độ và thời gian khác nhau [1].

Từ biểu thức (2.21) ta thấy, điện tích ở mạch ngoài chỉ bằng e chứ khôngphải 2e như đã nói ở trên mặc dù có 2 loại hạt tải mang 2 lượng điện tích chạ về

2 cực của linh kiện thu

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 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: Là điện 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 có giátrị 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 hòa tối ưu

Điện dung chuyển tiếp có thể xác định như sau:

Trong đó: - ε : Là hằng số điện môi

- W : Là độ rộng lớp nghèo của chuyển tiếp

-A : Là điện tích của linh kiện

Từ công thức (2.24) ta thấy: Vật liệu có hằng số điện môi nhở sẽ cho giá trị điện dung nhỏ và khi lớp nghèo tăng lên có thể làm gia tăng đáng kể quá trìnhphát sinh tái hợp trong lớp nghèo gây ảnh hưởng tới tỉ số tín hiệu trên nhiễu theochiều hướng không có lợi

Kết luận chương

Trong chương này chúng tôi đề cập đến các thông số đặc trưng của họ cácdụng cụ bán dẫn thu tín hiệu quang đó là: sự hấp thụ quang trong chất bán dẫn,hiệu suất lượng tử và độ nhạy phổ, thời gian đáp ứng, tỷ số tín hiệu trên nhiễu và

độ phân giải

CHƯƠNG III LINH KIỆN BÁN DẪN THU TÍN HIỆU QUANG ĐIỂN HÌNH

Việc nghiên cứu, chế tạo các linh kiện bán dẫn thu tín hiệu quang đã và đangđược phát triển rất mạnh mẽ Các linh kiện này có tác dụng thu nhận, biến đổitín hiệu quang thành tín hiệu điện Chúng bao gồm nhiều loại với cấu trúc vànguyên lý hoạt động khác nhau như: quang trở, photodiode, phototransistor, cácdetector giếng lượng tử Các linh kiện thu tín hiệu quang có vai trò rất lớntrong nhiều lĩnh vực khác nhau của khoa học và công nghệ, quân sự và trongcuộc sống hằng ngày Trong chương này chúng tôi trình bày ba linh kiện bándẫn thu tín hiệu quang điển hình là Quang trở, photodiode và pin mặt trời

3.1 Quang trở

3.1.1 Cấu tạo

Quang trở là một loại linh kiện bán dẫn thụ động, không có lớp chuyển tiếpP-N và là linh kiện bán dẫn thu quang đơn giản nhất có độ nhạy cao, quán tínhkhá lớn, điện trở của nó biến đổi theo ánh sáng chiếu vào

Hình 3.1 a: Cấu tạo và ký hiệu của quang trở [6]

Cấu tạo của quang trở có thể được mô tả như (hình 3.1b,c): đó là một khốibán dẫn pha tạp nhạy sáng (có độ dẫn suất thay đổi rõ rệt khi ánh sáng chiếuvào) và có điện thế đặt vào Phiến bán dẫn này có thể là đa tinh thể (CdS, CdSe,

CdTe, PbTe…), cũng có thể là đơn tinh thể (Ge, Si tinh khiết hoặc pha tạp Au,

Cu, Sb, In, SbIn, AsIn, PIn…) tùy theo vào mục đích ứng dụng của chúng Trênđó được mạ kim loại để gắn điện cực ra ngoài Toàn bộ phiến bán dẫn được bọctrong vỏ kim loại hoặc chất dẻo có cửa sổ trong suất để ánh sáng chiếu vào

Hình 3.1 b: Biểu diễn sự phát sinh cặp điện tử -lỗ trống [1].

Hình 3.1 c: Cấu trúc thực của quang trở có đế cách điện [1].

3.1.2 Nguyên lý hoạt động

Khi không chiếu sáng thì “độ dẫn tối” của quang trở là [1]:

δ0 = e(μm độ xuyên sâu củann0 + μm độ xuyên sâu củapp0) (3.1)

trong đó: μm độ xuyên sâu củan, μm độ xuyên sâu củap là độ linh động của điện tử và lỗ trống của chất bán dẫn, n0, p0 lànồng độ điện tử và lỗ trống khi không có ánh sáng chiếu vào

Khi chiếu 1 chùm sáng có năng lượng hν lớn hơn độ rộng vùng cấm của bán

dẫn, sẽ gây ra sự chuyển dời các vùng hóa trị lên vùng dẫn làm phát sinh cặpđiện tử - lỗ trống, các cặp hạt tải này có khả năng tham gia vào quá trình dẫnđiện, đây là quá trình hấp thụ photon tạo ra cặp điện tử - lỗ trống Có một lượnghạt tải dư Δn = Δp làm độ dẫn tăng lên, khi đó độ dẫn là:n = Δn = Δp làm độ dẫn tăng lên, khi đó độ dẫn là:p làm độ dẫn tăng lên, khi đó độ dẫn là:

δ = e[μm độ xuyên sâu củan(n0 + Δn = Δp làm độ dẫn tăng lên, khi đó độ dẫn là:n) + μm độ xuyên sâu củap(p0 + Δn = Δp làm độ dẫn tăng lên, khi đó độ dẫn là:p)] (3.2)

hay

δ = 1p = δ0 + Δn = Δp làm độ dẫn tăng lên, khi đó độ dẫn là:δ với δ0 = e(μm độ xuyên sâu củann0 + μm độ xuyên sâu củapnp)

và Δn = Δp làm độ dẫn tăng lên, khi đó độ dẫn là:δ = e.Δn = Δp làm độ dẫn tăng lên, khi đó độ dẫn là:p(μm độ xuyên sâu củap + np) (3.3)Giả sử độ dài của quang điện trở là L, ta có thời gian bay của điện tử trongtinh thể là:

Khi chưa có khuếch đại, dòng quang điện được gọi là dòng quang điện cơbản và có công thức là:

p I

và phần bán dẫn có kích thước càng hẹp

Khi được lắp và mạch kín, quang trở đóng vai trò như một điện trở, nhờ việcthay đổi độ dẫn suất của nó (bằng cách thay đổi công suất chiếu sáng) ta có thểđiều khiển được dòng điện trong mạch