Chương 2. CÁC PHẦN TỬ BIẾN ĐỔI ĐIỆN - QUANG
2.2. NGUYÊN LÝ BIẾN ĐỔI ĐIỆN - QUANG
Các linh kiện biến đổi quang điện dùng trong thông tin quang dựa vào một trong ba hiện tượng, đó là hấp thụ, phát xạ tự phát và phát xạ kích thích. Hình 2-3 mô tả quá trình hấp thụ và phát xạ.
a) Hiện tượng hấp thụ b) Hiện tượng phát xạ tự phát c) Hiện tượng phát xạ kích thích Hình 2-3. Quá trình hấp thụ và phát xạ
Có thể liệt kê các ứng dụng của các hiện tượng như sau:
Hấp thụ: biến đổi tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện trong các linh kiện tách sóng quang.
Phát xạ tự phát: biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu ánh sáng xảy ra trong Điốt phát quang (LED - Light Emitting Diode).
Phát xạ kích thích: biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang xảy ra trong Laser và bộ khuếch đại quang.
2.2.1. Hiện tượng hấp thụ
Hiện tượng hấp thụ xảy ra khi một photon có năng lượng hf bị hấp thụ bởi một điện tử ở trạng thái năng lượng thấp.
Quá trình này chỉ xảy ra khi năng lượng hf photon bằng độ chênh lệch năng lượng giữa mức năng lượng cao và mức năng lượng thấp của điện tử (Eg = E2 – E1 ).
Khi xảy ra hiện tượng hấp thụ điện tử sẽ nhận năng lượng từ photon và chuyển lên mức năng lượng cao.
2.2.2. Hiện tượng phát xạ tự phát (spontaneous emission)
Hiện tượng này xảy ra khi một điện tử chuyển trạng thái năng lượng từ mức năng lượng cao E2 xuống mức năng lượng thấp E1 và phát ra một năng lượngEg = E2 – E1 dưới dạng một photon ánh sáng.
Quá trình này xảy ra một cách tự nhiên vì trạng thái năng lượng cao không bền vững.
22
2.2.3. Hiện tượng phát xạ kích thích (stimulated emision)
Hiện tượng này xảy ra khi một điện tử đang ở trạng thái năng lượng cao E2 bị kích thích bởi một photon có năng lượng bằng độ chênh lệch năng lượng giữa mức năng lượng cao và mức năng lượng thấp của điện tử (Eg = E2 – E1).
Khi đó, điện tử sẽ chuyển từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái năng lượng thấp hơn và tạo ra một photon có năng lượng bằng năng lượng photon kích thích ban đầu.
Như vậy, từ một photon ban đầu sau khi xảy ra hiện tượng phát xạ kích thích sẽ tạo ra hai ra hai photon (photon ban đầu và photon mới được tạo ra). Photon mới được tạo có đặc điểm: cùng tần số, cùng pha, cùng phân cực và cùng hướng truyền với photon kích thích ban đầu.
2.2.4. Tiếp giáp P-N
Hình 2-4 mô tả tiếp giáp giữa bán dẫn loại P và loại N.
Hình 2-4. Tiếp giáp P-N
Tiếp giáp p-n hình thành từ hai loại bán dẫn loại n và loại p. Khi chưa đặt điện áp phân cực, các hạt tải đa số khuếch tán qua lớp tiếp giáp hình thành nên hàng rào thế. Trạng thái cân bằng thiết lập hình thành vùng nghèo (không có tải linh động).
Có thể xem xét hai trường hợp đó là phân cực ngược và phân cực thuận.
Hình 2-5 mô tả trường hợp phân cực ngược: vùng nghèo mở rộng, các điện tử và lỗ trống khó gặp nhau để tái hợp phát ra ánh sáng.
23
Hình 2-5. Phân cực ngược
Phân cực ngược được sử dụng trong photodiode.
Tiếp theo ta xem xét trường hợp phân cực thuận: vùng nghèo hẹp lại, hàng rào thế thấp xuống dẫn đến các điện tử và lỗ trống được bơm vào vùng nghèo dễ dàng tái hợp và phát ra ánh sáng. Hình 2-6 sau đây mô tả trường hợp phân cực thuận.
Hình 2-6. Phân cực thuận
Công thức quan hệ giữa dòng chạy qua tiếp giáp và thế đặt vào như sau:
S B
II exp qV / k T 1
Có hai loại cấu trúc đó là cấu trúc đồng thể và cấu trúc dị thể.
Cấu trúc đồng thể: Hạt tải không bị giam hãm dẫn tới hiệu suất phát xạ kém.
Cấu trúc dị thể gồm ba lớp cơ bản:
Lớp bán dẫn ở giữa có Eg nhỏ (lớp tích cực).
Hai lớp bán dẫn p và n hai bên có Eg lớn hơn (lớp hạn chế).
Ưu điểm của cấu trúc dị thể là giam hãm hạt tải và photon.
24
Hình 2-7. Cấu trúc dị thể