: thanhlam1910 [email protected] sau: ...mientayvn.com/Cao hoc quang dien tu/Semina tren lop/ok_Combine_1788...Đây là bản xem trướccủa tài liệu, một số thông tin và

Bạn đang truy cập nguồn tài liệu chất lượng cao do www.mientayvn.com phát hành.

Đây là bản xem trước của tài liệu, một số thông tin và hình ảnh đã bị ẩn đi. Bạn chỉ xem được toàn bộ tài liệu với nội

dung đầy đủ và định dạng gốc khi đã thanh toán. Rất có thể thông tin mà bạn đang tìm bị khuất trong phần nội dung

bị ẩn.

………………………………………………………………………………………

Liên hệ với chúng tôi: [email protected] hoặc [email protected]

………………………………………………………………………………………

Thông tin về tài liệu

Số thứ tự tài liệu này là : 1788

Định dạng gốc: pptx

………………………………………………………………………………………

Chúng tôi không bán tài liệu này do chúng tôi không phải là tác giả của nó.

Tập tin có cài pass (bạn sẽ nhận được pass sau khi đã thực hiện theo các yêu cầu ở mục 1, 3, 5, 8, 9, 10 trong liên kết

sau: http://mientayvn.com/Trao_doi_tai_nguyen.html):

www.mientayvn.com/Cao%20hoc%20quang%20dien%20tu/Semina%20tren%20lop/quang_dien_tu_ban_dan_1785_1790/1788_photodiode.rar

………………………………………………………………………………………

Các tài liệu được tặng miễn phí kèm theo:

www.mientayvn.com/Tai_lieu_cung_chu_de/1788.doc………………………………………………………………………………………

Đối với sinh viên, học viên cao học của bộ môn vật lý ứng dụng, khoa vật lí-vật lí kỹ thuật, đại học khoa học tự

nhiên TPHCM: gửi cho chúng tôi địa chỉ mail lớp, chúng tôi sẽ cung cấp thông tin để các bạn truy cập miễn phí tài

liệu.

………………………………………………………………………………………

Đối với sinh viên khoa vật liệu, đại học khoa học tự nhiên TPHCM: các bạn muốn sử dụng tài liệu này phải có

email giới thiệu của một trong các tác giả có bài đăng trên trang web của chúng tôi. Các tác giả này phải công tác tại

khoa vật liệu. Trong email giới thiệu, xin ghi thật ngắn gọn, và đầy đủ thông tin, không cần chào hỏi.

http://www.mientayvn.com/

mailto:[email protected]

http://mientayvn.com/Trao_doi_tai_nguyen.html

http://www.mientayvn.com/Cao hoc quang dien tu/Semina tren lop/quang_dien_tu_ban_dan_1785_1790/1788_photodiode.rar

http://www.mientayvn.com/Cao hoc quang dien tu/Semina tren lop/quang_dien_tu_ban_dan_1785_1790/1788_photodiode.rar

http://www.mientayvn.com/Tai_lieu_cung_chu_de/1788.doc

Chi tiết xin xem tại:

http://mientayvn.com/dich_tieng_anh_chuyen_nghanh.html

http://mientayvn.com/dich_tieng_anh_chuyen_nghanh.html

Đề tài:

GV Hướng dẫn : Thầy Trần Quang Trung

Học viên : Lê Hà Phương

Nguyễn Thị Hà Trang

Nguyễn Quang Khởi

Linh kiện quang bán dẫn

Linh kiện quang-điện

(linh kiện thu quang)

Linh kiện điện-quang

(linh kiện phát quang)

I. LINH KIỆN THU QUANG (PHOTODETECTOR)

Linh kiện thu quang, là những linh kiện bán dẫn

chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện,lợi dụng sự

tăng giảm cường độ ánh sáng để làm thay đổi độ dẫn điện

của chất bán dẫn hoặc làm xuất hiện suất điện động

Nguyên lý hoạt động của các linh kiện này có thể bao

gồm 3 khâu sau:

• Phát sinh hạt dẫn bởi ánh sáng tới

• Vận chuyển hạt dẫn và khuếch đại dòng hạt dẫn bằng

một cơ chế nào đó có thể

• Cho dòng điện tác dụng vào mạch ngoài gây ra tín

hiệu điện ở lối ra.

