Nghiên cứu miền công tác của các photodiode trong hệ thống thông tin quang tốc độ cao

Tổng công ty bưu chính viễn thôngviệt nam
học viện công nghệ bưu chính viễn thông
------------------

Nguyễn Vĩnh Nam

Nghiên cứu miền công tác của
các photodiode trong hệ thống thông tin
quang tốc độ cao

Hà nội, 5-2005


Tổng công ty bưu chính viễn thôngviệt nam
học viện công nghệ bưu chính viễn thông
------------------

Nguyễn Vĩnh Nam

Nghiên cứu miền công tác của
các photodiode trong hệ thống thông tin
quang tốc độ cao

luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Người hướng dẫn: TS. Hoàng Văn Võ

Hà nội, 5-2005


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

- 1 -

học viện công nghệ BC-VT

Mc lc
Ch vit tt v ký hiu............................4
Danh sỏch cỏc hỡnh v...............................8
LI CM N.........................................9
Li núi u........................................10
Chng 1. Cỏc phn t bin i quang - in trong h
thng thụng tin quang....................13
1.1. Tng quan v cu trỳc c bn v nguyờn lý
hot ng ca h thng thụng tin quang..........13
1.1.1. Cu trỳc c bn ca h thng thụng tin
quang..........................................13
1.1.2. Nguyờn lý hot ng ca h thng thụng
tin quang......................................14
1.2. Cỏc phn t bin i quang-in............15
1.2.1. Mt s yờu cu i vi cỏc phn t bin
i quang-in ................................15
1.2.2. PIN-Photodiode..........................15
1.2.3. Diode quang thỏc APD....................17
1.2.4. c tuyn tnh ca APD & PIN-Photodiode
...............................................19
chng 2. mụ hỡnh toỏn hc ca cỏc photodiode hot
ng tc cao........................22
2.1. Cỏc yu t xỏc lp c tớnh ng ca PIN
Photodiode v APD................................22
2.2. S in tng ng ca PIN Photodiode

v APD ..........................................23
2.3. Mụ hỡnh toỏn hc ca PIN Photodiode v APD
.................................................24
2.3.1. Mụ hỡnh truyn dn tớn hiu ...........24
2.3.2. Mụ hỡnh nhiu .........................25
27
chng 3. Cỏc tham s truyn dn ca cỏc photodiode
hot ng tc cao...................28

Nguyễn vĩnh nam - Cao học điện tử viễn thông khoá IV


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

- 2 -

học viện công nghệ BC-VT

3.1. H s khuych i ca APD.................28
3.2. Hm truyn dn ca PIN- Photodiode v APD . 28
3.2.1. Hm truyn dn ca PIN- Photodiode. . . . .28
3.2.2. Hm truyn dn ca APD..................29
3.3. Hm trng lng ca PIN- Photodiode v APD. 30
3.3.1. Hm trng lng ca PIN- Photodiode. . . .30
3.3.2. Hm trng lng ca APD.................30
3.4. Hm quỏ ca PIN- Photodiode v APD......30
3.5. Tớn hiu ra ca PIN Photodiode v APD . . .31
3.5.1. Truyn dn analog.......................31
3.5.2. Truyn dn s...........................34
3.6. Nhiu ca PIN Photodiode v APD..........37

3.6.1. Nhiu v phõn loi nhiu trong PINPhotodiode v APD..............................37
3.6.2. Cụng sut cỏc nhiu trong PIN-Photodiode
v APD.........................................39
3.7. T s tớn hiu trờn nhiu..................47
3.7.1. Mt s khỏi nim c bn ................47
3.7.2. Truyn dn analog ......................48
3.7.3. Truyn dn s ..........................51
chng 4. min cụng tỏc ca cỏc photodiode ....58
4.1 Cỏc iu kin xỏc nh min cụng tỏc ca
cỏc Photodiode...................................58
4.2. Min cụng tỏc ca cỏc Photodiode trong
truyn dn analog ...............................61
4.3. Min cụng tỏc ca cỏc Photodiode trong truyn
dn s ..........................................63
4.4. Vớ d tớnh toỏn min cụng tỏc ca cỏc
Photodiode .....................................66
4.4.1. Min cụng tỏc ca cỏc Photodiode trong
truyn dn analog .............................66
4.4.2. Min cụng tỏc ca cỏc Photodiode trong
truyn dn s .................................70
Kt lun v kin ngh..............................77
1. Kt lun......................................77
2. Kin ngh......................................79
Ti liu tham kho.................................81

Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

- 3 -

học viện công nghệ BC-VT

Ph lc A: Chng trỡnh tớnh toỏn min cụng tỏc ca
photodiode ..............................82
A.1. La chn ngụn ng lp trỡnh................82
A.2. Gii thiu chng trỡnh tớnh toỏn..........83
A.3. Tớnh toỏn min cụng tỏc ca Photodiode.....88
A.3.1. Min cụng tỏc ca cỏc Photodiode trong
truyn dn analog .............................88
A.3.2. Min cụng tỏc ca cỏc Photodiode trong
truyn dn Digital.............................89
A.4 Mt s hỡnh nh mụ t kt qu tớnh toỏn.....91
Ph lc B. Chng minh cụng thc (4-24)............94

Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV


- 4 -

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

học viện công nghệ BC-VT

Ch vit tt v ký hiu


Hiu sut lng t hoỏ ca PIN Photodiode/APD.

Bc súng ca ỏnh sỏng.

APD

Hng s thi gian c trng cho quỏ trỡnh bin i quang-in ca APD khi cụng sut
lung quang bin i nhanh thỡ hng s thi gian ca APD trong quỏ trỡnh bin i quangin

g-APD

Tn s gúc gii hn ca APD

g-PIN

Tn s gúc gii hn ca PIN Photodiode

LA

Hng s thi gian c trng cho quỏ trỡnh bin i quang-in ca APD

RC

Hng s thi gian c trng cho s bin i quang-in ca APD khi cụng sut lung
quang bin i nhanh

n

H s ion hoỏ in t trong vựng quang thỏc

p

H s ion hoỏ l trng trong vựng quang thỏc

BERcp

Giỏ tr xỏc sut sai lm bit cho phộp (i vi truyn dn s) bo m cht lng truyn
dn cho phộp ca h thng.

BR

Bng tn tp õm ca photodiode

c

Vn tc ỏnh sỏng (c = 3.108 m/s).

Cc

in dung ca lp tip giỏp PN,

CT

in tr ti ca Photodiode,

e

ờn tớch ca in t (e = 1,602.10-19 As).

F

H s nhiu do quỏ trỡnh quang thỏc (trong APD).

F(M)

H s tp õm ph thờm ca APD

Gc

in dn ca lp tip giỏp PN,

GT

in dn ti ca Photodiode,

gT

Hm trng lng ca Photodiode

gT-APD

Hm trng lng ca APD- Photodiode

gT-PIN

Hm trng lng ca PIN- Photodiode

h

Hng s Plank (h = 6,62.10-34 Ws2).

h(t)

Hm quỏ ca Photodiode

HP(j)

Hm truyn dn ca Photodiode (APD/PIN- Photodiode),

HT

Hm truyn dn ca Photodiode

HT-APD

Hm truyn dn ca APD Photodiode hot ng tc cao

HT-PIN

Hm truyn dn ca PIN Photodiode hot ng tc cao

hT-APD

Hm quỏ ca APD- Photodiode

hT-PIN

Hm quỏ ca PIN- Photodiode

iN(t)

Dũng nhiu

inC

Dũng in nhit trờn in tr lp tip giỏp PN,

INL

Dũng nhiu lng t tớn hiu

inT

Dũng in nhit trờn in tr ti,

Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV


- 5 -

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

học viện công nghệ BC-VT

IP

Dũng photo

IT

Ph tớn hiu ra

ir

Dũng in rũ,

iT

Dũng in ti,

iT(t)

Dũng tớn hiu ra ca photodiode,

IT0

Ph tớn hiu ra tc thp

IT0-APD

Ph tớn hiu ra ca APD-Photodiode tc thp

IT0-PIN

Ph tớn hiu ra ca PIN-Photodiode tc thp

iT-APD

Dũng ra ca photodiode APD

iT-PIN

Dũng ra ca photodiode PIN

IV (t)

Tớn hiu vo (tớn hiu din)

IT

Giỏ tr trung bỡnh ca dũng in ti

Ir

Giỏ tr trung bỡnh ca dũng in ti

k

Hng s Bolzomal,

K(j)

Hm truyn dn ca b tin khuch i v mt hoc nhiu b khuch i in ỏp,

L(j)

Hm truyn dn ca b lc thụng thp.

