Giới thiệu chung về họ linh kiện bán dẫn thu quang 5
Khái niệm 5
Các photodetector là linh kiện chuyên dụng dùng để thu tách tín hiệu quang, có khả năng đo lường thông lượng và công suất tín hiệu quang Chúng hoạt động bằng cách chuyển đổi năng lượng từ các photon bị hấp thụ thành các dạng năng lượng khác có thể đo được, bao gồm nhiệt năng, quang năng và điện năng.
Trong lĩnh vực công nghệ hiện đại, linh kiện này thường được gọi là sensor quang, là thiết bị nhạy cảm với bức xạ quang Chúng có khả năng thu nhận và chuyển đổi các tín hiệu quang thành tín hiệu điện.
Phân loại 5
2.1- Phân loại theo nguyên lí hoạt động
Về nguyên lí có thể phân ra 2 họ linh kiện với tên thường dùng là: Các detector nhiệt và detector quang điện
Các detector nhiệt hoạt động bằng cách chuyển đổi năng lượng photon thành nhiệt, nhưng quá trình này diễn ra chậm do cần thời gian để chuyển đổi Điều này khiến chúng không phù hợp cho các ứng dụng quang điện tử, nơi yêu cầu sự chuyển đổi nhanh chóng.
Các detector quang điện hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển đổi hiệu ứng quang điện, trong đó sự hấp thụ photon bởi vật liệu bán dẫn tạo ra các cặp điện tử.
- lỗ trống tạo ra tín hiệu quang điện dưới dạng dòng điện hay điện thế có thể đo đƣợc
Hiệu ứng quang điện có hai dạng chính: hiệu ứng quang điện ngoài và hiệu ứng quang điện trong Hiệu ứng quang điện ngoài liên quan đến quá trình phát xạ điện tử từ bề mặt vật liệu khi được chiếu sáng, trong khi hiệu ứng quang điện trong đề cập đến quá trình quang dẫn, nơi các hạt tải bị kích thích không thoát ra khỏi vật liệu mà vẫn nằm trong lòng vật liệu bán dẫn Khi một photon có năng lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm chiếu vào bề mặt bán dẫn, nó sẽ được hấp thụ, kích thích một điện tử từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra một cặp điện tử - lỗ trống Khi có trường điện, các điện tích sẽ chuyển động về hai cực, tạo ra dòng điện quang điện Thông thường, mỗi photon chỉ tạo ra một cặp điện tử - lỗ trống, dẫn đến một dòng điện xác định Tuy nhiên, một số linh kiện thu quang có khả năng khuếch đại dòng quang điện, như phôtôdiôt thác lũ (APD) và quang trở, cho phép dòng điện được khuếch đại nhiều lần nhờ vào cơ chế đặc biệt của chúng.
- Các detector quang điện có ứng dụng rất rộng rãi trong thông tin quang, trong đo lường, biến đổi tín hiệu và trong tự động hoá
2.2- Phân loại theo vùng sóng bức xạ quang
Các photodetector hoạt động trong dải bức xạ của ánh sáng nhìn thấy (0,38 - 0,78 μm), vùng hồng ngoại gần và một phần vùng hồng ngoại trung (0,78 - 15 μm) Nhiều linh kiện thu quang có khả năng tiếp nhận cả ánh sáng nhìn thấy và bức xạ hồng ngoại, làm cho việc xác định độ nhạy tại bước sóng cụ thể trở nên khó khăn Thông thường, photodetector được phân chia thành các nhóm như: linh kiện thu ánh sáng nhìn thấy, detector nhạy ở ba cửa sổ trong vùng hồng ngoại (IR), detector ảnh nhiệt (nhạy trong vùng từ 3 - 12 μm), và các linh kiện thu bức xạ laser ở vùng 1,3 μm và 1,55 μm.
Các linh kiện thu quang được phân loại thành nhiều loại khác nhau, tùy thuộc vào cách phân loại Hiện nay, các linh kiện thu quang với cấu trúc giếng lượng tử và tổ hợp các cấu hình quang điện tử hiện đại đang phát triển mạnh mẽ và ngày càng được ứng dụng rộng rãi.