1

Highlight

Ưu điểm của Photodetector

I. LINH KIỆN THU QUANG (PHOTODETECTOR)

• Độ nhạy cao

• Thời gian đáp ứng ngắn

• Mức nhiễu thấp

• Gọn nhẹ

• Nguồn nuôi (dòng, điện áp nhỏ).

• Tiện dụng

Photodetector gồm nhiều loại : linh kiện quang dẫn hay quang

trở, photodiode, phototransistor…

1

Highlight

II. CHẤT BÁN DẪN LÀ GÌ ?

Chất bán dẫn là những nhóm vật liệu có độ dẫn trung gian

giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Hầu hết các chất bán dẫn

đều có các nguyên tử sắp xếp theo cấu tạo tinh thể.

Hai cách phân loại phổ biến các vật liệu bán dẫn là: vật liệu

bán dẫn nguyên tố và vật liệu bán dẫn hợp chất

1

Highlight

II.1. Chất bán dẫn thuần

Các chất bán dẫn điển hình như Si và Ge thuộc nhóm 4 bảng

tuần, tức là mỗi nguyên tử đều có 4 điện tử ở lớp ngoài cùng kết

hợp với 4 điện tử của 4 nguyên tử kế cận tạo thành 4 liên kết hóa

trị, trở nên bền vững


Ta có : n = p = ni ni2 = A0.T

3. exp(-EG/KT)

K: Hằng số Bolzman=8,62.10-5eV/K

EG : Chiều cao của dải cấm.

A0: Số Avogadro= 6,203.1023

T : Nhiệt độ tuyệt đối (K)

1

Highlight

II.2. Chất bán dẫn loại N

Chất bán dẫn thuần khiết (Si hoặc Ge) pha tạp chất thuộc nhóm V bảng phân

loại tuần hoàn như As (Arsenic), Photpho (p)… Bốn điện tử của P kết hợp với 4

điện tử của Si lân cận tạo thành 4 nối hóa trị, còn dư lại một điện tử của P.

ED


ND là mật độ những nguyên tử pha vào, ni là mật độ điện tử hoặc lỗ trống

trong chất bán dẫn thuần trước khi pha.

Ta có: n = p + ND, n.p = ni

2 (n > p)

Nồng độ electron trong vùng dẫn :

exp / exp / exp /i in C C F B C C F B F F Bn N T E E k T N T E E k T E E k T (2.1)

1

Highlight

II.3. Chất bán dẫn loại P

Pha thêm một lượng nhỏ tạp chất hoá trị 3 như Indium (In) vào bán dẫn

(Si). Ba điện tử của nguyên tử In kết hợp với ba điện tử của ba nguyên tử Si

kế cận, còn một điện tử của Si có năng lượng trong dải hóa trị không tạo một

nối với InDải dẫn điện

Dải hóa trị

E

EFD

ED

EFi


Ta có: p = n + NA , n.p = ni2 (p > n)

NA là mật độ những nguyên tử pha vào

Nồng độ lỗ trống trong vùng hoa trị :

exp / exp / exp /i ip V V F B V V F B F F Bp N T E E k T N T E E k T E E k T

exp /ip i F F Bp n E E k T (2.2)

1

Highlight

III. CHUYỂN TIẾP P-N

III.1 Sự hình thành chuyển tiếp p – n

Hai bán dẫn n và p tiếp xúc nhau, có sự chênh lệch nồng độ của các

hạt tải điện ở hai miền nên xảy ra sự khuếch tán hạt tải:

• Dòng khuếch tán của các hạt tải cơ bản :

- Điện tử từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p

- Dòng lỗ trống từ bán dẫn loại p sang bán dẫn loại n

• Dòng trôi của các hạt không cơ bản :

- Lỗ trống từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p

- Điện tử từ bán dẫn loại p sang bán dẫn loại n

1

Highlight

III.2 Chuyển tiếp p – n ở trạng thái cân bằng (chưa có điện

trường ngoài)


Fpe

Fne

Giản đồ vùng năng lượng của chuyển tiếp p – n ở trạng thái cân bằng

Khi bán dẫn loại n và loại p tiếp xúc nhau, mức Fermi của hai khối bán

dẫn không thẳng hàng nên các hạt tải điện sẽ khuếch tán qua lớp tiếp xúc

cho đến khi mức Fermi của hai khối trùng nhau. Khi đó, lớp chuyển tiếp p –

n được hình thành và mức năng lượng EV, EC, EFi bị uốn cong, hình thành

một điện thế tiếp xúc Vbi.