M

H s khuch i ca APD.

m

sõu iu ch

n

Tham s ph thuc vo vt liu v cu trỳc ca APD.

PN

Cụng sut mt ngun nhiu

PN

Cụng sut nhiu tng

PNL

Cụng sut nhiu lng t tớn hiu

PNN

Cụng sut nhiu nhit

PNr

Cụng sut nhiu dũng in rũ

pNT

Cụng sut nhiu dũng in ti

PP (t)

Cụng sut ỏnh sỏng bc x ca b phỏt quang

PT (t)

Cụng sut ỏn sỏng truyn n u vo b thu quang hoc biờn chui xung s

PT-cpmax

Giỏ tr cụng sut ỏnh sỏng u vo b thu quang cho phộp cc i

Pth

Cụng sut ca tớn hiu ra photodiode

PT

Giỏ tr trung bỡnh ca cụng sut ỏnh sỏng n photodiode

RD

in tr dõy ni ca Photodiode,

RT

in tr ti ca Photodiode,

S/N

T s tớn hiu trờn nhiu

(S/N)APD

T s tớn hiu trờn nhiu ca Photodiode APD

S

N cp

Giỏ tr t s tớn hiu trờn nhiu cho phộp (i vi truyn dn analog) bo m cht
lng truyn dn cho phộp ca h thng,

SN(j)

Mt cụng sut ph ca dũng nhiu

SNN(j)

Mt cụng sut ph ca nhiu nhit

Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV


- 6 -

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

SNr(j)

Mt cụng sut ph ca nhiu dũng rũ

SNT(j)

Mt cụng sut ph ca nhiu dũng ti

T

Chu k chui xung

T

Nhit tuyt i.

Td

rng xung

U

ờn ỏp t vo APD.

UD

in ỏp ỏnh thng ca APD

ur (t)

Tớn hiu ra b thu quang (tớn hiu in).

ur(t)

in ỏp tớn hiu ra sau b lc.

uT(t)

in ỏp tớn hiu ra ca b khuch i,

0

học viện công nghệ BC-VT






b1 2
m

( m, ) =
1+ 2 1+
2
2
2am g

1+
2

g




( m, ) =

c
am 2

2
1 +

2
g


1
m
1
a = H T2 M 2
2

=

A = a m2

[

]



a * = a1 1 exp g (tQ nT )



a1 = M HP
b = 2.e.M 2+x H T BR





2
m
S

B = b1 1 + 2 1 +


2
N cp g

1+
2

g




[

]

[

]

b1* = b1 ( 1) + D (tQ nT )

b2* = b1 ( 1) + L(tQ nT )
b1 =

[

1
e F (M ) M 2 H T g
2

]

c = 2eM 2+ x ( I T + I r ) + 4kT (GC + GT ) BR
S
C =c
N cp

2
1 +

2
g


[

D (tQ n nT ) = 1 e

2 g ( t Q n nT )

] + L(t

Qn

nT )

Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

(

L(tQn nT ) = e

2 gTd

)

n 1

1 bi e

- 7 -

học viện công nghệ BC-VT

2 g ( t Q niT )

i =0

Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

- 8 -

học viện công nghệ BC-VT

Danh sỏch cỏc hỡnh v

Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

- 9 -

học viện công nghệ BC-VT

LI CM N
Lun ỏn thc s k thut Nghiờn cu min cụng tỏc ca cỏc photodiode
trong h thng thụng tin quang tc cao c hon thnh trong thi gian
o to, nghiờn cu ti Hc vin cụng ngh Bu chớnh Vi n thụng - T ng
Cụng ty Bu chớnh Vin thụng Vit Nam. cú c kt qu ny, trc
ht tụi xin trõn trng cm n TS. Hong Vn Vừ ó t o i u ki n, giỳp ,
tn tỡnh hng dn, gii quyt nhng vn khoa hc trong quỏ trỡnh thc
hin lun ỏn.
Tụi xin trõn trng cm n Tng Cụng ty B u chớnh Vin thụng Vit
Nam (VNPT), Hc vin cụng ngh Bu chớnh Vin thụng (PTIT), Vin
Khoa hc k thut Bu in (RIPT) ó to iu kin, cho phộp tụi c
tham gia khúa o to nghiờn cu.
Tụi xin chõn thnh cm n cỏc thy cụ giỏo ó truy n th nh ng ki n
thc b ớch trong sut khoỏ hc, cỏc thy cụ giỏo Khoa Qu c t v o tao
sau i hc ó to mi iu kin tt nht chỳng tụi hon thnh khoỏ
hc
Tụi xin chõn thnh cm n lónh o Hc vin, lónh o Vin KHKT
Bu in, lónh o v tp th cỏc CBCNV trong phũng Qun lý
NCKH&TTTL Hc vin CNBCVT, lónh o v tp th cỏc CBCNV
trong phũng NCKT Thụng tin quang - Vin KHKT Bu in ó dnh cho tụi
s ng h quý giỏ.

