Tải bản đầy đủ (.pdf) (51 trang)

Tính chất đặc trưng và một số ứng dụng của các linh kiện bán dẫn thu tín hiệu quang

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.21 MB, 51 trang )

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa Vật lý, các thầy giáo, cô
giáo trong khoa Vật lý đã nhiệt tình giảng dạy, giúp đỡ tơi trong suốt thời gian
học tập và rèn luyện tại trường Đại học Vinh.
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn TS. Lưu Tiến Hưng đã
tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện giúp đỡ tơi trong q trình học tập và làm
khố luận tốt nghiệp này.
Cuối cùng tơi xin cảm ơn các bạn sinh viên trong tập thể lớp 47B khoa
Vật lý và gia đình đã động viên, tạo mọi điều kiện giúp tơi trong suốt q trình
học tập và nghiên cứu.
Vinh, tháng 5 năm 2010
Vũ Văn Nam

1


M CL C
Trang
Mở đầu
Chƣơng I.

4
i i thiệu hung về h

inh iện án

n thu quang

6

1.1. Khái niệm



6

1.2. hân loại

6

1.2.1. hân loại theo nguyên lý hoạt động

6

1.2.2. hân loại theo vùng s ng bức xạ quang

7

1.3. Các vật liệu chế tạo các linh kiện thu quang

8

1.3.1. Các vật liệu bán dẫn và detector ứng d ng thông tin đường dài 9
1.3.2. Các mạng đ a phương

10

1.3.3. Detector ảnh nhiệt thu s ng dài

10

1.3.4. Các detector tốc độ cao


11

Kết luận chương

11

Chƣơng II. M t s th ng s đ
án

trƣng ủa h

inh iện

12

n thu quang

2.1. S h p thu quang trong ch t bán dẫn

12

2.1.1. uá trình h p thu quang trong bán dẫn c vùng c m th ng

12

2.1.2.

13

uá trình h p thu trong bán dẫn c vùng c m không th ng


2.2. Hiệu su t lư ng t và độ nhạy ph

15

2.2.1. Hiệu su t lư ng t

15

2.2.2. Độ nhạy ph

16

2.3. T số t n hiệu trên nhi u và độ phân giải

18

2.4. Thời gian đáp ứng

19

Kết luận chương

22

2


Chƣơng III. Linh iện án


n thu t n hiệu quang điển hình

3.1. uang trở

23
23

3.1.1. C u tạo

23

3.1.2. Nguyên lý hoạt động

24

3.1.3. Các đ c tuyến quan trọng của quang trở

26

3.1.4. Các đ c trưng của quang trở

27

3.1.5.

30

ng d ng của quang trở

3.2. Photodiode


32

3.2.1. C u tạo

32

3.2.2. Nguyên lý hoạt động

33

3.2.3. Các đ c trưng cơ bản của photodiode

36

3.2.4.

ng d ng của photodiode

40

3.3- in m t trời

43

3.3.1. C u tạo

43

3.3.2. Nguyên lý hoạt động


44

3.3.3. Sơ đ tương đương của pin m t trời

45

3.3.4. Các tham số đ c trưng của pin m t trời

47

3.3.5. Hiệu su t biến đ i quang điện của pin m t trời

47

Kết luận chương

49

Kết uận

50

Tài iệu tham hảo

51

3



MỞ ĐẦU
Để đáp ứng nhu cầu phát triển ngày càng nhanh của công nghệ thông tin
cũng như các lĩnh v c khoa học khác nhau, kỹ thuật quang - điện t n i chung
và đ c biệt hơn đ là công nghệ nghiên cứu và ứng d ng các thiết b , linh kiện
phát và thu quang trong hệ thống thông tin quang đã c những bước phát triển
mạnh mẽ và đạt đư c những thành t u n i bật .
Các tính ch t đ c trưng bên các linh kiện thu t n hiệu quang như: độ nhạy,
ch t lư ng thu t n hiệu, s phát sinh nhi u…c t nh quyết đ nh tới t t cả hệ
thống thông tin quang. Do đ việc nghiên cứu các linh kiện bán dẫn thu t n hiệu
quang c vai trò và ý nghĩa r t lớn trong hệ thống thông tin quang.
Từ những lý do trên mà chúng tôi đã chọn đề tài: “T
ts

t ut

u qu



tr

v

”.

M c đ ch của đề tài ch nh là tìm hiểu các đ c điểm, t nh ch t của một số
linh kiện bán dẫn thu t n hiệu quang. Từ đ nêu lên ứng d ng của chúng trong
th c ti n.
Bằng phương pháp nghiên cứu các tài liệu, sách, giáo trình, các
website…c liên quan đến các linh kiện bán dẫn trong hệ thống thông tin quang

kết h p với s hướng dẫn, s a đ i tận tình của giáo viên hướng dẫn tơi đã hồn
thành kh a luận với bố c c như sau:
Chƣơng I:

i i thiệu hung về h

inh

iện án

n thu t n hiệu

quang. Trong chương này, chúng tơi trình bày khái qt về họ linh kiện bán dẫn
thu t n hiệu quang g m các đ c điểm như: khái niệm, cách phân loại, các vật liệu
dùng để chế tạo các linh kiện thu t n hiệu quang.
Chƣơng II: M t s th ng s đ

trƣng ủa h

inh iện án

n thu

quang. Trong chương này, chúng tơi trình bày một số thông số đ c trưng cơ bản
của các linh kiện thu t n hiệu quang đ là: s h p th quang trong ch t bán dẫn,
hiệu su t lư ng t và độ nhạy, t số t n hiệu trên nhi u và độ phân giải.