1

Highlight


trường ngoài)


Điện thế tiếp xúc : bi Fp FnV

Mà : Fn Fi Fe E E

(2.1) exp /

ln ln

o

o

n i Fn B

nB B DFn

i i

n n e k T

nk T k T N

e n e n

Fp Fi Fe E E

(2.2) exp / exp /

ln ln

o

o

p i Fp B i Fp B

pB B AFp

i i

p p e k T n e k T

pk T k T N

e n e n

2ln ln lnB D A B D A

bi

i i i

k T N N k T N NV

e n n e n

Và :

(3.1)

(3.2)

(3.3)

(3.4)

:on Dx n N :

op Ax p NSâu trong bán dẫn, ở trạng thai cân bằng, khi

.

Và

1

Highlight

Giả sử có đk biên: E=0 tại x = xn và x =-xp


trường ngoài)


2

o

x dE x

dx

( ) ( )0

n px x x x

dV x dV x

dx dx

( )p ax eN

( )n dx eNMật độ điện tích không gian + (ion dương donor):

Mật độ điện tích không gian - (ion âm acceptor):

Phương trình Poision một chiều:

Điện trường trong vùng p và n

(3.4)

(3.6)

3.6

1a a

p

o o o

x eN eNE dx dx x C

(3.7)

(3.8)

(3.9)

(3.10)2d d

n

o o o

x eN eNE dx dx x C

Bề dày vùng nghèo (W)

1

Highlight

đk biên

2d

n

o

eNC x d

n n

o

eNE x x


trường ngoài)


(3.11)

Điện trường liên tục tại x = 0 Ep (0) = En(0)

(3.12)

a p d nN x N x

1a

p

o

eNC x a

p p

o

eNE x x

Thế tiếp xúc

2

2

ap p

o

eNx x x

Đặt (x = -xp)= 0 2 2

1 2, 2 2

a ap p

o o

eN eNC x C x

2

22

d dn n n

o o

eN eN xx E x dx x x dx x x C

2

12

a ap p p

o o

eN eN xx E x dx x x dx x x C

22

2 2

d an n p

o o

eN eNxx x x x

(3.13)

(3.14) (3.15)


1

Highlight


trường ngoài)



(3.13) d np

a

N xx

N(3.17)

Thay (3.17) vào (3.16)1 2

2 1o bi an

d a d

V Nx

e N N N

1 2

2 1o bi dp

a a d

V Nx

e N N N

Vùng nghèo tổng cộng W = xn + xp

1 2

2 o bi a d

a d

V N NW

e N N

2 2

2bi n d n a p

o

eV x x N x N x (3.16)

(3.18)

(3.19)

(3.20)

1

Highlight

•Xét trường hợp chuyển tiếp p – n bị phân cực thuận:

III.3 Chuyển tiếp p – n ở trạng thái không cân bằng (khi có

điện trường ngoài)


Nối bán dẫn p với cực dương, bán dẫn n với cực âm của nguồn một chiều

thì điện áp ngoài Vd tạo điện trường ngoài Ed ngược chiều với điện

trường tiếp Etx xúc nên điện trường tổng cộng trong lớp chuyển tiếp giảm

đi. Mức Fermi của bán dẫn loại n tăng lên một mức eVd so với khi hệ ở

trạng thái cân bằng. Thế hiệu tiếp xúc lúc bấy giờ là (Vbi - Vd).

1

Highlight

P Nnon

nop

pop

pon

px nx

•Xét trường hợp chuyển tiếp p – n bị phân cực thuận:




Hàng rào thế năng thấp xuống nên dòng khuếch tán của điện tử và lỗ

trống tăng lên. Dòng điện qua chuyển tiếp là dòng khuếch tán của hạt

dẫn cơ bản

1

Highlight




•Xét trường hợp chuyển tiếp p – n bị phân cực thuận

Nồng độ lỗ trống thiểu số dôi ra ở vùng n : pn(x) = pn(x) - pno

2 20

n n

p

p p

x L

Với L là độ dài khuếch tán của hạt tải không cơ

bản.