Họ các linh kiện thu quang bao gồm:
- Tế bào quang điện chân không, bộ nhân quang điện
- Lưới hay ma trận phôtôđiôt
- Các cấu hình phôtôdiôt giếng lƣợng tử, các detector IR
- Các mạch tích hợp thu phát quang điện tử
3- Các vật liệu chế tạo các linh kiện thu quang
Các linh kiện thu quang chủ yếu được chế tạo từ các vật liệu bán dẫn, cho phép chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện Những vật liệu phổ biến trong sản xuất linh kiện thu quang bao gồm Si, Ge, PbSe, InSe, CdSe, GaAs, và HgCdTe, cùng với các tổ hợp của chúng Các vật liệu bán dẫn này được sử dụng để chế tạo photodetector hoạt động hiệu quả ở nhiều dải sóng quang và nhiệt độ khác nhau.
Trong cấu trúc các linh kiện thu quang thường bao gồm vật liệu bán dẫn làm đế và vật liệu màng để làm detector trên đó
Công nghệ bán dẫn hiện nay chủ yếu sử dụng một số vật liệu làm đế như silicon (Si), gallium arsenide (GaAs), germanium (Ge) và indium phosphide (InP) Mặc dù có thể sử dụng các vật liệu bán dẫn khác, nhưng kích thước của chúng thường rất nhỏ do công nghệ chế tạo chưa phát triển hoặc mật độ sai hỏng trong mặt đế còn cao Thêm vào đó, chi phí sản xuất của những vật liệu này cũng thường rất đắt đỏ.
Do đó việc chế tạo các linh kiện thu quang theo ý muốn gặp không ít khó khăn
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
Các vật liệu màng bán dẫn được nuôi trên các vật liệu đế thông qua kỹ thuật epitaxy, cho phép chế tạo các linh kiện tích cực Để đảm bảo hiệu suất, các lớp epitaxy cần có hằng số mạng phù hợp với hằng số mạng của lớp đế Tuy nhiên, trong một số trường hợp, việc nuôi lớp epitaxy không trùng hằng số mạng có thể được thực hiện nhằm tạo ra các sai hỏng, từ đó tạo ra bẫy gần vùng biên tiếp giáp.
3.1- Các vật liệu bán dẫn và detector ứng dụng thông tin đường dài
Các photon với bước sóng 1,3μm và 1,55μm được ứng dụng phổ biến trong thông tin đường dài do mức độ mất mát đường truyền trong sợi quang thấp nhất tại các bước sóng này Linh kiện thu tín hiệu cũng được chế tạo để tối ưu độ nhạy với các bước sóng này Tuy nhiên, vật liệu GaAs không đáp ứng được yêu cầu vì bước sóng cắt của nó chỉ đạt khoảng 0,8μm.
Trong số các bán dẫn hợp chất, hệ bán dẫn InGaAs, InGaAsP, GaAlSb, và HgSdTe có khả năng nhạy cảm với các bước sóng 1,3μm và 1,55μm Vật liệu In0,53Ga0,47As là lựa chọn phổ biến nhất cho linh kiện thu quang, nhờ vào hằng số mạng tương thích tốt với InP, rất phù hợp cho ứng dụng thông tin đường dài.
Linh kiện thu quang chế tạo từ bán dẫn Ge được ứng dụng trong thông tin đường dài Vật liệu này được sử dụng để sản xuất photodiot thác lũ, với độ khuếch đại cao và độ nhạy tốt, nhưng chỉ hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ thấp (77K).
Trong các mạng địa phương (LAN), tín hiệu quang chủ yếu được phát ra từ LED ở bước sóng 0,8 μm, thường được chế tạo từ vật liệu GaAs Tuy nhiên, để giảm chi phí, người ta thường sử dụng linh kiện thu quang silicon loại APD.
3.3- Detector ảnh nhiệt thu sóng dài
Các detector ảnh nhiệt cho nhìn đêm và y học hoạt động trong dải bước sóng rộng từ vài μm đến 20 μm Để đáp ứng nhu cầu này, photodetector cần sử dụng vật liệu bán dẫn có vùng cấm hẹp hoặc các mức sai hỏng trong vùng cấm của cấu trúc dị chất Những vật liệu quan trọng bao gồm hợp chất bán dẫn như HgCdTe, PbTe, PbSe và InSb Ngoài ra, các detector không thuần dựa trên Si và Ge cũng được sử dụng, thông qua việc cấy ion tạp chất để tạo ra sai hỏng trong vùng cấm phù hợp.
