Ruhdugeard
New Member
Download miễn phí Đềtéctơ Quang học bằng Bán dẫn
MỤC LỤC
I. DẪN NHẬP
I.1. Nhắc lại các điểm chính trong tương tác phôtôn-bán dẫn
I.1.1 Chuyển dịch điện tửtrong chất bán dẫn
I.1.2 Phản xạvà hấp thụphôtôn
I.2. Đềtéctơquang học bán dẫn
I.2.1. Nguyên lý vận hành cơbản
I.2.2 Các đặc trưng chung
a) Hiệu suất lượng tử.
b) Đáp ứng đặc trưng theo phổ.
c) Độnhạy.
d) Đáp ứng thời gian.
II. CÁC BỘTIẾP GIÁP BÁN DẪN
II.1 Bộtiếp giáp p-n
a) Bộtiếp giáp p-n ởtrạng thái cân bằng nhiệt động.
b) Bộtiếp giáp p-n được phân cực.
c) Điện dung chuyển tiếp và điện dung khuếch tán.
II.2. Tiếp xúc kim loại-bán dẫn
II.2.1. Bộtiếp giáp Schottky
a) Bộtiếp giáp Schottky ởtrạng thái cân bằng nhiệt động.
b) Bộtiếp giáp Schottky được phân cực.
II.2.2. Tiếp xúc thuần trở
III. ĐỀTÉCTƠQUANG HỌC LƯỢNG TỬ
III.1 ĐỀTÉCTƠQUANG DẪN ĐIỆN
III.1.1 Vận hành của một đềtéctơquang dẫn điện
III.1.2 Độkhuếch đại của quang dẫn điện
III.1.3 Đáp ứng thời gian
III.3 ĐỀTÉCTƠQUANG HỌC DÙNG BỘTIẾP GIÁP
III.3.1 Điốt quang p-n
a) Vận hành của điốt quang p-n.
b) Đáp ứng thời gian.
III.3.2 Điốt quang p-i-n
III.3.3 Điốt quang dùng hiệu ứng nhân điện
a) Vận hành của điốt quang dùng hiệu ứng nhân điện.
b) Đáp ứng thời gian.
III.3.4 Điốt quang Schottky
III.3.5 Điốt quang MSM (Métal-Semiconducteur-Métal)
III.3.6 Điốt quang dùng cấu trúc dẫn sóng
IV. TIẾNG ỒN TRONG CÁC ĐỀTÉCTƠQUANG HỌC BÁN DẪN
IV.1 Giới thiệu tổng quan
IV.2 Các nguồn tiếng ồn
IV.2.1 Tiếng ồn phôtôn
IV.2.2 Tiếng ồn do sựtạo cặp và tái hợp
IV.2.3 Tiếng ồn do nhân điện
IV.2.4 Tiếng ồn nhiệt
IV.2.5 Tiếng ồn 1/f
IV.3 Độnhạy đặc trưng
IV.3.1 Độnhạy đặc trưng của đềtéctơquang học
IV.3.2 Độnhạy đặc trưng của đềtéctơquang dẫn điện
IV.3.3 Độnhạy đặc trưng của điốt quang p-i-n
IV.3.4 Độnhạy đặc trưng của điốt quang dùng hiệu ứng nhân điện
IV.3.5 Đo tín hiệu quang học bằng phép đo trực tiếp với các điốt quang
a) Đo tín hiệu quang bằng phép đo trực tiếp với điốt quang p-i-n
b) Đo tín hiệu quang bằng phép đo trực tiếp với điốt quang dùng hiệu ứng nhân điện
V. ĐO TÍN HIỆU QUANG HỌC BẰNG PHÉP ĐO KẾT HỢP
TÀI LIỆU THAM KHẢO TÓM TẮT
Để tải bản Đầy Đủ của tài liệu, xin Trả lời bài viết này, Mods sẽ gửi Link download cho bạn sớm nhất qua hòm tin nhắn.
Ai cần download tài liệu gì mà không tìm thấy ở đây, thì đăng yêu cầu down tại đây nhé:
Nhận download tài liệu miễn phí
Tóm tắt nội dung tài liệu:
tương đương của hai điện trở mắc song song Rp và RL.Thí dụ : Đối với một điốt quang có tiết diện của vùng ZCE là: A = 1 mm2, được pha tạp với mật độ 1015 cm-3 và được áp với
hiệu thế VD – V = 10V ; ta có bề rộng của vùng ZCE là: W = 3,6 µm và điện dung chuyển tiếp là 30pF. Nối với một điện trở phụ
tải có giá trị 50Ω, điốt quang này có tần số cắt bằng: 1/2πRC = 110 MHz.