2

2

n n nnp p

p

p p ppD G E

x x t

Xét phương trình Ambipolar cho hạt tải không cơ bản :

Xét hệ ở trạng thái dừng và tại vùng trung hòa của bán dẫn n (E = 0),

không sinh thành hạt tải (G = 0)t

pn

(3.21)

(3.22)

(3.23)

1

Highlight

Giải phương trình Ambipolar ứng với hạt tải là lỗ trống trong vùng n

pp

nonnL

xB

L

xApxpxp expexp nxx

p

nL

xAxp exp





00 BxpnVới điều kiện

Ta có nồng độ hạt tải không cơ bản trong bán dẫn loại n khi có điện áp ngoài

exp expbi a a

n n po no

B B

e V V eVp x x p p

k T k T

(3.24)

(3.25)

(3.26)

3.25 3.26

p

n

B

a

noL

x

Tk

eVpA exp1exp

1

Highlight





h

n

B

a

nonL

xx

Tk

eVpxp exp1exp

h

n

B

a

nononnonL

xx

Tk

eVppxppxp exp1exp

Mật độ dòng lỗ trống

n n

nn

p p p

x x x x

d p xdp xj eD eD

dx dxexp 1

p no ap

p B

eD p eVj x

L k T

Từ (3.9)

Với Dp là hệ số khuếch tán của lỗ trống

1

Highlight

Mật độ dòng điện tổng cộng chạy qua lớp chuyển tiếp :

exp 1as

B

eVj j

k T

o op n n p

s

p n

D p D nj e

L L: Dòng nghịch bão hòa





Đặc trưng V-A của chuyển tiếp p-n

Tương tự mật độ dòng điện tử tại x= -xp

exp 1n po a

n

n B

eD n eVj x

L k T

exp 1o op n e p ap n n p

p e B

D p D n eVj j x j x e

L L k T

Bề dày vùng nghèo

1 2

2 ( )o bi a a d

a d

V V N NW

e N N

1

Highlight




•Xét trường hợp chuyển tiếp p – n bị phân cực nghịch

Nối bán dẫn p với cực âm, bán dẫn n với cực dương thì điện áp ngoài Va

tạo điện trường ngoài Ea cùng chiều với điện trường tiếp Etx. Mức Fermi

của bán dẫn loại n bị hạ xuống một mức eVa so với khi hệ ở trạng thái cân

bằng. Thế hiệu tiếp xúc lúc bấy giờ là (Vbi + Va).

1

Highlight




•Xét trường hợp chuyển tiếp p – n bị phân cực nghịch

P N

px

non

nop

pop

nxpon

Chỉ có hạt dẫn cơ bản chuyển động cuốn qua biên giới gây nên

dòng ngược rất nhỏ so với dòng thuận

exp 1as

B

eVj j

k T

Bề dày vùng nghèo

1 2

2 ( )o bi a a d

a d

V V N NW

e N N

1

Highlight

IV. SỰ HẤP THỤ QUANG VÀ VIỆC LỰA CHỌN VẬT LIỆU

VI.1. Hệ số hấp thụ photon

1.24[ ]

[ ]C

g g

hcm

E E eV

Trong bán dẫn :

Sự hấp thụ photon xảy ra khi

: giới hạn ngưỡng hấp thụ về phía bước sóng dài (cut – off wavelength ) C

1

Highlight


0( ) xI x I e

Với : hệ số hấp thụ

Định luật hấp thụ Buger-Lamber


dI Idx

Khi chùm sáng qua lớp vật chất bề dày dx, cường độ

giảm đi một lượng :

1x2x 3x

Hệ số hấp thụ lớn thì khoảng cách x ngắn.

phụ thuộc rất mạnh vào năng lượng

photon và năng lượng vùng cấm.