4



Chƣơng III: Cá

inh iện án

n thu t n hiệu quang. Đây là phần

nội dung ch nh của kh a luận, trình bày t m tắt các đ c điểm về c u tạo, nguyên
lý hoạt động và một số ứng d ng của một số linh kiện thu quang như: quang trở,
photodiode và pin m t trời.
Kh a luận đư c kết thúc bằng phần kết luận, nêu t m tắt những kết quả đã
đạt đư c và danh m c các tài kiệu tham khảo.
M c dù đã c nhiều cố gắng để kh a luận đạt đư c kết quả tốt nh t, song
do trình độ và thời gian cịn hạn chế do đ khơng thể tránh khỏi những thiếu s t.
R t mong nhận đư c những ý kiến đ ng g p của các thầy, cô giáo cùng các bạn
sinh viên cũng như những ai quan tâm đến đề tài này để kh a luận ngày càng
đư c hoàn thiện hơn.
Sau đây là phần nội dung ch nh của kh a luận

5


CHƢƠNG I
IỚI THIỆU CHUN

VỀ CÁC LINH KIỆN

BÁN DẪN THU QUAN
1.1. Khái niệm
Các photodetector là tên gọi chung của các linh kiện thu, tách t n hiệu
quang, đo thông lư ng hay công su t t n hiệu quang bằng cách chuyển đ i năng

lư ng các photon b h p th sang các dạng năng lư ng khác c thể đo đư c như:
nhiệt năng, quang năng, điện năng,…
Ngoài ra, người ta còn gọi loại linh kiện này với một tên chung khác nữa là
sensor quang: là các d ng c nhạy với các bức xạ quang, chúng thu nhận, biến
đ i các t n hiệu quang thành t n hiệu điện.
1.2. Phân oại
1.2.1. P â

oạ t eo

uyê

ý oạt đ

D a trên nguyên lý hoạt động của các linh kiện c thể phân ra hai họ linh
kiện với tên thường dùng là: các detector nhiệt và detector quang điện [1].
1.2.1.1. Các detector nhiệt
Các detector nhiệt hoạt động bằng cách chuyển đ i năng lư ng photon sang
nhiệt. Hoạt động của các detector nhiệt khá chậm vì quá trình chuyển đ i từ
năng lư ng photon sang nhiệt cần c một thời gian, trong khi đ các ứng d ng ở
lĩnh v c quang điện t cần các quá trình chuyển đ i xảy ra r t nhanh, vì vậy
chúng khơng c vai trò lớn trong lĩnh v c này.
1.2.1.2. Các detector quang điện
Các detector quang điện hoạt động trên nguyên lý chuyển đ i hiệu ứng
quang điện, ở đ s h p th photon bởi vật liệu bán dẫn tạo ra các c p điện t lỗ trống tạo ra t n hiệu quang điện dưới dạng dòng điện hay điện thế c thể đo
đư c.
Hiệu ứng quang điện c 2 đ c trưng: Hiệu ứng quang điện ngoài và hiệu ứng
quang điện trong. Hiệu ứng quang điện ngoài bao g m quá trình phát xạ điện t
từ bề m t vật liệu khi b chiếu sáng, còn hiệu ứng quang điện trong ch nh là quá
6



trình quang dẫn, ở đ các hạt tải b k ch th ch không bứt ra khỏi vật liệu mà vẫn
ở trong lòng vật liệu bán dẫn. Khi chiếu một photon c năng lư ng lớn hơn năng
lư ng vùng c m vào bề m t bán dẫn thì quá trình h p th photon xảy ra. Khi h p
th một photon, một điện t đư c k ch th ch từ vùng h a tr lên vùng dẫn để lại
trong vùng h a tr một lỗ trống, ta n i photon đã tạo ra một c p điện t - lỗ trống
khi c trường điện đ t vào linh kiện sẽ c s chuyển dời các điện t ch về 2 c c
tạo ra dịng điện ở mạch ngồi, dịng điện này đư c gọi là dịng quang điện.
Bình thường một photon chỉ c thể tạo ra một số c p điện t - lỗ trống nghĩa là
với một lư ng photon xác đ nh chỉ c thể tạo ra một dòng điện xác đ nh. Tuy
nhiên c một số loại linh kiện thu quang c khả năng hoạt động với cơ chế
khuếch đại bên trong nghĩa là dòng quang điện c khả đư c năng khuếch đại lên
nhiều lần do một số cơ chế đ c biệt của detector tạo ra. Linh kiện điển hình c
khuếch đại trong các photodiode thác lũ (A D), quang trở…
Các detector quang điện c ứng d ng r t rộng rãi trong thông tin quang,
trong đo lường, biến đ i t n hiệu và trong t động h a…
1.2.2. Phân loạ t eo vù



