bài giảng môn học quang điện tử và quang điện, chương 13 ppsx

1
chương 13: Các yếu tố ảnh hưởng lên hiệu suất
lượng tử
(1) Phản xạ: các bán dẫn dùng chế tạo photodiode có chiết suất khoảng
3,5Æ hệ
số phản
xạ
≈
30% tại bề mặt bán dẫn.
(2) Sự suy giảm hệ số hấp thụ ở bước sóng dài: hệ số hấp thụ ở bước
sóng ngắn
gấp
≈
10
4
lần so với các bước sóng gần giới hạn vùng cấm. Hệ số hấp thụ
biểu thị
khả năng 1 photon có thể bị hấp thụ khi đi qua một đơn vị khoảng cách
trong vật liệu.
(3) Sự hấp thụ sóng ngắn: do các photon ngắn bị hấp thụ sớm ở lớp
trên của photodiode trước khi có thể tới được vùng nghèo, do đó không
đóng góp vào d
òng thu. Có thể khắc phụ nhờ việc giảm độ dày lớp trên
(4)
Giới hạn vùng cấm: các photon phải có đủ năng lượng để gây
chuyển mức e- qua vùng cấm.
*
Diode thác lũ (APD_Avalanche Photodiode): được thiết kế để
nâng cao hiệu suất lượng tử, cho phép tạo ra dòng có tốc độ lớn hơn tốc
độ d
òng photon tới. APD được phân cực ngược với điện áp lớn để gia tốc

các e- phát sinh do photon đến vận
2
tốc lớn và va chạm với cấu trúc nguyên tử trong miền nghèo tạo ra các cặp
e- l
ỗ
trống mới, kết quả là dòng tổng có thể tăng hàng trăm lần so với diode PN
đơn giả
n.
Độ lợi dòng = Dòng APD / Dòng do photon khi η = 1
- Độ lợi dòng của các APD chế tạo từ silicon rất nhạy với sự thay đổi
đ
iện áp rơi trên diode và với nhiệt độ Æ các mạch ứng dụng rất phức tạp,
đ
òi hỏi ổn định điện áp và bù nhiệt.
- Độ lợi dòng của APD phản ánh số trung bình các e- được tạo ra trên 1
photon đến. Số e- được phát sinh bởi 1 photon bất kỳ thay đổi một cách
ngẫu nhiên, tạo ra một tín hiệu nhiễu chồng lên giá trị trung bình. Nhiễu
này khác với nhiễu nhiệt vì nó liên quan đến hiện tượng hấp thụ và nhân.
Độ lợi có thể rất nhỏ ở mức công suất thấp.
3) Đặc trưng đường tải
* Hoạt động mode quang thế tự thiên áp
- Sụt áp trên tải và dòng quan hệ theo định luật Ohm, trong khi quan
hệ giữa sụt áp trên photodiode và dòng tuân theo đặc trưng diode.
- Điểm làm việc ≡ giao điểm đường tải và đường cong (I-V) của diode
* Các đường cong quang thế (photovoltaic curves):
- Nằm ở góc 1/4 thứ tư của đặc tuyến I
d
(V
d
).

- Th
ế hở mạch qua photodiode trên
tr
ục V
d
: V
0
=
K
1
ln(K
2
H
0
)
K
1
: h
ằng số phụ thuộc nhiệt độ
K
2
: hằng số phụ thuộc bước sóng và cấu trúc của photodiode
H
0
: mật độ dòng quang tới
3
* Chế độ hoạt động ngắn mạch:
-dòng thay đổi tuyến tính theo mật độ dòng quang tới
- V
o

tỷ lệ với dòng qua trở feedback Æ tỷ lệ với mật độ dòng quang
- có th
ế offset do dòng rò (rất nhỏ).
* Chế độ phân cực ngược: (mode quang dẫn)
-
Điện dung diode giảm Æ giảm thời gian đáp ứng
4
- Thế thiên áp V
B
tiêu biểu ≈ 10V
- Quan h
ệ dòng áp:
V
0
= V
B
- V
D
hay I
p
R
L
= V
B
- V
D
-
Để tránh phá huỷ diode khi I
p
=0, th

ế phân cực ngược phải < thế đánh
thủng
V
- Khi V
d
= 0 Æ I
p
= I
ng
ắn
m
ạch
= I
max
=