1

Highlight



Hệ số hấp thu như hàm số của bước sóng

Hệ số hấp thu tăng đối với h > Eg , và rất nhỏ đối với h < Eg, do đó chất bán

dẫn trong suốt với photon trong dải năng lượng này

1

Highlight

IV. HỆ SỐ HẤP THU VÀ LỰA CHỌN VẬT LIỆU

IV.2 Vùng cấm thẳng và vùng cấm xiên

0 momentumphoton VBCB kk

Bán dẫn vùng cấm thẳng (GaAs, InAs, InP, GaSb, InGaAs, GaAsSb),

sự hấp thụ photon không cần tới dao động mạng. Photon được hấp thụ

và electron được kích thích trực tiếp từ vùng hóa trị lên vùng dẫn mà

không có sự thay đổi vectơ k, do đó xung lượng tinh thể ħk và năng

lượng được bảo toàn, xung lượng photon rất nhỏ

Hệ số hấp thụ α đối với bán dẫn vùng

cấm thẳng sẽ tăng mạnh khi bước sóng

giảm λg (GaAs and InP).

1

Highlight



Kkk momentumphonon VBCB

Bán dẫn vùng cấm xiên (Si and Ge), sự hấp thu photon cần sự trợ giúp của

dao động mạng ( phonon). Nếu K là véctơ sóng của mạng tinh thể, thì ħK

đại diện cho xung lượng liên kết với dao động mạng ħK là xung lượng

phonon

Do đó, xác suất hấp thụ photon là không cao như trong quá trình chuyển

mức thẳng và λg không có đỉnh nhọn như chất bán dẫn vùng cấm thẳng

1

Highlight

The indirect-gap materials are

shown with a broken line.



1

Highlight

IV.3. LỰA CHỌN VẬT LIỆU


• Lựa chọn vật liệu với năng lượng vùng cấm thấp hơn so với

năng lượng photon (tương ứng với năng lượng bước sóng dài

nhất )

• Vật liệu này cho phép một hệ số hấp thụ đủ cao để đảm bảo

một đáp ứng tốt, và giới hạn lượng nhiệt phát sinh để tạo ra

một "dòng tối" . Germanium photodiodes có dòng tối tương đối

lớn do các vùng cấm hẹp so với vật liệu chất bán dẫn khác.

Đây là một thiếu sót lớn trong việc sử dụng photodiodes

germanium, đặc biệt là với bước sóng ngắn (dưới 1,1 m)

• Vùng cấm thẳng của hợp chất bán dẫn III-V có thể sự lựa

chọn vật liệu tốt hơn Ge đối với vùng có bước sóng dài. Vùng

cấm của chúng có thể thay đổi để đạt bước sóng mong muốn

bằng cách thay đổi nồng độ tương đối của các thành phần (kết

quả là dòng tối thấp hơn).

1

Highlight

B. PHOTODIODE

1 – Photodiode p – n

2 – Photodiode p – i – n

3 – Photodiode quang thác APD

1

Highlight

2 - Photodiode1 - Photodiode p – n

h

tx aE E

1

Highlight

2 - Photodiode

Dòng điện tổng cộng đi ra từ photodiode : exp as pho dark pho

B

eVi i i i i

k T

1 - Photodiode p – n

Đặc tuyến I – V của photodiode trước và sau khi được chiếu sáng

1

Highlight


2 - Photodiode

Gọi G (EHP/cm3.s) : tốc độ sinh thành quang trong một đơn vị thể tích.

( ) . .expoG x x(1 )opt

o

P R

A Ah

Mật độ dòng quang sinh ra trong vùng nghèo (giả sử không có sự tái

hợp điện tử - lỗ trống trong vùng này) :

Xét bài toán trong điều kiện trạng thái dừng

Mật độ dòng quang tổng cộng : pho dr diffj j j

exp ex

e

p

xpn n

p p

x x

dr o

x x

dr o p n

j q G x

j

dx q x x

x

d

q x

(Với )

1

Highlight

Bên ngoài vùng nghèo :

x > xn : Phương trình Ambipolar :

Trong vùng trung hòa, giả sử rằng E = 0.

