Bài giảng Đầu thu quang điện

ĐẦU THU QUANG ĐIỆN


NỘI DUNG

•
•
•
•

Một số khái niệm cơ bản
PIN
APD
PMT


Hiệu ứng quang điện

•

Đầu thu quang điện là thiết bị chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu điện dựa trên hiện
tượng quang điện.


Đáp ứng của đầu thu quang

•

Dòng quang điện tạo ra trong đầu thu quang tỉ lệ với công suất quang đến:

R là đáp ứng của đầu thu quang (A/W).

Hiệu suất lượng tử

•- Hiệu suất lượng tử được định nghĩa như sau:
Đáp ứng của đầu thu: .
Đáp ứng của đầu thu tăng theo bước sóng trong giới hạn xảy ra hiện tượng quang điện.

-

Nếu toàn bộ quang năng hấp thụ chuyển sang điện năng, ta có:



Thời gian đáp ứng

••

Thời gian đáp ứng là đại lượng để xác định tốc độ mà đầu thu đáp ứng với sự thay đổi của dòng quang
năng.

•
-

Thời gian đáp ứng phụ thuộc chủ yếu vào 2 yếu tố:
Thời gian các hạt mang điện tích dịch chuyển ra mạch ngoài (bao gồm thời gian dịch chuyển trong vùng
trôi và thời gian khuêch tán của các hạt mang điện được tạo ra ngoài vùng trôi), gọi là thời gian chuyển
tiếp τtr.

-

Hằng số thời gian RC của các mạch điện trong đầu thu τRC.

•

Thời gian hạt dịch chuyển trong vùng trôi:

6
4
Đối với Si, tốc độ lớn nhất của các điện tử khoảng 8.4*10 cm/s khi cường độ điện trường là 2*10 V/m. Nếu
độ rộng vùng trôi là 10 μm thì thời gian dịch chuyển là 0.1 ns.


Dòng tối

•

Khi không có ánh sáng tới, nếu đặt vào photodiode một hiệu điện thế ngược vẫn xuất
hiện một dòng điện nhỏ gọi là dòng tối:

•

Khi được chiếu sáng, dòng toàn phần bằng tổng của dòng quang điện và dòng tối:


Diode thu quang pin
•

Diode thu quang p-i-n thông thường có cấu trúc gồm lớp bán dẫn p và lớp bán dẫn n, giữa 2 lớp bán dẫn p-n này là một lớp i. Lớp i này thường là bán
dẫn thuần hoặc hoặc bán dẫn được pha tạp rất ít và có độ dày hơn nhiều so với hai lớp p và n. Vùng lớp I này được gọi là vùng trôi.

•

Độ rộng vùng nghèo w tối ưu phụ thuộc vào việc cân đối giữa tốc độ đáp ứng và độ nhạy của photodiode. Với các bán dẫn có dải cấm không trực tiếp
như Si hay Ge, giá trị của w nằm trong khoảng 20 – 50 μm thì có hiệu suất lượng tử hợp lý. Vì vậy, thời gian đáp ứng bị hạn chế do thời gian chuyển
tiếp tương đối lớn (>200 ps). Ngược lại, với các bán dẫn có dải cấm trực tiếp như InGaAs, w có thể nhỏ cỡ 3 - 5 μm mà vẫn đảm bảo hiệu suất lượng
tử, do đó thời gian chuyển tiếp của photodiode loại này cỡ 10 ps.


APD

-

APD là đầu thu quang điện dựa trên hiện tượng thác lũ.

-

So với cấu trúc pin, APD có thêm lớp p có điện trở suất cao. Vùng p này được gọi là
vùng nhân.

APD có đáp ứng và tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu lớn hơn nhiều các loại photodiode do hiện
tượng khuếch đại nội.


Hiệu ứng thác lũ
- Phương trình tốc độ:

αe, αh được gọi là tốc độ ion hóa do điện tử và lỗ trống gây ra.
Nếu điện trường trong vùng nhân là đồng nhất thì chúng là hằng
số.

- Hệ số nhân:
KA = αh/ αe.
- APD sẽ tốt hơn trong các trường hợp αe>> αh hoặc αe<< αh .


APD



Si APD


Si APD


Si APD


PMT


PMT dạng tròn


PMT dạng hộp và lưới


Photocathode
Các vật liệu thường dùng: silver-oxygen-caesium (AgOCs), antimonycaesium (SbCs), and the bi-and
trialkali compounds SbKCs, SbRbCs, and SbNa2KCs.

Dynode

•

Những vật liệu làm dynode: alkali antimonide, beryllium oxide (BeO), magnesium oxide (MgO), gallium
phosphide (GaP). Chúng được phủ lên đế dẫn điện làm từ nikel, thép…


Các phương pháp đo