B
R
L
gọi là dòng bão hoà I
SAT
*
Đường tải Qua các điểm (V
B
, 0) và (0,V
B
/R
L
) trên họ đặc tuyến
ngược I

d
(V
d
). Ý ngh
ĩa: khi mật độ dòng quang đến, ví dụ, = H
2
Ædòng I
2
qua điode
-Để tăng khoảng dòng thì cần tăng V
B
hoặc giảm R
L
.
- Tích c
ủa áp và dòng đi qua diode cần luôn nhỏ hơn khả năng tiêu tán
công suất của diode .
ÆĐường
tải nằm trong đường công suất cực đại cho phép.
- Công su
ất tiêu tán cực đại cho phép xảy ra khi mật độ dòng quang tạo
ra dòng
điện =
1
dòng bão hoà, khi
đó V =
1
V
2
d

2
B
4)
Mô hình tín hiệu nhỏ cho
photodiode:
* Nguồn dòng I
p
: dòng trung bình gây bởi
sóng tới.
I
p
= RP
R: đáp ứng của photodiode
(Ampere/Watt) P: công suất sóng tới
5
tổng cộng.
* Điện dung Shunt C: điện dung chuyển tiếp phân
cực ngược
C = KA/[ρ(V
0
– V
D
)]
1/2
K: h
ệ số tỷ lệ ≈ 19000, khi đơn vị của các đại lượng khác
như
sau: A: diện tích tích cực (cm
2
),

ρ: điện trở suất (Ω.cm), nhận giá trị từ 10-
10000, V
0
: th
ế khuếch tán của miền nghèo
≈ 0.6V với Si, V
D
: thế phân cực ngược,
nhận giá trị âm.
6
* Trở Shunt: đuợc chú ý khi tính toán nhiễu, còn gọi là trở kênh
(channel resistance) n
ằm trong khoảng 100k Ω Æ vài M Ω , giảm khi
nhi
ệt độ hoặc diện tích linh kiện tăng, tăng khi thế phân cực tăng. Được
định ng
hĩa = độ dốc của đường cong I_V tại thế zero hay = tỷ số của thế
phân cực ngược qua diode / dòng tối.
* Dòng nhiễu I
n
tính cho tất cả các hiệu ứng nhiễu.
+ Nhiễu lượng tử (quantum noise): gây bởi quá trình ấp thụ photon,
quan trọng khi mức công suất sóng tới thấp. Các photon đến có thể được
hấp thụ hoặc không Æ tại một thời điểm, dòng thu có thể > hoặc < dòng
trung bình. Quá trình này là ng
ẫu nhiên và tạo ra dòng nhiễu lượng tử =
công suất tín hiệu tạo bởi dòng trung bình được cho bởi:
P
m
= (H

0
A)
m
≈ (hc/λ)(
∆
f/η)
với P
m
: công suất sóng tới khi (S/N) =1,
∆f: độ rộng
băng nhiễu
+ Shot noise (nhiễu bắn): xem dòng là tổng của rất nhiều xung dòng
nh
ỏ gây bởi chuyển động của hạt tải trong các bước rời rạc, làm cho dòng
thay đổi quanh giá trị trung bình. Sự thay đổi này gọi là shot noise
current.
I
S
= [2e
∆f(I
d
+ I
p
)]
1/2
v
ới I
d
: dòng tối
I

p
: dòng quang trung bình
+ Nhi
ễu nhiệt: có thể chiếm ưu thế khi hoạt động ở mode ngắn mạch
I
t
= (4kT
∆
f/R
SH
)
1/2
v
ới R
SH
: điện trở shunt của photodidode
Trở tải R
L
làm tăng nhiễu nhiệt:
7
I
t
= [4kT∆f(1/R
SH
+ 1/R
L
)]
1/2
8
S

t
* Dòng nhiễu tổng I
n
:
I
n
= (I
2
+ I
2
)
1/2
9
* Công suất nhiễu tương
đương: (NEP)
NEP = I
n
/R
Ví d
ụ: Tính phân bố nhiễu khi cho biết: H
0
, A, λ, R, R
L
, ∆f,
R
SH
, I
d
.
* Tr

ở nối tiếp (R
s
)
: bao gồm trở của vật liệu và các tiếp
xúc, đóng vai trò quan trọng với thời gian lên và tính tuyến
tính, nhận giá trị từ 0,1 Ω Æ vài trăm Ohm
* Tr
ường hợp R
L
+ R
S
<< R
SH
và R
L
> R
S
, (giả thiết I
P
>>
I
N
)
Æ
Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ sẽ gọn hơn
Æ Hằng số thời gian của hệ đầu thu:
τ
RC
≡ (R
S

+ R
L
)(C + C
p
)
v
ới C
p
là các điện dung song song khác
* Đáp ứng của detector bắt đầu phi truyền khi dòng
≈
1/3 dòng
bão hoà
Æ Dòng tuy
ến tính tối đa:
I
max
= I
sat
/3 = (1/3)V
B
/(R
S