xạ qu

Vùng s ng bức xạ quang mà các photodetector hoạt động nằm trong dải bức
xạ của ánh sáng nhìn th y (0,38 – 0,78 µm), vùng h ng ngoại gần và một phần
vùng h ng ngoại trung (0,78 – 15 µm). Tuy nhiên trong th c tế c nhiều linh
kiện thu quang c khả năng thu đư c cả ánh sáng nhìn th y và bức xạ h ng
ngoại nên kh c thể xác đ nh linh kiện đ nhạy tại bước s ng nào. Đôi khi
người ta phân chia photodetector ra các họ như: họ linh kiện thu quang ánh sáng
nhìn th y, detector nhạy ở 3 c a s ở trong vùng h ng ngoại (IR), detector ảnh

nhiệt (detector nhạy trong vùng từ 3 – 12 µm), các linh kiện thu các bức xạ laser
ở vùng 1,3 µm và 1,55 µm.
Như vậy tùy theo cách phân loại mà họ các linh kiện thu quang phân chia
nhiều loại khác nhau. Ngày nay các linh kiện thu quang với c u trúc giếng lư ng
t hay t h p các c u hình quang điện t hiện đại với c u hình phức tạp đang
đư c phát triển r t mạnh mẽ và đư c s d ng ngày càng rộng rãi.
Họ các linh kiện thu quang bao g m:
7


 Tế bào quang điện chân không, bộ phận quang điện.


uang trở.

 Các loại photodiode.
 Lưới hay ma trận photodiode.
 Phototransistor.
 Photothyristor.
 Photo FET.
 Các c u hình photodiode giếng lư ng t , các detector IR.
 Các detector ảnh nhiệt (thermal detector).
 Các mạch t ch h p thu phát quang điện t (OEIC).
1.3. Cá vật iệu hế tạo á inh iện thu quang
Về cơ bản các linh kiện thu quang đều d a trên các vật liệu bán dẫn c thể
chuyển đ i từ t n hiệu quang sang t n hiệu điện. Những vật liệu thường đư c
dùng trong chế tạo linh kiện thu quang là: Si, Ge, bSe, InSe, CdSe, GaAs,
HgCdTe…và t h p của chúng (hình vẽ 1.1). Các vật liệu bán dẫn đư c s d ng
để chế tạo photodetector hoạt động tại các dải s ng quang khác nhau và nhiệt độ
khác nhau.

Trong c u trúc các linh kiện thu quang thường bao g m vật liệu bán dẫn làm
đế và vật liệu màng để làm detector trên đ .
Về các vật liệu đế [1]: công nghệ bán dẫn ngày nay, chỉ c một số vật liệu
bán dẫn làm đế là: Si, GaAs, Ge và In . Các vật liệu bán dẫn khác cũng c thể
đư c s d ng nhưng với k ch thước r t nhỏ do công nghệ chế tạo chưa phát triển
ho c mật độ sai hỏng trong m t đế còn khá cao, ho c đơn giản chỉ là thành phần
r t đắt tiền. Do đ , việc chế tạo các linh kiện thu quang theo ý muốn g p không
t kh khăn.
Về các vật liệu màng bán dẫn [1]: trên các vật liệu đế, các vật liệu màng bán
dẫn thường đư c nuôi bằng kỹ thuật epitaxy và sau đ các linh kiện t ch c c
đư c chế tạo ra ở trên đ . Nhìn chung người ta cần nuôi các lớp epitaxy c hằng
số mạng phù h p với hằng số mạng của lớp đế. Tuy nhiên trong một số trường

8


h p cũng c thể nuôi một lớp epitaxy không trùng hằng số với mạng nhằm gây
ra các sai hỏng để làm bẫy gần vùng biên tiếp giáp.

Hình 1.1. Các vật liệu bán dẫn được sử dụng để chế tạo các photodetector hoạt động
tại các dải sóng quang khác nhau và nhiệt độ khác nhau [1].

Các ch t bán dẫn dùng để chế tạo các linh kiện thu quang thường c c u trúc
vùng năng lư ng dạng vùng c m xiên.
1.3.1. C

vật

u


v

ete tor

t ô

t

đ ờ

Các photon s d ng bước s ng 1,3 µm và 1,55 µm đư c ứng d ng r t rộng
rãi trong thông tin đường dài vì m t mát đường truyền trong s i quang là nhỏ
nh t tại các bước s ng này. Các linh kiện thu cũng đư c chế tạo tương ứng để c
độ nhạy với các bước s ng này. Các vật liệu GaAs khơng thể đáp ứng cho các
địi hỏi này vì bước s ng cắt của n chỉ đạt đến cỡ 0,8 µm (hình 1.1).

9


Trong số các bán dẫn h p ch t thì hệ bán dẫn InGaAs, InGaAs , GaAlSb,
HgSdTe c thể nhạy với các bước s ng đã nêu ra, chúng c khả năng phát quang
tại bước s ng 1,3 µm và 1,55 µm. Vật liệu làm linh kiện thu quang đư c s
d ng rộng rãi nh t là In0,53 Ga0,47As, vật liệu h p ch t này c hằng số mạng phù
h p với In r t tốt cho thông tin đường dài.
Linh kiện thu quang chế tạo trên bán dẫn Ge cũng đư c s d ng trong thông
tin đường dài, loại vật liệu này đư c để làm photodiode thác lũ, n c độ khuếch
đại khá cao, khá nhạy song chỉ làm việc ở nhiệt độ th p (770K).
1.3.2. C