Giếng lượng tử đóng vai trò quan trọng trong việc chế tạo detector, hoạt động dựa trên sự tương tác giữa các siêu vùng với mức năng lượng khác nhau trong cấu trúc giếng lượng tử Công nghệ chế tạo vật liệu GaAs/AlGaAs là một lựa chọn hiệu quả cho ứng dụng này.
Công nghệ chế tạo vật liệu bán dẫn với hai, ba hoặc bốn thành phần cho phép sản xuất các vật liệu có hằng số mạng và độ rộng vùng cấm phù hợp, phục vụ cho việc chế tạo detector hiệu quả.
3.4- Các detector tốc độ cao
Các linh kiện bán dẫn thu tín hiệu quang 22
Tế bào quang điện 22
Cấu tạo của một tế bào quang điện đƣợc mô tả nhƣ (hình 3.1)
Trên tấm bán dẫn P, thường sử dụng silicon (Si) hoặc germanium (Ge) với độ dày khoảng 0,3mm, trong khi lớp N được hình thành bằng cách khuếch tán tạp chất acceptor có độ dày từ 0,4 đến 1mm Các miền P và N được kết nối với các điện cực để dẫn điện ra ngoài.
Hình 3.1: Sơ đồ cấu tạo tế bào quang điện
1: Miền kim loại Fe; 2: bán dẫn P; 3: Bán dẫn N; 4: Kim loại mờ Au;
5: vòng kim loại tiếp xúc; 6: dây dẫn ở các đầu ra
Tế bào quang điện là một loại phôtôdiôt hoạt động mà không cần điện áp nguồn Khi photon chiếu vào bề mặt tinh thể của tiếp xúc P-N, một phần năng lượng sẽ bị phản xạ, trong khi phần còn lại được mạng tinh thể hấp thụ, kích thích các nguyên tử và tạo ra cặp điện tử - lỗ trống Điện thế khuếch tán khiến các điện tử di chuyển từ miền P sang miền N và các lỗ trống từ miền N sang miền P, dẫn đến sự tích tụ điện tử ở miền N và lỗ trống ở miền P Khi điện trường hình thành từ sự phân bố này đạt trạng thái cân bằng động, tế bào quang điện sẽ tạo ra hiệu điện thế giữa các vùng P và N, từ đó cung cấp dòng điện cho mạch ngoài.
Hiệu suất của sự biến đổi quang năng thành điện năng có thể đƣợc xác định theo biểu thức:
- IUR: là công suất tải và trên tải
- Pas: Công suất ánh sáng chiếu vào
Sự tổn hao năng lượng trong quá trình chuyển đổi ánh sáng thành điện năng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, chủ yếu là tổn hại do phản xạ ánh sáng và sự hấp thụ của các pha dẫn mà không tạo ra cặp điện tử - lỗ trống Bên cạnh đó, quá trình này còn gặp phải sự tổn hao do tái hợp hạt dẫn và các hạt dẫn không thể đến được miền điện tích không gian.
Hiệu suất biến đổi của 1 số vật liệu hiện nay quá thấp, ví dụ tế bào quang điện lưu huỳnh - tati khoảng 1,1%, của Selen khoảng 0,1%
1.3- Những đặc tính quan trọng của tế bào quang điện
Đặc tuyến vôn - ampe của tế bào quang điện tương tự như đặc tuyến của lớp chuyển tiếp P - N khi được chiếu sáng ở góc phần tư thứ tư Mỗi mức độ chiếu sáng sẽ tạo ra một điểm cắt trên trục tung tương ứng với dòng ngắn mạch và trên trục hoành tương ứng với điện áp hở mạch (IΦ, UΦ) Từ đó, có thể vẽ đường tải khi biết điện trở tải, đường tải này sẽ là một đường thẳng đi qua gốc tọa độ và tạo với trục hoành một góc α Giao điểm giữa đường tải và đặc tuyến vôn - ampe được gọi là điểm công tác (điểm A trên hình 3.2).
Từ điểm công tác, có thể xác định dòng điện I trong mạch ngoài và điện áp U_R trên hai đầu điện trở Diện tích hình chữ nhật giữa hai trục tọa độ chính là công suất mà tế bào quang điện cung cấp cho mạch ngoài.