● Hằng số thời gian tương ứng với di chuyển của các hạt tải điện trong vùng điện tích không gian ZCE (tt). Hằng
số thời gian này được đặc trưng bằng: tt =
appV
w
µ ; trong đó w là bề rộng của vùng ZCE, µ là độ linh động của các
hạt quang tải điện và Vapp là hiệu thế phân cực. Hằng số này có giá trị nhỏ nhất trong ba hằng số liên hệ đến đáp
thời của linh kiện. Thực vậy, bề rộng vùng điện tích không gian ZCE trải dài khoảng 1 µm khi điốt quang được áp
một điện thế phân cực chừng Vapp=1V, nghĩa là một điện trường trung bình bằng 104 V/cm. Ngay đối với một vật liệu
bán dẫn mà các hạt tải diện có độ linh động thấp, chẳng hạn µ = 100 cm2/V/s (giá trị này tương ứng với vận tốc di
chuyển chừng 106 cm/s), nghĩa là tương ứng với một thời gian di chuyển của hạt tải điện trong vùng ZCE bằng 100
ps, hay một tần số cắt chừng 10 GHz.
Đáp ứng thời gian của linh kiện là tổ hợp của ba hằng số thời gian mà biểu thức gần đúng có thể viết là [10]:
( ) 2/12t2RC2d t t t t ++≈ (III.21)
Hai hằng số thời gian đầu tiên tạo ra các giới hạn không chấp nhận được với việc đo các tín hiệu quang biến điệu
nhanh, như trong trrường hợp của truyền thông quang học tốc độ cao mà dải truyền qua cần thiết phải lớn hơn GHz.
Đối với các loại ứng dụng này ta cần dùng điốt quang p-i-n.
III.3.2 Điốt quang p-i-n
Hình III.9 : Sơ đồ của một điốt quang p-i-n : (a) cấu trúc của điốt quang p-i-n ; (b) giản đồ vùng năng lượng ;
(c) đường biểu diễn sự tạo cặp bằng kích thích quang học và (d) cấu hình tiêu biểu của một điốt quang p-i-n
________________________________________________________________________________
NGUYỄN CHÍ THÀNH - Đềtéctơ quang học bán dẫn – Lớp học chuyên đề Đồ Sơn – Tháng 11 năm 2004 245
Chúng ta thấy rằng trong một điốt quang dùng bộ tiếp giáp p-n, sự giới hạn bề rộng của vùng điện tích không
gian ZCE là một yếu tố đóng góp vào hạn chế của dòng quang điện và của dải truyền qua của linh kiện. Để làm tăng
bề rộng của vùng ZCE, trong cấu trúc của một điốt quang p-i-n, người ta chen vào giữa hai vùng pha tạp p và n của
bộ tiếp giáp một chất bán dẫn nội bẩm (chữ i trong từ p-i-n là viết tắt của chữ intrinsèque/ nội bẩm) rất ít pha tạp.
Bề rộng của vùng ZCE, dưới chế độ phân cực ngược, trải rộng trên suốt vùng i, và sự tạo cặp bằng kích thích
quang học xảy ra chủ yếu trong đó (hình III.9.a và b). Cấu trúc này có những ưu điểm sau:
- Nó có một điện dung chuyển tiếp Ct = Aε/W thấp và do đó tạo nên một tần số cắt khá cao.
- Vì rằng vùng điện tích không gian ZCE rất rộng, trải dài đến khá sâu trong vùng trung hoà n (αW >> 1, vùng
khuếch tán hạt tải điện được giảm thiểu rất nhiều), do đó sự đóng góp của dòng điện khuếch tán Jdiff cũng như thời
gian sống τ của các hạt quang tải điện là không đáng kể (thời gian sống này liên quan đến sự tái hợp các hạt tải
điện trong các vùng khuếch tán). Như vậy ta có thể bỏ qua sự đóng góp của hằng số thời gian tương ứng với dòng
điện khuếch tán vào đáp ứng thời gian của đềtéctơ. Phản ứng năng động của linh kiện do đó chủ yếu được quyết
định bởi dòng điện tạo cặp JG.