đị p

ơ

Trong các mạng đ a phương (LAN’s) t n hiệu quang thường dùng là do LED
phát ra ở bước s ng 0,8 µm, linh kiện này chế tạo trên vật liệu GaAs, nhưng vì
m c đ ch giá thành th p nên người ta thường dùng linh kiện thu quang Si loại
APD.
1.3.3. Dete tor ả

t t u só

Các photodetector đư c s d ng trong lĩnh v c ảnh nhiệt để nhìn đêm và
dùng trong y học…c dải bước s ng hoạt động khá rộng từ các bước s ng vài
µm đến 20 µm. Các photodetector ph c v cho m c đ ch này cần làm việc trên
cơ sở các vật liệu bán dẫn c vùng c m r t hẹp ho c với s tr giúp của các mức
sai hỏng c trong vùng c m trên các c u trúc d ch t. Trong các bán dẫn c vùng
c m hẹp, các vật liệu quang trọng đư c chọn là h p ch t bán dẫn HgCdTe,
bTe, bSe, InSb. Các delector không thuần trên cơ sở vật liệu Si, Ge với việc
c y các ion tạp ch t vào để c các sai hỏng trong vùng c m phù h p cũng đư c
s d ng nhiều.
Các giếng lư ng t c một ứng d ng quan trọng là dùng để chế tạo loại
detector hoạt động trên cơ sở giữa siêu vùng c các mức năng lư ng khác nhau
trong c u trúc giếng lư ng t ở trong vùng dẫn. Công nghệ chế tạo vật liệu
GaAs, AlGaAs c thể s d ng tốt trong lĩnh v c này.

10



Với công nghệ chế tạo các vật liệu bán dẫn hai, ba, bốn thành phần c thể
chế tạo các vật liệu c hằng số mạng và độ rộng vùng c m phù h p dùng trong
chế tạo detector.
1.3.4. Các dete tor t

đ

o

Một l i thế quan trọng xét về kh a cạnh linh kiện thu quang c tốc độ cao
đối với vật liệu GaAs là hoạt động ở nhiệt độ th p. Vật liệu này đư c nuôi ở
nhiệt độ r t th p, ở đ c một số sai hỏng đư c sinh ra trong vật liệu. Các sai
hỏng này làm giảm đáng kể thời gian tái h p điện t lỗ trống xuống một pico
giây (psec), trong khi thời gian sống của vật liệu GaAs có ch t lư ng tốt là cỡ
một nano giây (nsec). Với thời gian sống r t ngắn c thể cho tốc độ hoạt động
r t cao.
Kết uậ
ơ
Trong chương này chúng tôi chúng tôi giới thiệu khái quát về họ linh kiện
bán dẫn thu tín hiệu quang g m: khái niệm, cách phân loại và các vật liệu dùng
để chế tạo các d ng c thu quang như: các vật liệu bán dẫn và detector ứng d ng
thông tin đường dài, các mạng đ a phương, detector ảnh nhiệt thu s ng dài, các
detector tốc độ cao.

11


CHƢƠN II
MỘT SỐ THÔNG SỐ ĐẶC TRƢN CỦA CÁC
LINH KIỆN BÁN DẪN THU QUAN

Trước khi tìm hiểu về từng loại detector riêng biệt chúng ta khảo sát một số
đ c điểm chung nh t như s h p th ánh sáng trong bán dẫn, hiệu su t lư ng t ,
độ nhạy, thời gian phản ứng…
2.1. Sự hấp thụ quang trong hất án n
Khi c một photon (hay một chùm photon) đư c chiếu vào bề m t bán dẫn,
tùy thuộc vào năng lư ng của photon, n c thể b h p thu làm phát sinh ra một
c p điện t lỗ trống trong bán dẫn. Điện t c thể nhảy từ vùng h a tr lên vùng
dẫn để lại trong vùng h a tr một lỗ trống. uá trình này đư c gọi là quá trình
h p th photon. Để cho một điện t c thể nhảy từ vùng h a tr lên vùng dẫn thì
năng lư ng photon t nh t phải bằng năng lư ng vùng c m. Đây là h p th vùng
– vùng [1].
Còn một số khả năng h p th khác nữa, v d như điện t không nhảy lên
vùng dẫn mà nhảy lên một mức năng lư ng của tạp ch t trong vùng c m, hay
trong giếng lư ng t điện t nhảy từ mức năng lư ng th p lên mức năng lư ng
cao ở trong vùng [1]. Trong các q trình này năng lư ng photon khơng cần lớn
hơn năng lư ng vùng c m.
Ở đây ta chỉ xét quá trình h p th vùng -vùng.
2.1.1. Qu trì
p t tro
ó vù
t ẳ
Bán dẫn c vùng c m th ng là loại bán dẫn c c c đại của vùng h a tr và
c c tiểu của vùng dẫn nằm tại cùng một hệ số s ng k (nằm trên một đường
th ng) như trên (hình 2.1a). uá trình h p th photon trong bán dẫn c vùng
c m th ng là mạnh nh t vì khi này photon c khả năng tác động một cách tr c
tiếp để một điện t nhảy lên vùng dẫn. uá trình d ch chuyển này c thể th c
hiện gần mép của vùng c m, c c u trúc th ng của bán dẫn và c động lư ng
đư c bảo toàn.
Hệ số h p th đối với bán dẫn c vùng c m th ng c thể viết như sau:


12


2
2 2 PCV
(  Eg )
 ( ) 
3nr cm02 0 


1

2

cm1

(2.1)

Trong đ :
- nr : Là hệ số chiết su t
- ħω: Là năng lư ng của photon
- Eg : Là độ rộng vùng c m
- PCV: Là các phần t ma trận động lư ng, đại lư ng này cho phép quá
trình d ch chuyển của hạt tải xảy ra.
- m0 : Là khối lư ng điện t
- ε0 : Là hằng số điện môi trong môi trường t do
Sau khi thay một số giá tr c thể, biến đ i biểu thức ta c :
3

*

(  Eg ) 2
6  mr 
 ( )  4.10   .
cm 1

 m0 
1

2

(2.2)

Trong đ : mr là khối lư ng hiệu d ng của e – h.