Tụi xin chõn thnh cm n tt c cỏc nh chuyờn gia, khoa hc, ng
nghip ó dnh thi gian c v gúp ý hon thin cho lun ỏn.
Cui cựng, tụi xin cm n m, v v con tụi, cựng t t c nh ng ng i
thõn trong gia ỡnh v bn bố, ng nghip ó luụn dnh cho tụi s ng h
nhit tỡnh, c v, ng viờn tụi cú iu kin hon thnh bn lun ỏn ny.

Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

- 10 -

học viện công nghệ BC-VT

H Ni, ngy 18 thỏng 05 nm 2005
Nguyn Vnh Nam

Li núi u
Ngy nay, th gii ang bc sang k nguyờn ca nn kinh t tri
thc, trong ú thụng tin l ng lc thỳc y s phỏt trin ca xó h i. Do
ú, nhu cu truyn thụng ngy cng ln vi nhiu dch v mi bng rng
v a phng tin trong i sng kinh t xó hi ca tng quc gia cng
nh kt ni ton cu.
ỏp ng c vai trũ ng lc thỳc y s phỏt trin ca k
nguyờn thụng tin, mng truyn thụng cn phi cú kh nng truy n d n t c
cao, bng thụng rng, dung lng ln. Mt trong gii phỏp t o ra
mng truyn thụng cú kh nng truyn dn tc cao hay bng rng vi
dung lng ln v a dch v, ú l cụng ngh truyn dn thụng tin quang
tc cao.

Khi truyn dn tớn hiu cú tc cao hay bng tn rng, thỡ quỏ trỡnh
bin i in quang ca cỏc phn t phỏt quang (LED, LD) v quỏ trỡnh
bin i quang-in ca cỏc phn t thu quang (PIN-Photodiode, APD)
khụng tuõn theo c tuyn tnh ca nú na, m l hm s c a tn s (ú
chớnh l quỏ trỡnh bin i ng ca cỏc phn t phỏt v thu quang). Khi tc
truyn dn cng ln v do ú tn s truy n dn c a h th ng cng cao,
thỡ nh hng ca quỏ trỡnh bin i ng ca cỏc phn t phỏt v thu
quang n cht lng truyn dn cng ln.
Cng nh tt c cỏc h thng vin thụng khỏc, trong h th ng thụng
tin quang mt trong nhng tham s truyn dn cú tớnh ch t quy t nh ch t
lng ca h thng, ú l t s tớn hiu trờn nhiu (i vi truy n d n
analog) hoc BER (i vi truyn dn s). bo m cht lng truy n

Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

- 11 -

học viện công nghệ BC-VT

dn cho phộp thỡ t s tớn hiu trờn nhiu c a h th ng h th ng thụng tin
quang (i vi truyn dn analog) cn phi ln hn mt giỏ tr cho trc
hoc BER (i vi truyn dn s) cn phi nh h n mt giỏ tr cho tr c,
cỏc giỏ tr ny ó c ITU-T khuyn ngh.
Tham s t s tớn hiu trờn nhiu (i vi truyn dn analog) hoc
BER (i vi truyn dn s) ca h thng h thng thụng tin quang c
xỏc nh thụng qua cỏc phn t phỏt quang, thu quang v s i quang trong h
thng. h thng bo m t s tớn hiu trờn nhiu (i vi truy n d n