Nghiệm của phương trình (1) :


2 - Photodiode

2

2

n n nnp p

p

p p ppD G E

x x t

2

2

2

2

0n n

p

p

n n

p p p

p pD

p p G

x D D

Gx

* r

n n np x p p*

np : Nồng độ lỗ trống “dôi ra ” khi chưa được chiếu sáng

P Nnon

nop

pop

px nx

pon

r

np : Nồng độ lỗ trống “dôi ra ” khi được chiếu sáng

(1)

1

Highlight

2 - Photodiode


*

2

2 2

(1) 2

2

2

2 2

exp

expexp exp

exp

exp1

1

nn

p

o

r

n

pr

o

p p

o p

p p

n

p p

x xp A

L

Lp x

D

p B x

xBB x x

L D

L

L

L

BD

Điều kiện đầu : vàn n nop x x p 0np x

p p pL D

1

Highlight

2 - Photodiode

2

2 2

2 2

2

2

2

2 2

2

2

2

2 2

ex

ex

p1

exp1

p exp exp1 1

exp exp1

o p

n n n no

p p

o p

n

o p o pnn no n

p

pn on

p p

o n

p

p

p p p

p

p

Lp x x A x p

Lx xp x A x

L

L Lx xp x p x

LD L D

D L

LA p x

L

D

D

L

Lx


1

Highlight

2 - Photodiode

2 2 2

2 2 2 2exp

exp1

exp1 1

n

n

n

n

p n

n

p p

x x

p o p o p

p

o p

p o n

p

no n n

p p p

p

p p

pj qD

x

qD L Lj p x q

qD p Lj q x

L

L L D

L

xD L

Mật độ dòng điện do lỗ trống sinh ra bên vùng n :

Mật độ dòng (lỗ trống)

nghịch bão hòa

Mật độ dòng quang (lỗ trống)

ở trạng thái dừng


1

Highlight

2 - Photodiode

x < -xp :

Điều kiện đầu : vàp n pon x x n 0pn x

2 2

2 22 2exp exp exp

11

po n o np po p

n nn n

x xL Ln x n x x

L LD L

Nồng độ điện tử “dôi ra” bên phía p :

Mật độ dòng điện do điện tử sinh ra bên vùng n :

exp1p

p

p

p

n po o n

n n

x x

n p

n n

qD n L

n

j x

q

L

Dx

L

j


* r

p p pn x n n

1

Highlight

2 - Photodiode1 - Photodiode p – n

Mật độ dòng tổng cộng lấy ra từ hai biên của vùng nghèo :

' '

exp

2 1exp exp

1

exp exp xp1

1

e1

n ptot dark pho dark dr p n

p npho o p n o n o p

np

pho o p

p no n po

dark

n

p n

n p

qD p qD nj

j j j j j j j

L Lj q x x q x q

j q x xL

xL

L

L

L L

Dòng quang : 2 1

exp exp1 1

tot pho o p n

n p

i j A q A x xL L

Giả thiết rằng, jdark << jpho tot phoj j

1

Highlight

2 - Photodiode

Độ đáp ứng

Thông lượng photon tới : (photon/s).

+

+

_ _

pho

opt

iPhotocurrent

Incident Optical Power P

.optP h

.opt

pho

Pi e e

h

1.24

e e

h hc

(Đơn vị của R : A/W)


1

Highlight

opt

EHP

2 - Photodiode

Hiệu suất lượng tử

Là tỉ số giữa thông lượng của các cặp điện tử - lỗ trống được sinh thành,

tạo ra dòng quang điện và thông lượng của photon tới.

1 1 expR d

pho

opt

i eNumber of EHP generated and collected

Number of incidnet photons P h


2 11 exp exp

1

/ 2 1exp exp

/ / 1

1

1

pho op n

opt

p n

n p

n p

opt

R

i q Ax x

P h

x xL

P h L L

L

1

Highlight

2 - Photodiode

2 11 exp exp

1 1

2 11 exp exp

1 1n n

n p

n

n p

R W

R W x xL L

xL L

Do W khá bé không cao


Tăng bằng cách : • Giảm R

• Tăng W

Hiệu suất lượng tử

1

Highlight


2 - Photodiode

Bề mặt lớp p+ được phủ một lớp

chống phản xạ : giảm R.

Lớp p+ được pha tạp đậm hơn :

ap a n d n p

d

Nx N x N x x

N

Vùng nghèo “ăn” sâu vào trong vùng n.