Hình 2.1. Sự hấp thụ vùng – vùng trong bán dẫn có vùng cấm thẳng (a)
và vùng cấm khơng thẳng có sự tham gia của photon (b) [1].
2.1.2. Qu trì
p t tro
ó vù
ô t ẳ
Bán dẫn c vùng c m không th ng là loại bán dẫn c c c đại của vùng h a
tr và c c tiểu của vùng dẫn không nằm tại hệ số s ng k, khi đ s d ch chuyển
theo chiều th ng đứng k không thể xảy ra và các điện t c khả năng h p th chỉ
1 photon nếu c một photon tham gia quá trình h p th , như trên (hình 2.1b).

13


Các quá trình h p th gián tiếp trong vùng c m không th ng là không mạnh như
các quá trình h p th trong vùng c m th ng. Khi này hệ số h p th c dạng :


 indirect  [k0  k1 (T )](  Eg ) 2

(2.3)

Trong đ : k0 : là hằng số, k1(T): là thừa số ph thuộc vào nhiệt độ.
Khi nhiệt độ tăng thì k1(T) tăng và hệ số h p th sẽ tăng. k0 và k1(T) có giá
tr sao cho giá tr hệ số h p th của bán dẫn không th ng nhỏ hơn cỡ 100 lần so
với bán dẫn th ng tại cùng 1 gia tr năng lư ng của photon với độ lớn tối thiểu
bằng năng lư ng vùng c m (   Eg ).
Từ phương trình (2.3) ta nhận th y, hệ số h p th quang sẽ bằng 0 khi năng
lư ng của photon bằng năng lư ng vùng c m và bước s ng của photon khi hệ số
h p th bằng 0 đư c gọi là bước s ng cắt.
Từ đ c thể suy ra bước s ng cắt như sau :

hc

1,24

λc = Eg = Eg (ev)

(µm)

(2.4)

Hệ số h p th của một số vật liệu bán dẫn đư c biểu di n trên (hình 2.2). Tại
đây biểu th các ch t bán dẫn c độ h p th trong dải s ng từ 1- 10 µm.

Độ dài bước s ng (µm)
Hình 2.2. Hệ số hấp thụ của một số chất bán dẫn tại nhiệt độ 3000K

(đường nét liền) và 770K (đường nét đứt) [1].
Độ xuyên sâu của photon đư c xác đ nh bằng ngh ch đảo của hệ số h p
th : 1/α. Trong thiết kế chế tạo r t cần biết độ xuyên sâu của photon để từ đ c
thể thiết kế, t nh toán độ nhạy các lớp bán dẫn.
14


Hình 2.3. Độ xuyên sâu của photon trong vật liệu bán dẫn Si
dùng trong thiết kế detector [1].
Hình 2.3 mơ tả chi tiết độ xuyên sâu của photon trong vật liệu bán dẫn Si tại
các nhiệt độ 780K và 3000K. Th d tại bước s ng λ = 0,85 μm độ xuyên sâu của
photon là khoảng 20μm ở 3000K và ở 780K độ xuyên sâu khá lớn.
2.2. Hiệu suất ƣợng tử và đ nhạy phổ
2.2.1. H u su t ợ tử
Hệ số lư ng t đư c đ nh nghĩa là sác xu t để một photon rơi vào bề m t
linh kiện b h p th làm sinh ra một c p điện t lỗ trống g p phần vào dịng điện
mạch ngồi. Khi c r t nhiều photon đến bề m t bán dẫn thì hiệu su t lư ng t
là là tỉ số thông lư ng các c p điện t - lỗ trống g p phần tạo ra dịng quang điện
ở mạch ngồi trên thơng lư ng photon tới. Như vậy một linh kiện thu quang bán
dẫn khơng khuếch đại c dịng điện ngồi IL t lệ với công su t bức xạ φL.
Hiệu su t lư ng t η là t số giữa số electron n e chạy trong mạch ngoài và số
photon nph rơi trên bề m t đầu thu trong cùng một đơn v thời gian [1]:



ne
n ph

(2.5)


Hiệu su t lư ng t c thể biểu di n theo một cách khác như sau:
η = (1- Rv).ξ.[1-exp(-αd)]
(2.6)
Trong đ :
- Rv : Là hệ số phản xạ tại bề m t linh kiện thu

15


- ξ: Là t phần của c p điện t - lỗ trống tham gia vào dòng quang điện
- α : Là hệ số h p th photon của vật liệu
- d: Là chiều dày của photodetector
- Thành phần [1-exp(-αd)] : Là t phần thông lư ng photon b h p th trong
lòng detector. Như vậy càng c k ch thước dày thì thành phần này càng lớn.
2.2.2. Đ
ạy p ổ
a) S ph thuộc của hiệu su t lư ng t vào bước s ng.
-Tại một bước s ng nào đ trong một đơn v thời gian, số photon sẽ là [1]:
ηph =



e ,  ,t

(2.7)

hf

Trong đ :  e, : Là thơng lư ng quang.
Số electron của dịng quang điện đư c tạo ra do h p th ánh sáng sẽ là:


ne 

I L ,
q

(2.8)

Trong đ :
- IL,λ : Là dịng điện ở mạch ngồi
- q : Là điện t ch của điện t .
Khi đ hiệu su t lư ng t tại 1 bước s ng sẽ là:

 ( ) 
Trong đ :
Đ t R(λ) =

I L , t.hf
q.e , .t



I L , .hc
q.e , .