Ta có sự liện hệ giữa dòng điện chạy ở mạch ngoài và điện áp trên hai cực của tải R t đƣợc biểu diễn:
I = I0 exp(eU/kT)-1I (3.2) Trong đó:
- U: điện áp trên 2 cực của chuyển tiếp P-N
Ta có: U = UR = I.Rt UR = (KT/e)ln
Từ biểu thức trên thu đƣợc đặc tuyến vôn ampe nhƣ (hình 3.2)
Hình 3.2 Đặc tuyến vôn - ampe của tế bào quang điện
1.3.2- Đặc tuyến năng lượng của tế bào quang điện Đặc tuyến năng lƣợng của tế bào quang điện có thể đƣợc mô tả nhƣ (hình
Khi Rt = 0, tức là trong trường hợp ngắn mạch, mối quan hệ giữa I và Φ là tuyến tính ở mức năng lượng chiếu sáng thấp Tuy nhiên, khi năng lượng chiếu sáng tăng lên, mối quan hệ này trở nên không còn tuyến tính do ảnh hưởng của điện trở bản thân của chuyển tiếp P-N và điện trở tương đương nối tiếp của hai miền P và N.
U oc là đường biểu diễn mối quan hệ U oc = f(), khi R t = 0
Hình 3.3 Đặc tuyến năng lượng Hình 3.4 Đặc tuyến tần số
Đặc tuyến tần số của tế bào quang điện mô tả quán tính của nó khi nhận ánh sáng chiếu vào Tần số ở đây là tần số giao động điều chế cường độ ánh sáng Khi tần số điều chế tăng, độ nhạy của tế bào quang điện sẽ giảm, và sự giảm này phụ thuộc vào cân bằng số thời gian tích điện cho tụ điện chuyển tiếp P-N.
Quang trở 26
Quang trở là linh kiện bán dẫn đơn giản nhất, có khả năng thu tín hiệu quang bằng cách biến đổi điện trở theo mức độ ánh sáng chiếu vào Cấu tạo của quang trở bao gồm một khối bán dẫn pha tạp nhạy sáng, có độ dẫn suất thay đổi rõ rệt khi có ánh sáng Phiến bán dẫn này có thể là đa tinh thể hoặc đơn tinh thể, tùy thuộc vào mục đích ứng dụng Bề mặt của nó được mạ kim loại để kết nối với điện cực bên ngoài, và toàn bộ phiến được bọc trong vỏ kim loại hoặc chất dẻo, có cửa sổ trong suốt để ánh sáng có thể chiếu vào.
Hình 3.5 a- biểu diễn sự phát Hình 3.5 b- Mạch điện nguyên lí sinh cặp điện tử - lỗ trống của quang trở và tín hiệu
Hình 3.5 c- Cấu trúc thực của quang trở có đế cách điện 2.2- Nguyên lí hoạt động
- Khi không chiếu sáng thì “độ dẫn tối” của quang trở là:
- n, p:là độ linh động của điện tử và lỗ trống của chất bán dẫn
- n0, P0: là nồng độ điện tử và lỗ trống khi không có ánh sáng chiếu vào
Khi chiếu một chùm sáng có năng lượng lớn hơn độ rộng vùng cấm của bán dẫn, các vùng hóa trị sẽ chuyển dời lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử - lỗ trống Những cặp hạt tải này có khả năng tham gia vào quá trình dẫn điện, thông qua việc hấp thụ photon và tạo ra cặp điện tử - lỗ trống Sự gia tăng số lượng hạt tải dƣ, Δn = Δp, dẫn đến sự tăng độ dẫn điện của bán dẫn.
Giả sử độ dài của quang trở là L, ta có thời gian bay của điện tử trong tinh thể là: tn n
Khi có điện thế tạo ra điện trường E, độ lớn của dòng quang điện là: p p
Với A là điện thế, G L là tốc độ kích quang, I L là dòng quang điện sinh ra trong mạch ngoài
Khi chƣa có khuếch đại, dòng quang điện đƣợc gọi là dòng quang điện cơ bản và có công thức là:
Do đó độ khuếch đại của linh kiện là:
Từ ngày 3 tháng 10, nhận thấy rằng khi tần số (p) tăng và thời gian sống (tn) giảm, hệ số khuếch đại sẽ tăng lên Các linh kiện có khả năng khuếch đại đến hàng nghìn lần khi thời gian sống của điện tử kéo dài và kích thước của phần bán dẫn được thu hẹp.
