Vật liệu và linh kiện bán dẫn Photodetectors

Nội dung chính



Giới thiệu



PIN-photodiode



APD



Photo transistor



Ứng dụng


Giới thiệu

Thiết bị thu quang, hay còn gọi là bộ thu quang, là
một trong những bộ phận quan trọng nhất của hệ
thống thông tin quang vì nó là vị trí sau cùng của tổ
chức hệ thống truyền dẫn, nơi mà thiết bị này thu
nhận mọi đặc tính tác động trên toàn tuyến đưa tới,
cũng vì thế cho nên hoạt động của nó liên quan

đến chất lượng toàn bộ hệ thống truyền dẫn. Chức
năng chính của nó là biến đổi tín hiệu quang thành
tín hiệu điện.


Một số yêu cầu đối với các phần tử biến đổi quang-điện

Trong kỹ thuật thông tin quang, các phần tử biến đổi điện-quang sử dụng trong cần phải thoả
mãn một số yêu cầu cơ bản sau:







Thời gian đáp ứng nhanh
Độ nhạy và hiệu suất biến đổi quang điện cao
Nhiễu thấp
Điều kiện ghép với sợi quang thuận tiện
Kích thước nhỏ.


Để đáp ứng các yêu cầu trên, trong kỹ thuật thông tin quang, người ta thường sử dụng các phần
tử biến đổi quan-điện:



PIN-Photodiode



Diode quang thác APD.


PIN-Photodiode

Cấu tạo:



+
+
Một tiếp giáp gồm 2 bán dẫn tốt là P và N làm nền, ở giữa có một lớp mỏng bán dẫn yếu loại N hay
một lớp tự dẫn I (Intrisic).




+
Trên bề mặt của lớp bán dẫn P là một điện cực vòng.
Một lớp mỏng chất

chống phản xạ



Điện áp phân cực ngược

Nguyên lý hoạt động của PIN-photodiode



Tầm quan trọng của lớp chống phản xạ



Trong trường hợp lý tưởng, mỗi photon chiếu vào PIN-Photodiode sẽ sinh ra một cặp điện
tử và lỗ trống.


Độ nhạy

Độ nhạy của PIN-photodiode tùy thuộc vào, bước sóng của dòng photo và chất bán dẫn là Si,
Ge, Se…


Đặc tuyến Volt-Ampere



Đặc tuyến V-I của PIN-photodiode cho thấy:

•
•
•

Ở quang thông nhỏ điện thế phân cực nghịch nhỏ, dòng I tăng theo điện thế phân cực
Khi điện thế phân cực lớn dòng I gần như bão hòa

Ở quang thông lớn dòng I thay đổi theo thế phân cực nghịch


+
Ảnh hưởng của độ dày của vùng P và vùng I



Khả năng thâm nhập của ánh sáng vào các lớp bán dẫn thay đổi theo bước sóng. Vì vậy:
+
Lớp P không được quá dày.



Miền I càng dày thì hiệu suất lượng tử càng lớn

Tuy nhiên, trong truyền dẫn số độ dài của xung ánh sáng đưa vào phải đủ lớn hơn thời gian trôi
Td cần thiết để các phần tử mang điện chạy qua vùng trôi có độ rộng d của miền I.



Do đó, d không được lớn quá vì như thế tốc độ bit sẽ bị giảm đi.


Diode quang thác APD
(Avalanche photodiodes)
Cấu tạo:



Cấu tạo của APD cơ bản giống như PIN-Photodiode.



Ngoài ra trong APD còn có một lớp bán dẫn yếu P được xen
+
giữa lớp I và lớp N .





Bên trái lớp I bị giới hạn bởi lớp P

+

+
Bên phải lớp I bị giới hạn bởi tiếp giáp PN .
Điện áp phân cực ngược đặt vào APD rất lớn, tới hàng trăm
vôn.



Điện trường thay đổi theo các lớp. Trong vùng I, điện trường
+
tăng chậm, nhưng trong tiếp giáp PN điện trường tăng rất
nhanh.



+
Lớp tiếp giáp PN là miền thác, ở đây xảy ra quá trình nhân
điện tử.


Nguyên lý hoạt động



Do APD được đặt một điện áp phân cực ngược rất lớn, tới hàng trăm vôn, cho nên cường độ điện trường ở miền điện tích
không gian tăng lên rất cao.



+
Do đó, khi các điện tử trong miền I di chuyển đến miền thác PN chúng được gia tốc, va chạm vào các nguyên tử giải phóng ra
các cặp điện tử và lỗ trống mới, gây lên hiệu ứng quang thác và làm cho dòng điện tăng lên đáng kể.


 Hiện tượng thác lũ:


Khi các điện tử di chuyển và được gia tốc , va chạm vào các điện tử và lỗ trống khác
làm cho chúng kết hợp với nhau quá trình ion hóa sẽ xảy ra nhanh hơn.