Bề dày lớp p+ mỏng hơn nhiều so với

lớp n.

1

Highlight

2 - Photodiode

1 2

1/2

2 ( )

2 ( ) 1

o bi a a d

a d

o bi a

d

V V N NW

e N N

V V

e N

Tiếp xúc p+ – n : Na >> Nd

2 - Photodiode p – i – n

1

Highlight

2 - Photodiode2 - Photodiode p – i – n

Giả sử rằng : 1/pd

1

Highlight

2 - Photodiode

Mật độ dòng quang ở mạch ngoài :

Tốc độ sinh thành điện tử - lỗ trống :

Dòng trôi :

Với x > (W + Wp) : phương trình khuếch tán lỗ trống :


pho dr diffj j j

( ) . .expoG x x

0 0

exp 1 exp

W W

dr o oj q G x dx q x dx q W

2

20

n np e

p

p pD G x

x

Dp : hệ số khuếch tán của lỗ trống ; : thời gian sống của lỗ trốngp

1

Highlight

2 - Photodiode

Mật độ dòng khuếch tán lỗ trống :


2

2 20

n n

p p

p G xp

x L D

exp1

p no pn

diff p o

p px W

L p Dpj qD q W q

x L L

1 1exp exp x

0

e pn n

n

o

p

p

p p

W xp

p x

L D

p C W C xL

0n np x W pvà

2

1 2 21

po

p p

LC

D LVới và

Điều kiện biên :

Nghiệm của pt :

Mật độ dòng (lỗ trống)

nghịch bão hòa

Mật độ dòng quang (lỗ

trống) trạng thái dừng

1

Highlight

2 - Photodiode2 - Photodiode p – i – n

Hiệu suất lượng tử :

exp' 1

1pho dr diff o

p

Wj j j q

L

Mật độ dòng quang ở mạch ngoài :

Dòng tổng cộng lấy ra ở mạch ngoài :

exp1

1tot ph ph o

p

WI I j A q A

L

/ exp1 1

/ 1

pho

opt p

I q WR

P h L

* Để cao thì : R nhỏ và1

1W W

1

Highlight

2 - Photodiode

Tốc độ đáp ứng của photodiode

Tốc độ của một photodiode được xác định bởi hai yếu tố :

Thời gian đáp ứng của dòng quang.

Hằng số thời gian RC.

Thời gian đáp ứng được xác định bởi hai yếu tố :

Thời gian cuốn các hạt tải quang (điện tử và lỗ trống) : thời gian

chuyển vận

Thời gian khuếch tán hạt tải được sinh thành bên ngoài tới biên của

vùng nghèo.


tr

1

Highlight

2 - Photodiode

Thời gian chuyển vận

Định lý Ramo :


Qi t v t

W

t t

e-h+

Iphoto(t)

Semiconductor

V

x

l L l

t

vhole

0 Ll

e–h+

0

t

0

Area = Charge = e

evh/L eve /L

photocurrent

ielectron(t)

E

L

e hv

L

e

L

e eh vv

thole

telectron

tholeihole(t)

i (t)

telectron

tholevelectron

iphoto(t)

Ở trạng thái bão hòa :

không đổi,h ev v

h h h

h

h h

e e e

e

e e

Vv E

L

l l Lt

v V

Vv E

L

L l L l Lt

v V

1

Highlight

2 - Photodiode

Thời gian chuyển vận hạt tải qua vùng nghèo :


2

2

h

h h bi a

e

e e bi a

W W

v V V

W W

v V V

1

Highlight

2 - Photodiode

Thời gian khuếch tán lỗ trống từ vùng n đến vùng nghèo


2

22

2 2

p p diff

pndiff

p p

L D

L Llt

D D

exp1

1

exp11

1

tot o

p

ptot

o

WI q A

L

WL

I

q A

Xác định Lp :

1

Highlight

2 - Photodiode

Hằng số thời gian RC

RC S jR C

j

AC

W

Điện dung vùng nghèo

Điện trở nội của photodiode

S

d WR

A

Hằng số thời gian RC của photodiode :

Trường hợp photodiode được mắc vào mạch ngoài có điện trở RL :