(2.9)

hc
= 1,24.10-6 W.m/A
q


I



L ,

là độ nhạy theo bước s ng.

e ,

hương trình (2.9) sẽ c dạng:
η(λ) = 1,24.10-6.

R ( )



(2.10)

Khi linh kiện thu c khuếch đại bên trong thì cơng thứ (2.10) sẽ c dạng
khác một chút. Khi này, người ta đưa vào hệ số khuếch đại G là số trung bình
của các điện t mạch ngoài chia cho số c p hạt tải quang điện đã đư c sinh ra và
đư c xác đ nh bởi biểu thức:
16


q*
G *
e


(2.11)

Với q* là năng lư ng điện t ở mạch ngồi.
e* là số điện t sinh ra trong lịng bán dẫn.
Do q* c thể lớn hơn e* nên hệ số khuếch đại c thể lớn hơn ho c nhỏ hơn 1.
Đến đây ta c thể đưa ra biểu thức t ng quát về dòng quang điện và độ nhạy ph
dưới dạng:
G e p
*

ip = ηq*  = Gηe*  =
R=

hv

Ge
= Gη  0
hv
1,24

(2.12)
(2.13)

Ở đây thứ nguyên của một số đại lư ng là: G[A/W]; λ[μm]. Khi đ tại một
bước s ng λ nào đ , độ nhạy ph tuyệt đối và hiệu su t lư ng t tương đối đư c
viết như sau:
R




(2.14)

1,24.10 6

η(λ) =

R( ) max
R ( )

(2.15)

Như vậy độ nhạy R của linh kiện thu tại một bước s ng đư c đ nh nghĩa
bằng t số t n hiệu ra trên công su t t n hiệu quang chiều vào. N c thứ nguyên
là v/W hay a/W. Giá tr độ nhạy của linh kiện thu theo một giải bước s ng λ
đư c gọi là ph độ nhạy. Linh kiện thu sẽ nhạy với các photon c năng lư ng
lớn hơn ho c bằng năng lư ng vùng c m:
hc



 Eg

17

(2.16)


Hình 2.4. Hiệu suất lượng tử tương đối và độ nhạy phổ
của vật liệu bán dẫn [1].

T t cả các bước s ng thỏa mãn điều kiện (2.16) sẽ nằm trong ph độ nhạy
của linh kiện. Tuy nhiên không phải mọi bước s ng độ nhạy R đều như nhau.
Trong th c tế người ta thường xác đ nh ph độ nhạy tương đối bằng cách l y
các giá tr đo chia cho giá tr độ nhạy c c đại, với cách này thì đo ph độ nhạy
khơng nh t thiết phải đo dạng ph phát sáng của đèn.
Hình 2.4 biểu th s ph thuộc của hiệu su t lư ng t tương đối và độ nhạy
ph của một số vật liệu bán dẫn theo bước s ng. Từ hình vẽ ta th y r t t vật liệu
bán dẫn c hiệu su t lư ng t đạt giá tr gần bằng 1. Riêng đối với linh kiện thu
quang chế tạo từ vật liệu bán dẫn Si thì hiệu su t lư ng t c giá tr cao chủ yếu
ở vùng bước s ng h ng ngoại gần, khoảng 0,8 ÷ 0,95μm và ph thuộc vào nhiệt
độ.
2.3. Tỷ s t n hiệu trên nhiễu và đ phân giải
T số t n hiệu trên nhi u đư c k hiệu bằng S/N đư c xác đ nh bằng biểu
thức:
S

N

p
p

Sout
Sin

p
p

(2.17)

Nout

Nin

Trong đ : Sout, PNout, PSin, PNin là công su t t n hiệu và công su t nhi u tại
đầu vào và đầu ra.
18


T số S/N = 1 là lúc giá tr t n hiệu bằng giá tr nhi u, khi này t n hiệu bắt
đầu chìm vào nền nhi u và khơng thể phân giải đư c nữa. Người ta thường dùng
công su t nhi u tương đương. NE đư c đ nh nghĩa là giá tr bình phương trung
bình (RMS) của công su t bức xạ tới làm sinh ra một thế hiệu nội RMS ở đầu ra
bằng với thế RMS nhi u:
NEP =

2B

(2.18)



Trong đ :
- B : Là độ rộng băng tần
- Ω : Là tần số s ng ánh sáng
- η : Là hiệu su t lư ng t .
Đối với các linh kiện thu, đ c biệt là linh kiện thu h ng ngoại người ta đưa
vào thông số đ c trưng cho khả năng tách t n hiệu, đư c gọi là độ phân giải D *,
đư c xác đ nh bởi biểu thức :
1