analog) ln hn mt giỏ tr cho trc hoc BER (i vi truy n d n s )
nh hn mt giỏ tr cho trc, trc ht cỏc phn t phỏt quang, thu quang
v si quang trong h thng cng phi bo m t s tớn hiu trờn nhiu
(i vi truyn dn analog) ln hn mt giỏ tr cho trc hoc BER (i
vi truyn dn s) nh hn mt giỏ tr cho trc.
Khi truyn dn tớn hiu cú tc cao hay bng tn rng, thỡ t s tớn
hiu trờn nhiu (i vi truyn dn analog) hoc BER (i vi truy n dn
s) ca cỏc b thu quang khụng ch l hm s ca cỏc tham s c u trỳc m
cũn l hm s ca cỏc tham s tớn hiu truyn dn ti u vo cỏc
Photodiode (biờn v tn s/tc bit ca ỏnh sỏng ti).
Vỡ vy, cn phi xem xột vi iu kin no ca tớn hiu truy n d n
ti u vo cỏc Photodiode trong cỏc h thng thụng tin quang tc cao
t s tớn hiu trờn nhiu ca Photodiode (i vi truyn dn analog) ln
hn mt giỏ tr cho trc hoc BER (i vi truyn dn s) nh hn mt
giỏ tr cho trc. Gii quyt vn ny, s dn ta n vi c xỏc nh mi n
cụng tỏc ca cỏc Photodiode.
Min cụng tỏc ca Photodiode l tp hp cỏc giỏ tr (cỏc tham s )
ca tớn hiu u vo Photodiode trong cỏc h thng thụng tin quang t c
cao t s tớn hiu trờn nhiu ca Photodiode (i v i truy n d n
analog) ln hn mt giỏ tr cho trc hoc BER (i vi truy n d n
s) nh hn mt giỏ tr cho trc.

Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

- 12 -

học viện công nghệ BC-VT

Do ú, vic nghiờn cu xỏc nh c min cụng tỏc ca cỏc
Photodiode trong h thng thụng tin quang tc cao l mt vn c p
thit.
thc hin mc tiờu ú, ti Nghiờn cu min cụng tỏc c a cỏc
photodiode trong h thng thụng tin quang tc cao ó c t ra v
mt chng trỡnh mỏy tớnh xỏc nh c min cụng tỏc ca cỏc photodiode
trong cỏc h thng thụng tin quang tc cao. Trờn c s nghiờn cu ú,
ti cung cp cỏc c s khoa hc, cụng c tớnh toỏn h tr cho cỏc nh
tớnh toỏn thit k cỏc h thng thụng tin quang la ch n t i u cỏc ph n t
ca h thng hay s dng hiu qu cỏc phn t thụng tin quang hin cú.
t c mc tiờu ú, ti ó thc hin cỏc ni dung chớnh sau õy:
- Cỏc phn t bin i quang in trong h thng thụng tin quang
- Mụ hỡnh toỏn hc ca cỏc photodiode hot ng tc cao
- Cỏc tham s truyn dn ca cỏc photodiode hot ng tc cao
- Min cụng tỏc ca cỏc photodiode hot ng tc cao
- Chng trỡnh phn mm xỏc nh min cụng tỏc ca cỏc photodiode
hot ng tc cao

Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

- 13 -

học viện công nghệ BC-VT

Chng 1. Cỏc phn t bin i quang - in trong h thng
thụng tin quang

1.1. Tng quan v cu trỳc c bn v nguyờn lý hot ng ca h
thng thụng tin quang
1.1.1. Cu trỳc c bn ca h thng thụng tin quang
Cu trỳc c bn ca mt h thng thụng tin quang c ch ra hỡnh 1.1.
iV(t
)

BB phỏt
phỏt
quang
quang

Pp(t
)

(a)

BB thu
thu
quang
quang

BB llpp

ur(t
)

PT(t
)
Si quang

iV(t
)

(b)

BB phỏt
phỏt
quang
quang

Pp(t
)

PT(t
)

BB thu
thu
quang
quang

ur(t)

B khuch i quang si

Hỡnh 1.1. Cu trỳc c bn ca h thng thụng tin quang s dng b lp
ng dõy (a) v s dng cỏc b khuch i quang (b)
Trong ú:

IV (t): tớn hiu vo (tớn hiu din)
PP (t) : Cụng sut ỏnh sỏng bc x ca b phỏt quang
PT (t): Cụng sut ỏn sỏng truyn n u vo b thu quang
ur (t): Tớn hiu ra b thu quang (tớn hiu in).

Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

- 14 -

học viện công nghệ BC-VT

Cu trỳc c bn ca h mt thng thụng tin quang bao gm cỏc ph n t
ch yu sau: b phỏt quang, b thu quang, si quang, cỏc b khuch i
quang v cỏc thit b lp.
Ngoi ra, tu theo cỏc iu kin v cỏc nhu cu c th trờn cỏc tuy n thụng
tin quang ngi ta cũn s dng cỏc b khuch i quang si, cỏc b bự tỏn
sc hoc cỏc b tỏch ghộp bc súng quang,...
1.1.2. Nguyờn lý hot ng ca h thng thụng tin quang
- B phỏt quang: bin i tớn hiu vo iV(t) thnh tớn hiu ỏnh sỏng Pp(t)
ghộp vo si quang. Quỏ trỡnh ny gi l iu bin/ hay iu ch
quang.
- Si quang: truyn dn ỏnh sỏng t u phỏt n u thu
Trong quỏ trỡnh truyn ỏnh sỏng trong si quang, ỏnh sỏng b suy hao v b
tỏn sc. C ly truyn dn cng di thỡ ỏnh sỏng cng b suy hao v tỏn sc.
Vi cỏc tuyn truyn dn di, thỡ ỏnh sỏng truyn n u thu P T (t) b suy
gim ln v tỏn sc ln nờn khụng m bo b thu khụi phc li tớn
hiu truyn dn ban u. Do ú, trờn tuyn truyn dn ngi ta thng

mc cỏc b khuch i quang (hỡnh 1.1.a). Khi cỏc tuyn truyn dn khỏ
di, ngi ta cũn phi mc cỏc b lp ng dõy (hỡnh 1.1.b) hoc kt
hp c hai b khuch i quang v b lp ng dõy.
- Cỏc b lp (i vi truyn dn s) hay cỏc b tỏi sinh tớn hiu (i vi
truyn dn analog): tỏi to li tớn hiu do suy hao v cỏc tỏc ng khỏc ca
ng truyn.
- B thu quang: bin i ỏnh sỏng ti PT (t) tr thnh tớn hiu in ur(t).
Tớn hiu ur(t) cú dng ging nh tớn hiu truyn dn ban u i V(t). Tuy
nhiờn, cú th cú tp õm v mộo kốm theo (i vi truy n d n analog)
hoc li bớt (i vi truyn dn s).

Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV


- 15 -

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

học viện công nghệ BC-VT

1.2. Cỏc phn t bin i quang-in
1.2.1. Mt s yờu cu i vi cỏc phn t bin i quang-in
Trong k thut thụng tin quang, cỏc phn t bin i in-quang s dng
trong cn phi tho món mt s yờu cu c bn sau:
- Thi gian ỏp ng nhanh,
- nhy v hiu sut bin i quang in cao,
- Nhiu thp,
- iu kin ghộp vi si quang thun tin,
- Kớch thc nh.
ỏp ng cỏc yờu cu trờn, trong k thut thụng tin quang, ngi ta

thng s dng cỏc phn t bin i quan-in:
- PIN-Photodiode v
- Diode quang thỏc APD.
Di õy chỳng ta s nghiờn cu nguyờn lý bin i quang-in, cu to
v tớnh cht ca cỏc phn t ny [1, 2, 4, 7, 8, 9].
1.2.2. PIN-Photodiode


Cu to

Nguyờn tc bin i quang-in ca PIN-Photodiode da vo nguyờn lý
bin i quang-in ca lp tip giỏp p-n c phõn cc ngc. Cu trỳc
c bn ca PIN-Photodiode c ch ra hỡnh 1.2
in cc
in
vũng
cc
ỏnh sỏng
ti

P+

I

N+

Lp chng
phn x

Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

- 16 -

học viện công nghệ BC-VT

Hỡnh 1.2. Cu to ca PIN-Photodiode
Cu to ca PIN-Photodiode bao gm:
- Mt tip giỏp gm 2 bỏn dn tt l P + v N+ lm nn, gia cú mt
lp mng bỏn dn yu loi N hay mt lp t dn I (Intrisic).
- Trờn b mt ca lp bỏn dn P+ l mt in cc vũng ( gia cho
ỏnh sỏng thõm nhp vo min I).
- ng thi trờn lp bỏn dn P+ cú ph mt lp mng cht chng phn
x trỏnh tn hao ỏnh sỏng vo.
- in ỏp phõn cc ngc cho dio de khụng cú dũng in (ch cú
th cú mt dũng ngc rt nh, gi l dũng in ti).