Nguyên lý vận hành của điốt quang p-i-n tương tự với nguyên lý vận hành của điốt quang dùng bộ tiếp giáp p-n ;
điều khác biệt là độ rộng của dải truyền trong điốt quang p-i-n rất lớn.
Thí dụ : Trong một điốt quang p-i-n có tiết diện tiếp giáp A = 0,01 mm2, có bề rộng vùng ZCE (là vùng i) W=10 µm sẽ cho một
điện dung chuyển tiếp là Cd = 0,1 pF. Nối linh kiện với một điện trở phụ tải R = 50 Ω, điốt quang này sẽ có một tần số cắt fc =
1/2πRCd bằng 30 GHz. Điện thế phân cực có độ lớn chừng (VD – Vapp) = 100 V , điện thế này tạo ra trong vùng ZCE một điện
trường E = 102 V/ 10µm = 105 V/cm. Điện trường này đẩy các hạt tải điện có độ linh động chừng µ = 100 cm2/V/s chuyển
động với vận tốc 107 cms-1. Vận tốc này tương ứng với thời gian chuyển động trong vùng ZCE là τt = 100 ps, nghĩa là điốt
quang có một tần số cắt chừng 10 GHz.
Chúng ta thấy rằng trong thí dụ này thời gian chuyển động của các hạt quang tải điện trong vùng điện tích không
gian là yếu tố hạn chế của dải truyền qua. Như vậy, ta không thể tăng bề rộng W của vùng ZCE mà không làm hạn
chế độ rộng dải truyền qua của đềtéctơ. Thế thì cần chọn một giải pháp thỏa hiệp tốt giữa điện dung chuyển
tiếp Cd và thời gian chuyển động của các hạt quang tải điện τt trong vùng điện tích không gian để có thể tăng độ
rộng dải truyền qua của đềtéctơ.
III.3.3 Điốt quang dùng hiệu ứng nhân điện (photodiode à avalanche/ avalanche photodiode)
Trong một điốt quang dùng hiệu ứng nhân điện (sau đây gọi tắt là điốt quang nhân điện) người ta sử dụng
hiện tượng nhân điện đối với các cặp điện tử-lỗ trống để khuếch đại số hạt quang tải điện được tạo ra và do đó
khuếch đại đáp ứng của đềtéctơ quang học.
a) Vận hành của điốt quang nhân điện
Hình III.10 : Cơ chế nhân điện trong bộ tiếp giáp p-n (theo [5])
Sơ đồ cơ chế của hiệu ứng nhân điện trong một điốt quang p-i-n được trình bày trên hình III.10. Bộ tiếp giáp p-n
(hay p-i-n) của điốt quang được phân cực ngược với một hiệu thế cao (nhưng thấp hơn hiệu thế đánh thủng –
tension de claquage/ breakdown voltage - của bộ tiếp giáp). Hiệu thế cao này tạo ra một bề rộng khá lớn của vùng
ZCE và đồng thời cũng tạo ra một điện trường rất mạnh trong vùng này. Một photon hấp thụ ở điểm A tạo ra một
cặp điện tử-lỗ trống bằng chuyển dịch điện tử A → B (điện tử B ở trong vùng dẫn và lỗ trống A ở trong vùng hoá
trị). Hai hạt quang tải điện này được đặt trong điện trường rất mạnh và do đó chúng lập tức được gia tốc. Với sự gia
tốc này, điện tử B thu được một động năng quan trọng trong lộ trình của nó, và như vậy năng lượng toàn phần của
điện tử này lớn hơn năng lượng ở đáy của vùng dẫn. Thế nhưng, lộ trình của hạt điện tử bị gián đoạn do va chạm
ngẫu nhiên với mạng tinh thể, chẳng hạn ở điểm C. Ở điểm này, điện tử chia bớt một phần năng lượng của nó cho
mạng tinh thể. Năng lượng chuyển giao này lớn hơn độ rộng của vùng cấm và đủ sức để ion hoá nguyên tử, tạo nên
chuyển dịch điện tử F → E. Một cặp điện tử-lỗ trống thứ cấp như vậy được sinh ra, và đến lượt chúng được gia tốc
bởi điện trường, đồng thời với điện tử sơ cấp. Điện tử sơ cấp này, sau khi chuyển giao bớt năng lượng ở điểm C,
«rơi» xuống điểm D và tiếp tục được gia tốc trên một lộ trình mới. Lỗ trống sinh ra ở điểm F được gia tốc theo chiều
ngược lại và ...