Khi được lắp vào mạch kín, quang trở hoạt động như một điện trở, cho phép điều khiển dòng điện thông qua việc thay đổi độ dẫn suất bằng cách điều chỉnh công suất chiếu sáng Để tối ưu hóa hiệu quả sử dụng quang trở và phát huy đúng vai trò của nó, cần nắm rõ các đặc tính quan trọng của thiết bị này.
2.3- Các đặc tuyến quan trọng của quang trở
Quang trở có 3 đặc tuyến chủ yếu đó là: đặc tuyến vôn - ampe, đặc tuyến năng lƣợng dòng sáng, đặc tuyến điện trở (hình 3.6 a,b,c)
Mối quan hệ giữa dòng điện qua điện trở quang và điện áp giữa hai đầu của nó phụ thuộc vào mức độ chiếu sáng, thường được đo bằng lm/m² hoặc lux Khi không có ánh sáng (Φ = 0), vẫn có dòng điện chạy qua điện trở quang, gọi là dòng tối I L, do các hạt dẫn sinh ra trong bán dẫn dưới tác động của nhiệt độ Khi chiếu sáng với cùng một điện áp, dòng điện qua điện trở quang tăng lên và trở thành dòng tổng, từ đó xác định được dòng sáng.
2.3.2- Đặc tuyến năng lượng dòng sáng
Mối quan hệ giữa cường độ dòng sáng và năng lượng ánh sáng chiếu vào khi điện áp không đổi ở hai đầu điện trở quang cho thấy rằng, trong giai đoạn đầu, khi năng lượng chùm sáng còn nhỏ, mối quan hệ này gần như tuyến tính Tuy nhiên, khi năng lượng chùm sáng tăng lên, mối quan hệ trở nên phi tuyến tính Hiện tượng này xảy ra do nồng độ hạt dẫn tăng lên dẫn đến tốc độ tái hợp cũng gia tăng, làm giảm thời gian sống của hạt tải và khiến cường độ dòng sáng tăng chậm lại.
Mối quan hệ giữa điện trở và năng lượng của các dụng cụ chịu ảnh hưởng từ chùm sáng là rất quan trọng, như thể hiện trong hình 3.6c Đặc tuyến này thường gặp và có nhiều ứng dụng thực tiễn.
2.4- Ứng dụng của quang trở
Quang trở hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện, mang lại nhiều ứng dụng quan trọng trong thực tế Nó được sử dụng trong các mạch điện thu tín hiệu quang, hệ thống báo động, đóng ngắt mạch điện, cũng như trong đo đạc, điều khiển và tự động hóa.
3.1- Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động
Pin mặt trời là thiết bị chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện, được cấu tạo từ việc ghép nối các tế bào quang điện Nguyên tắc hoạt động của pin mặt trời tương tự như tế bào quang điện, cho phép biến đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng hiệu quả.
Cấu tạo của pin mặt trời bao gồm nhiều tế bào quang điện được ghép lại với nhau, tạo thành modul pin quang điện Để tối ưu hóa việc thu nhận ánh sáng, việc ghép nối các tế bào này là rất quan trọng Tùy thuộc vào yêu cầu về điện áp, các modul có thể được kết nối theo kiểu nối tiếp hoặc song song để phục vụ nhu cầu sử dụng.
Hình 3.7a- Pin mặt trời loại Silic
3.2- Hiệu suất của pin mặt trời
Hiệu suất pin mặt trời được tính bằng tỷ lệ giữa công suất tối đa mà nó phát ra khi tải hoạt động và công suất ánh sáng từ tia mặt trời chiếu đến.
Hiệu suất của pin mặt trời bị ảnh hưởng bởi độ cao và sự suy giảm ánh sáng mặt trời khi đi qua tầng khí quyển Chỉ số Am (Air mass) được sử dụng để xác định mức độ suy giảm này, với giá trị Am0 là 135 mw/cm² ở không gian và Am1 là 106 mw/cm² khi mặt trời ở thiên đỉnh tại độ cao mặt biển Khi có mây, giá trị ánh sáng mặt trời có thể giảm xuống chỉ còn 12 mw/cm².