RC S L jR R C

Nhận xét : W tăng Cj giảm giảm Tốc độ đáp ứng nhanh.RC

(-)

(+)

xn

-xp

dqN

aqN

x

Mật độ hạt tải

W


1

Highlight

2 - Photodiode

Độ đáp ứng của photodiode pin


1

Highlight

2 - Photodiode

Photodiode dị thể

Ví dụ :


( ) / ( ) / ( )p InP i InGaAs n InP

1550 :

0,75

0,9 /

nm

R A W

1

Highlight

2 - Photodiode3 - Photodiode thác lũ (APD)

1

Highlight

2 - Photodiode3 - Photodiode thác lũ (APD)

Tỉ lệ ion hóa : h

e

k

Hệ số ion hoá của các điện tử αe và của lỗ trống αh là xác

suất của một va chạm giữa một hạt tải điện đã được tăng tốc

và một nguyên tử bán dẫn để sinh ra một cặp điện tử lỗ trống.

1

Highlight

2 - Photodiode

3 - Photodiode thác lũ (APD)

Hệ số nhân thác lũ

Xét trường hợp đơn giản : quá trình thác lũ trong APD chỉ do một

loại hạt tải (điện tử) gây ra.

Trung bình mật độ dòng điện trong khoảng vi phân dx :

Nghiệm của pt :

Hệ số nhân thác lũ :

e e edj x j x dx

0 expe e e mj x j W

exp0

e m

e m

e

j WM W

j

0 0

m mW W

e

e

dj xdx

dx

1

Highlight

2 - Photodiode


Trong trường hợp, quá trình thác lũ do hai loại hạt tải (cả điện tử và

lỗ trống) gây ra.

Giả sử ban đầu chỉ có điện tử được phun vào vùng thác lũ, tức


ee e h h

djj x j x

dx

Xét trong điều kiện trung hòa điện tích và

điều kiện dừng :

e hdj x dj x

dx dx e hj x j x constvà

_ 0h o mj W

( )

ee e h e m e h e m

e h e m

e h e

djj x j W j

j x

x j W j x

j x J W

dx

1

Highlight

2 - Photodiode


1

0 exp exp 1

e e h

e e e h m h e m

j W kM

j W k W k

Với e h

ee e h e m e h e m e h e

djj x j W j x j W j x

dx

Tìm nghiệm je (x)

Với k = 0, tức trường hợp chỉ có điện tử gây ra quá trình thác lũ và Mmax.

Với thì M=1. Khi đó, chỉ có điện tử bị phun vào vùng thác lũ và

không xảy ra sự nhân thác lũ.

Với k = 1, tức . Giải pt , tìm được

k

e he

h e m

dj xj W

dx

0e h e m ej x j W x j1 1

1 1h m e m

MW W

1

Highlight

2 - Photodiode



Mô tả sự phụ thuộc của M vào tích ứng với mỗi giá trị của k

(giả thiết rằng chỉ có điện tử được phun vào vùng thác lũ)

1

Highlight

2 - Photodiode



Trong các thực nghiệm :

1

1

n

R sMDph

P D B

V IRI IM

I I V

Trong đó:

I là tổng dòng đã được nhân

Ip là dòng quang sơ cấp (chưa được nhân)

ID và IMD là dòng tối sơ cấp và dòng tối đã được nhân

VR là điện thế ngược áp vào linh kiện

VB là thế đánh thủng

n là hằng số phụ thuộc vào loại vật liệu bán dẫn chế tạo linh kiện, quá

trình pha tạp và bước sóng bức xạ tới.

Với ánh sáng có cường độ lớn (tức ) và thì giá trị cực

đại của hệ số nhân được xác định bởi biểu thức :P DI I

S BIR V

1

max1

R B

n

R S Bph

P B S

V V

V IR VIM

I V nIR

1

Highlight

2 - Photodiode

Thời gian đáp ứng

Độ đáp ứng


d dm

e h

W W

v v

1.24

o

M eM

h

M

m mm

e h

W W

v v

1

Highlight

Documents

: thanhlam1910 [email protected] sau: ...mientayvn.com/Cao hoc quang dien tu/Semina tren lop/ok_Combine_1788...Đây là bản xem trướccủa tài liệu, một số thông tin và