Dưới tác dụng của nguồn phân cực ngược, sự phân bố cường độ điện trường trong
các lớp bán dẫn , trong đó trường vùng tiếp giáp PN+ cao nhất, quá trình nhân điện xảy
ra ở vùng này. Vùng này được gọi là vùng “thác lũ”



Tác động của hiệu ứng thác lũ lên APD



+
Khi có áp phân cực ngược vào APD, hầu hết các điện thế rơi ngay qua tiếp giáp PN .
Vùng trôi sẽ mở rộng



Để quá trình nhân hạt xảy ra đúng lúc thì các hạt phát ra dòng photo phải đi qua vùng
có điện trường rất cao. Dưới điện trường này thì 1 điện tử được gia tốc có đủ năng
lượng để phát ra các cặp điện tử - lỗ trống mới. Điều này có nghĩa là nó ion hóa các
điện tử bao quanh trong vùng hóa trị do va chạm với chúng.

Cơ chế nhân hạt mang này được gọi là sự ion hóa do va chạm.


Đặc tuyến tĩnh của APD & PIN-Photodiode

Đặc tuyến tĩnh của PIN – Photodiode & APD là đặc tuyến mô tả mối quan hệ giữa dòng ra của
photodiode và công suất quang một chiều hay công suất quang có tốc độ biến đổi chậm đưa vào
photodiode
Để xác định được mối quan hệ giữa dòng ra của photodiode và công suất quang một chiều hay
công suất quang có tốc độ biến đổi chậm đưa vào Photodiode, trước hết cần xác định được dòng
pho to của các photodiode (dòng photo chính là dòng do các photon trực tiếp tạo ra).

 



Dòng photo của PIN – Photodiode & APD

Khi các photon đi vào PIN – Photodiode và APD tạo ra các cặp Điện tử & Lỗ trống, dưới tác dụng
của điện trường ngoài, các phần từ này sinh ra ở mạch ngoài một dòng điện. Đó chính là dòng
photo của PIN-Photodiode/APD.
Dòng photo IP của PIN – Photodiode/APD được xác theo công thức:
Ip = HT .PT
Trong đó: HT =η
PT
η=

là hiệu suất lượng tử

gọi là hệ số biến đổi quang điện của photodiode

là công suất ánh sáng chiếu vào photodiode




Dòng ra của PIN – Photodiode & APD

•

Đối với PIN- Photodiode

PIN- Photodiode là photodiode không có hiệu ứng quang thác, do đó dòng ra của nó chính là
dòng photo, tức là:
iT-PIN = iP = HT PT


 

•

Đối với APD

Do có hiệu ứng quang khác mà dòng ra của APD được tăng lên M lần, tức là:
iT-APD = MiP = MHTPT
Trong đó: M= =

là hệ số khuyếch đại của APD,

U:

địên áp đặt vào APD

UD:

điện áp đánh thủng của APD

n:

nhận các giá trị từ 1,5 ÷ 6, tuỳ thuộc vào vật liệu và cấu trúc của APD.



Đặc tuyến tĩnh của PIN – Photodiode & APD

Từ các công thức trên, người ta xác định được đặc tuyến tĩnh của PIN- Photodiode & APD

Đặc tuyến tĩnh của PIN – Photodiode & APD


Vật liệu chế tạo PIN-photodiode và APD

Tham số

Đơn vị

Si

Ge

InGaAs

Bước sóng λ

μm

0.4-1.1

0.8-1.8

1.0-1.7

Hiệu suất lượng tử

%

79-90

50-55

60-70

100-500

50-200

10-40

η

Hệ số nhân M
(APD)




Trong vùng phổ 0.8-0.9 μm các chất có thể sử dụng để chế tạo photodiode như Si, Ge,
GaAs. Tuy nhiên Si là vật liệu phù hợp nhất do:





Tạp âm thấp nhất, cho ra độ nhạy của bộ thu cao
Công nghệ chế tạo Si đã đạt ở mức cao

Ở bước sóng dài hơn từ 1.1- 1.7 μm sử dụng Si không còn phù hợp do ở bước sóng này
năng lượng không đủ lớn để kích thích điện tử ngang qua vùng cấm. Các vật liệu thường
dùng là: Ge, InP, InGaAsP, InGaAs, GaAb,..

Đối với PIN-photodiode và APD hoạt động ở bước sóng dài thì InGaAs là thích hợp nhất vì nó có
thể hấp thụ ánh sáng có bước sóng dài tới 1,650 μm.


So sánh PIN và APD:




Giống nhau: Hai loại diode quang PIN và APD đều được phân cực ngược
Khác nhau:

Tiêu chí đánh gia’

PIN-photodiode

APD

Độ nhạy

Nhỏ hơn

Lớn hơn (từ 5-15dB)

Hiệu suất lượng tử

η

Mη

Độ ổn định

Cao

Kém

Điện áp phân cực

Thấp (dưới 20 Volt)

Cao (vài trăm Volt)

Tốc độ Bit

Thấp (vài trăm Mbit/s)

Cao (vài Gbit/s)

Chi phí

Thấp

Cao hơn

…

…


Ưu điểm chính của PIN-photodiode và APD

PIN-photodiode

Độ ổn định cao, dòng tối nhỏ
gây nhiễu thấp

APD

Độ nhạy cao


Ứng dụng

PIN-photodiode và APD được sử dụng rộng rãi trong
kĩ thuật truyền thông
Hệ thống thông tin quang tốc độ cao