Hiệu suất của pin mặt trời phụ thuộc vào nhiều yếu tố như điện trở của vật liệu bán dẫn, sự phản xạ ánh sáng, và quá trình tái hợp trong vùng điện tích không gian và vùng dẫn Hiện tại, mẫu pin có hiệu suất tốt nhất đạt khoảng 24,2%, trong khi hầu hết các pin chỉ có hiệu suất từ 8 đến 14% Silic và các hợp chất của nó là loại bán dẫn chủ yếu được sử dụng trong chế tạo pin mặt trời, nhờ vào độ ổn định cao và khả năng giảm thiểu mất mát do phản xạ, đồng thời Silic là vật liệu phổ biến và đã được phát triển kỹ thuật sản xuất.
3.3- Đặc tuyến vôn - ampe của pin mặt trời
Công thức liên hệ giữa I - V trong pin mặt trời có dạng:
Trong đó: V ph là điện thế do hạt tải cơ bản sinh ra, Iph là dòng quang điện sinh ra do ánh sáng, IS là dòng bão hoà
Từ công thức (3.12) đặc tuyến vôn - ampe đƣợc biểu điễn trên (hình 3.7b) Khảo sát đặc tuyến ta thấy đối với pin mặt trời khi năng lƣợng chiếu sáng cỡ
100wm/cm 2 , khi pin ngắn mạch I0 = 50mA, còn Uoc = 0,5V, điểm làm việc cho công suất cực đại là điểm uốn của các đặc tuyến
Hình 3.7b - Đặc tuyến vôn - ampe của pin mặt trời
Phôtôdiôt đƣợc cấu tạo trên cơ sở chuyển tiếp P-N Lƣợc đồ cấu trúc của phôtôdiôt P-N đƣợc biểu diễn nhƣ sau:
Để tạo ra lớp chuyển tiếp P-N trong photodiot, có nhiều phương pháp công nghệ khác nhau Trước năm 1960, quá trình chế tạo chủ yếu dựa vào việc thay đổi tạp chất loại n hoặc loại p trong quá trình nuôi tinh thể Sau những năm 1960, các kỹ thuật mới đã được phát triển để cải thiện hiệu suất và chất lượng của photodiot.
1970 chế tạo bằng công nghệ hợp kim, sau này chế tạo bằng phương pháp khuếch tán hay cấy ion vào bán dẫn
Lớp bán dẫn được hình thành qua quá trình khuếch tán có bề mặt mỏng dưới 1µm đối với silicon, với nồng độ pha tạp thấp, cho phép ánh sáng thâm nhập sâu vào lòng lớp tiếp giáp.
- Có cửa sổ để ánh sáng có thể chiếu vào qua cửa sổ
- Bề mặt chế tạo sao cho sự phản xạ nhỏ nhất nhờ lớp bảo vệ oxit silic
- Phôtôdiôt luôn phân cực ngƣợc
- Lớp nghèo lan ra không rộng lắm
- Đế tương đối dày cỡ: 80 - 160 (m)
Hình 3.8 b- Cấu trúc của photodiot P - N điển hình
Khi ánh sáng chiếu vào bán dẫn xảy ra 3 trường hợp sau:
- Khi photon có năng lƣợng hv = Eg sẽ hấp thụ tạo ra cặp e - h
- Khi h Eg cũng có thể tạo ra cặp e - h, khi có mức năng lƣợng trong vùng cấm để điện tử nhảy lên nó
- Khi h Eg tạo ra e - h, nếu còn năng lƣợng thừa thì sẽ đƣợc chuyển sang năng lƣợng nhiệt làm nóng tinh thể
Phototransitor 42
Phototransistor có cấu tạo gồm 3 lớp như transistor thông thường, nhưng có một điện tích thích hợp ở miền cực gốc B để nhận ánh sáng qua cửa sổ Tương tự như transistor thông thường, phototransistor cũng có hai loại cấu trúc chính là P-NP và NP-N.
Nguyên lý hoạt động của phototransistor bắt đầu khi bazơ chưa được chiếu sáng, dẫn đến dòng tối I o rất nhỏ Các hạt dẫn mang điện tích dương tích tụ từ miền điện tích không gian chuyển tiếp emitơ (đối với cấu trúc P-NP) hoặc hạt điện tích âm (đối với cấu trúc NP-N) Khi có ánh sáng chiếu vào, các cặp điện tử - lỗ trống được tạo ra trong vùng bazơ, dẫn đến việc khuếch tán các hạt mang điện tích không cơ bản vào các lớp chuyển tiếp emitơ và colectơ Đồng thời, các hạt mang điện cơ bản từ miền emitơ cũng được phun sang miền bazơ, tham gia vào dòng colectơ cùng với những hạt mang điện không cơ bản đã đi qua miền này.