( A.B) 2

D 
NEP
*

(2.19)

Với A : là điện t ch t ch c c của linh kiện thu quang
D*: tương ứng với tỉ số S/N trên 1 Wat của công su t quang tới bề m t
detector trên độ rộng băng tần 1Hz.
2.4. Thời gian đáp ứng
Đã c một số quan điểm rằng điện t ch sinh ra trong mạch ngoài của detector
c giá tr độ lớn là 2e do loại hạt tải chạy về 2 c c thì một photon làm phát sinh
ra một c p điện t - lỗ trống trong bán dẫn. Ta hãy xem quan điểm này đúng hay
sai.
Trong th c tế, thời gian chạy ra mạch ngoài của điện t và lỗ trống là không
giống nhau do khối lư ng của chúng không giống nhau và tùy thuộc vào c u
trúc và đ c điểm của vật liệu bán dẫn làm linh kiện thu quang. C thể là các điện
t thì chạy nhanh, c thể đi về ph a điện c c dương một cách nhanh chóng, cịn
các lỗ trống thì chạy chậm hơn về ph a điện c c âm. Mỗi loại hạt tải chạy qua
mạch ngoài cần c một khoảng thời gian, và đư c gọi là thời gian lan truyền

19


trung chuyển trong linh kiện. Đây là một thừa số giới hạn quan trọng đối với tốc
độ hoạt động của t t cả các linh kiện thu quang bán dẫn.
Ta sẽ xét một c p điện t - lỗ trống sinh ra bởi quá trình h p th một photon
tại một v tr b t kì x nào đ trong vật liệu làm detector c chiều rộng là w và c
thế hiệu đ t vào là V. Xét s chuyển động theo chiều x, giả s hạt tải c điện
t ch t ng cộng là


, chuyển động với tốc độ v(t) theo chiều x tạo ra dịng điện

trong mạch ngồi c dạng:
i(t) = t=

Q
Q
= v(t)
W
t

(2.20)

W
v(t )

C u trúc của linh kiện thu quang c một c p điện t - lỗ trống sinh ra do h p
th photon tại tọa độ x, chúng đi về 2 c c, đư c biểu th trên hình vẽ:

Hình 2.5: Sự sinh cặp điện tử - lỗ trống trong linh kiện thu [1].
Khi c dịng điện E thì hạt tải trong vật liệu bán dẫn sẽ b cuốn với tốc độ v
= μE.
Giả s lỗ trống chuyển động sang trái với tốc độ không đ i v h, còn điện t
chuyển động sang phải với tốc độ ve. Độ lớn của dòng điện t và lỗ trống là ie và
ih.
Thời gian mà lỗ trống chuyển động là x/vh và thời gian điện t chuyển động
là (w  x)

v . Trong vật liệu bán dẫn, tốc độ điện t

e

ve thường lớn hơn tốc độ lỗ

trống vh, nên độ dài toàn phần quyết đ nh thời gian bay trong vật liệu do thời
gian của lỗ trống quyết đ nh.
20


Dòng điện t ng cộng
Q = e. v h .
w

cảm ứng của dịng điện bên ngồi đư c t nh:
x

v

h

+ e. ve .
w

( w  x)

v

e

= e  

x
w

w x
= e
w 

(2.21)

Hình 2.6: Sự quét của điện tử và lỗ trống ra hai điện cực của linh kiện
với tốc độ và thời gian khác nhau [1].
Từ biểu thức (2.21) ta th y, điện t ch ở mạch ngoài chỉ bằng e chứ không
phải 2e như đã n i ở trên m c dù c 2 loại hạt tải mang 2 lư ng điện t ch chạ về
2 c c của linh kiện thu.
Trong th c tế thời gian đáp ứng khơng đư c t nh tốn từ thời gian bay của
điện t - lỗ trống. Ta gọi thời gian đáp ứng Tr của linh kiện thu quang giới hạn
chủ yếu bởi điện dung và trở kháng của linh kiện như công thức :
Tr = (RD + RA)(CD + CA)
(2.22)
Trong đ :
- RD: Là điện trở của linh kiện
- RA: Là điện trở thuần của lối vào bộ khuếch đại
- CD;CA: Là điện dung của linh kiện thu và bộ khuếch đại.
Đối với bộ khuếch đại tốt sẽ c RA < RD; CA < CD, do đ :
Tr  RD.CD
(2.23)
Đối với linh kiện thu c thời gian đáp ứng nhanh thì cả R D và RC phải c giá
tr nhỏ. Khi khảo sát nhi u thì RD có vai trị nh t đ nh, do vậy giá tr nhỏ nh t
của RD b giới hạn bởi 1 giá tr nào đ khi đứng trên quan điểm trung hòa tối
ưu.

Điện dung chuyển tiếp c thể xác đ nh như sau:

21


CD = A


W

(2.24)

Trong đ : - ε : Là hằng số điện môi
- W : Là độ rộng lớp nghèo của chuyển tiếp
-A : Là điện t ch của linh kiện.
Từ công thức (2.24) ta th y: Vật liệu c hằng số điện môi nhở sẽ cho giá
tr điện dung nhỏ và khi lớp nghèo tăng lên c thể làm gia tăng đáng kể quá trình
phát sinh tái h p trong lớp nghèo gây ảnh hưởng tới tỉ số t n hiệu trên nhi u theo
chiều hướng không c l i.
Kết uậ
ơ
Trong chương này chúng tôi đề cập đến các thông số đ c trưng của họ các
d ng c bán dẫn thu tín hiệu quang đ là: s h p th quang trong ch t bán dẫn,
hiệu su t lư ng t và độ nhạy ph , thời gian đáp ứng, t số tín hiệu trên nhi u và
độ phân giải.