Nguyờn lý hot ng:

Khi cỏc photon i vo lp P+ cú mc nng lng ln hn rng ca di
cm, s sinh ra trong min P+, I, N+ ca PIN-Photodiode cỏc cp in t v
l trng (ch yu lp I).
Cỏc in t v l trng trong min I va c sinh ra b in trng mnh
hỳt v hai phớa (in t v phớa N + vỡ cú in ỏp dng, l trng v min
P+ vỡ cú in ỏp õm).
Mt khỏc, cỏc in t mi sinh ra trong min P + khuch tỏn sang min I
nh gradien mt ti tip giỏp P+I, ri chy v phớa N+ vỡ cú in ỏp

dng v l trng mi sinh ra trong min N + khuch tỏn sang min I nh
gradien mt ti tip giỏp N+I, ri chy v phớa v min P+ vỡ cú in ỏp
õm.
Tt c
cỏc phn t ny sinh ra mch ngoi ca PIN-Photodiode mt
dũng in v trờn ti mt in ỏp.

Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV


- 17 -

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

học viện công nghệ BC-VT

Cú mt s in t v l trng khụng tham gia vo quỏ trỡnh t o ra dũng
in ngoi, vỡ chỳng c sinh ra min P+ v N+ cỏch xa cỏc lp tip
giỏp P+I v N+I khụng c khuch tỏn vo min I (do khong cỏch xa
hn di khuch tỏn ca ng t thiu s), nờn chớng li tỏi hp vi nhau
ngay trong cỏc min P+ v N+.
Trong trng hp lý tng, mi photon chiu vo PIN-Photodiode s sinh
ra mt cp in t v l trng v giỏ tr trung bỡnh ca dũng in ra t l
vi cụng sut chiu vo. Nhng thc t khụng phi nh vy, vỡ mt ph n
ỏnh sỏng b tn tht do phn x b mt.
Kh nng thõm nhp ca ỏnh sỏng vo cỏc lp bỏn dn thay i theo b c
súng. Vỡ vy, lp P+ khụng c quỏ dy. Min I cng dy thỡ hiu sut
lng t cng ln, vỡ xỏc sut to ra cỏc cp in t v l trng tng lờn
theo dy ca min ny v do ú cỏc photon cú nhi u kh nng ti p xỳc
vi cỏc nguyờn t hn. Tuy nhiờn, trong truyn dn s di ca xung ỏnh

sỏng a vo phi ln hn thi gian trụi T d cn thit cỏc phn t
mang in chy qua vựng trụi cú rng d ca min I. Do ú, d khụng
c ln quỏ vỡ nh th tc bit s b gim i.
Khi bc súng ỏnh sỏng tng thỡ kh nng i qua bỏn dn cng tng lờn, ỏnh
sỏng cú th i qua bỏn dn m khụng to ra cỏc cp in t v l tr ng. Do
ú, vi cỏc vt liu phi cú mt bc súng ti hn.
1.2.3. Diode quang thỏc APD


Cu to

Cu trỳc c bn ca APD c ch ra hỡnh 1.3.
in cc
vũng
ỏnh sỏng ti

+

P

I

in
c c
P
P

N+

Lp chng

phn x
Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

- 18 -

học viện công nghệ BC-VT

Hỡnh 1.3. Cu to ca APD
Cu to ca APD c bn ging nh PIN-Photodiode. Ngoi ra trong APD
cũn cú mt lp bỏn dn yu P c xen gia lp I v l p N +. Bờn trỏi lp I
b gii hn bi lp P+, cũn bờn phi lp I b gii hn bi tip giỏp PN+.
in ỏp phõn cc ngc t vo APD rt ln, ti hng trm vụn.
in trng thay i theo cỏc lp c ch ra bi hỡnh (b). Trong vựng I,
in trng tng chm, nhng trong tip giỏp PN+ in trng tng rt
nhanh. Lp tip giỏp PN+ l min thỏc, õy xy ra quỏ trỡnh nhõn in t.


Nguyờn lý hot ng:

Do APD c t mt in ỏp phõn cc ngc rt ln, t i hng trm
vụn, cho nờn cng in trng min in tớch khụng gian tng lờn
rt cao.
Do ú, khi cỏc in t trong min I di chuyn n mi n thỏc PN + chỳng
c tng tc, va chm vo cỏc nguyờn t gii phúng ra cỏc c p i n t v
l trng mi, gi l s ion hoỏ do va chm.
Cỏc phn t th cp ny n lt mỡnh li to ra s s ion hoỏ do va chm
thờm na, gõy lờn hiu ng quang thỏc v lm cho dũng in tng lờn ỏng

k.

Nguyễn vĩnh nam - cao học điện tử viễn thông khoá IV