Gọi K là hệ số khuếch đại dòng sáng của phototransistor thì dòng tổng chạy qua cực của colectơ khi chiếu sáng là:
Phototransistor có cấu trúc NP-N hoặc P-NP, với các thành phần chính bao gồm ôxit bảo vệ và mặt trong suốt Độ khuếch đại của phototransistor đạt từ 100 đến 400 lần, vượt trội hơn so với phôtôdiôt Tuy nhiên, phototransistor có dòng tối lớn và độ dày của bazơ lớn, dẫn đến thời gian làm việc chậm hơn nhiều so với phôtôdiôt, với tần số làm việc tối đa chỉ đạt vài trăm kHz, trong khi phôtôdiôt có thể hoạt động ở tần số lên đến vài chục MHz Đặc tuyến vôn-ampe của phototransistor có hình dạng đặc trưng riêng.
Hình 3.18- Đặc tuyến vôn - ampe của phototransistor
Đặc tuyến của phototransistor tương tự như đặc tuyến ra của transistor thông thường mắc EC, nhưng thay vì sử dụng dòng Ib, tham số chính là lượng chiếu sáng Các đặc tuyến của phototransistor, giống như photođiôt, bao gồm các tham số quan trọng như hệ số khuếch tán K, độ nhạy dòng (biến đổi cường độ dòng điện đầu ra theo độ biến đổi cường độ chiếu sáng), độ nhạy áp, thời gian đáp ứng và tần số làm việc.
Phototransistorđƣợc ứng dụng rất rộng rãi trong lĩnh vực quang điện tử, vì chúng có độ khuếch tán khá lớn
Phôtôđiôt Schottky có cấu trúc đặc biệt với chuyển tiếp kim loại - bán dẫn thay vì chuyển tiếp P-N truyền thống Loại phôtôdiôt này hoạt động dựa trên hiện tượng xảy ra ở vùng chuyển tiếp Schottky giữa lớp kim loại và bán dẫn Cấu tạo của phôtôdiôt Schottky bao gồm bán dẫn silicon loại N được phủ một lớp kim loại mỏng (vàng) khoảng 0,01μm, sau đó là lớp điện môi trong suốt ZnS Sự khác biệt về hệ số chiết quang giữa Si, Au và ZnS khiến một phần ánh sáng bị phản xạ, chỉ một phần xuyên qua lớp kim loại vào bán dẫn Khi bước sóng ánh sáng phù hợp và năng lượng photon thỏa mãn điều kiện hν > Eg, photon sẽ được hấp thụ tại gần bề mặt tinh thể silicon, tạo ra các cặp điện tử- lỗ trống Những điện tử này sẽ được điện trường tại tiếp xúc kim loại - bán dẫn cuốn đi, tạo thành dòng điện.
Hình 3.19- Cấu trúc của phôtôdiôt
Kết luận, bài viết đã trình bày về các dụng cụ bán dẫn được sử dụng để thu tín hiệu quang, cung cấp cho bạn đọc những thông tin cơ bản và có hệ thống về vai trò của chúng trong lĩnh vực thu nhận tín hiệu trong hệ thống thông tin quang, đang ngày càng phổ biến hiện nay.
Bài viết đã tổng quan về họ linh kiện bán dẫn thu tín hiệu quang, bao gồm các phương pháp phân loại, nguyên lý hoạt động và các linh kiện cụ thể được sử dụng để chế tạo thiết bị thu quang trong các khoảng cách truyền dẫn khác nhau.
Bài viết đã phân tích các thông số quan trọng của thiết bị bán dẫn thu tín hiệu quang, bao gồm thời gian đáp ứng, sự hấp thụ quang trong chất bán dẫn, độ nhạy phổ, hiệu suất lượng tử, tỷ số tín hiệu trên nhiễu và độ phân giải của các dụng cụ thu quang.
Bài viết đã trình bày một số dụng cụ bán dẫn thu tín hiệu quang tiêu biểu như tế bào quang điện, quang trở, phôtôđiôt và phototransistor Đồng thời, nó cũng đề cập đến cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các thông số ảnh hưởng đến đặc trưng của những dụng cụ này.
Trong khuôn khổ luận văn tốt nghiệp đại học, chúng tôi kỳ vọng rằng luận văn này sẽ trở thành tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên chuyên ngành.