22


CHƢƠN


III

LINH KIỆN BÁN DẪN THU TÍN HIỆU QUAN

ĐIỂN HÌNH

Việc nghiên cứu, chế tạo các linh kiện bán dẫn thu t n hiệu quang đã và đang
đư c phát triển r t mạnh mẽ. Các linh kiện này c tác d ng thu nhận, biến đ i
t n hiệu quang thành t n hiệu điện. Chúng bao g m nhiều loại với c u trúc và
nguyên lý hoạt động khác nhau như: quang trở, photodiode, phototransistor, các
detector giếng lư ng t ... Các linh kiện thu t n hiệu quang c vai trò r t lớn
trong nhiều lĩnh v c khác nhau của khoa học và công nghệ, quân s và trong
cuộc sống hằng ngày. Trong chương này chúng tơi trình bày ba linh kiện bán
dẫn thu t n hiệu quang điển hình là uang trở, photodiode và pin m t trời.
3.1. Quang trở
3.1.1. C u tạo
Quang trở là một loại linh kiện bán dẫn th động, khơng có lớp chuyển tiếp
P-N và là linh kiện bán dẫn thu quang đơn giản nh t có độ nhạy cao, qn tính
khá lớn, điện trở của n biến đ i theo ánh sáng chiếu vào.

Hình 3.1 a: Cấu tạo và ký hiệu của quang trở [6]
C u tạo của quang trở c thể đư c mơ tả như (hình 3.1b,c): đó là một khối
bán dẫn pha tạp nhạy sáng (c độ dẫn su t thay đ i rõ rệt khi ánh sáng chiếu
vào) và c điện thế đ t vào. hiến bán dẫn này c thể là đa tinh thể (CdS, CdSe,

23


CdTe, bTe…), cũng c thể là đơn tinh thể (Ge, Si tinh khiết ho c pha tạp Au,

Cu, Sb, In, SbIn, AsIn, In…) tùy theo vào m c đ ch ứng d ng của chúng. Trên
đ đư c mạ kim loại để gắn điện c c ra ngoài. Toàn bộ phiến bán dẫn đư c bọc
trong vỏ kim loại ho c ch t dẻo c c a s trong su t để ánh sáng chiếu vào.

Hình 3.1 b: Biểu diễn sự phát sinh cặp điện tử -lỗ trống [1].

Hình 3.1 c: Cấu trúc thực của quang trở có đế cách điện [1].
3.1.2. N u

ý oạt đ

Khi khơng chiếu sáng thì “độ dẫn tối” của quang trở là [1]:
δ0 = e(μnn0 + μpp0)

(3.1)

trong đ : μn, μp là độ linh động của điện t và lỗ trống của ch t bán dẫn, n0, p0 là
n ng độ điện t và lỗ trống khi không c ánh sáng chiếu vào.
Khi chiếu 1 chùm sáng c năng lư ng hν lớn hơn độ rộng vùng c m của bán
dẫn, sẽ gây ra s chuyển dời các vùng h a tr lên vùng dẫn làm phát sinh c p
điện t - lỗ trống, các c p hạt tải này c khả năng tham gia vào quá trình dẫn
điện, đây là quá trình h p th photon tạo ra c p điện t - lỗ trống. C một lư ng
hạt tải dư Δn = Δp làm độ dẫn tăng lên, khi đ độ dẫn là:
δ = e[μn(n0 + Δn) + μp(p0 + Δp)]
24

(3.2)


hay

δ=

1
= δ0 + Δδ với δ0 = e(μnn0 + μpnp)
p

và Δδ = e.Δp(μp + np)

(3.3)

Giả s độ dài của quang điện trở là L, ta c thời gian bay của điện t trong
tinh thể là:
tn =

L



n

(3.4)

E

Khi c điện thế tạo ra điện trường E, độ lớn của dòng quang điện là:


IL = eGL  p  . 1 





t

n












 AL

n
p

(3.5)

Với A là điện thế, GL là tốc độ k ch quang, IL là dịng quang điện sinh ra
trong mạch ngồi.
Khi chưa c khuếch đại, dòng quang điện đư c gọi là dịng quang điện cơ
bản và c cơng thức là:
ILp = eGL.AL


(3.6)

Do đ độ khuếch đại của linh kiện là:

I L* 

IL
I LP



p 

 
1  p  AL
tn  n 

(3.7)

Từ (3.7) ta th y τp càng lớn, tn càng nhỏ thì hệ số khuếch đại càng lớn. Các
linh kiện c thể khuếch đại hàng nghìn lần khi điện t c thời gian sống càng dài
và phần bán dẫn c k ch thước càng hẹp.
Khi đư c lắp và mạch k n, quang trở đ ng vai trò như một điện trở, nhờ việc
thay đ i độ dẫn su t của n (bằng cách thay đ i công su t chiếu sáng) ta c thể
điều khiển đư c dòng điện trong mạch.

25



×