Các phổ đáp ứng của Si và InGaAs như hình 4.11.
Hình 4.11. Phổđápứng của Si và InGaAs
Si và InGaAs có ηmax = 0,8. Từ đó suy ra, ở λ = 0,8 μm, R = 0,5 A/W. Đối với InGaAs ở bước sóng 1,7μm, η = 80%. Suy ra R = 1,1 A/W. Đối với InGaAs ở bước sóng 1,3μm, η = 70%. Suy ra R = 0,77 A/W. Đặc tuyến V-I.
Đặc tuyến V-I của photodiode Si có R = 0,5 A/W đượcvẽ như hình 4.12.
Hình 4.12. Đặc tuyến V-I của photodiode Si với R = 0,5 A/W
Dòng tối sinh ra do nhiệt tạo ra các hạt mang điện, do đó nó còn có tên gọi là dòng rỉ phân cực ngược. Nếu tín hiệu quang nhỏ thì dòng photon nhỏ nên có thể không phát hiện được tín hiệu này vì dòng photon nhỏ đã bị dòng tối che lấp mất.
Ví dụ 4: Hãy xác định công suất nhỏ nhất có thể phát hiện được của PIN diode, có R = 0,5A/W và ID =1nA
Giải
Giả sử chúng ta có thể phân biệt được sự hiện diện của công suất quang khi dòng tín hiệu tạora bằng với dòng tối. Do đó: P = Ip /R = 2nA
4.2.3. Photodiode APD
APD là bộ tách sóng mối nối bán dẫn, có độ lợi nội (internal gain) và độ lợi nội này làm tăng đáp ứng so với PN photodiode hay PIN photodiode. Người ta chế tạo ADP gồm bốn lớp: P+π P N+.
Hình 4.13. Cấu trúc bán dẫn của APD
• P+ N+ là hai lớp bán dẫn có nồng độ tạp chất cao, nên điện trở của hai vùng này nhỏ, do đó áp rơi rất nhỏ.
• π là vùng có nồng độ tạp chất rất ít vàgần như tinh khiết. Nó giống như lớp I của PIN. Hầu như tất cả các photon bị hấp thu trong vùng này, và tạo ra các cặp lỗ trống - điện tử tự do.
Sự nhân dòng theo cơ chế thác lũdiễn ra như sau:
• Dưới tác dụng của nguồn phân cực ngược, sự phân bố cường độ điện trường trong các lớp bán dẫn như hình 4.14. Trong đó trường vùng tiếp giáp PN+ cao nhất, quá trình nhân điệntử xảy ra ở vùng này. Vùng này còn được gọi là vùng “thác lũ”.
• Khi có ánh sáng chiếu vào, các photon bịhấp thụ trong lớp π, tạo các cặp e-p (electron- lỗ trống). Dưới sự định hướng của điện trường ngoài, các lỗ trống di chuyển về phía P+ (nối cựcâm của nguồn) còn các điện tử di chuyển về phía tiếp giáp PN+. Điện trường cao trong vùng tiếp giáp PN+ sẽ tăng tốc cho điện tử. Khi những điện tử này đập vào các nguyên tử tinh thể bàn dẫn tạo ra thêm các cặp điện tử và lỗ trống mới. Những hạt mang điện mới này được gọi là những hạt mang điện thứ cấp (secondary charge). Những hạt mang điện thứ cấp này bản thân nó được tăng tốc và tạo ra nhiều hạn mang điện thứ cấp khác. Quá trình cứ tiếp diễn và số lượng hạt mang điện được tạo ra rất nhiều. Quá trình này được gọi là quá trình nhân thác lũ. Lực tăng tốc phải đủ mạnh, và đạt được điều này khi áp phân cực ngược lớn, có khi lên đến vài trăm volt. Với áp phân cực ngược vd, hệ số nhân thác lũ tương ứng với vd gần bằng:
1 1 ( / )n d BR M v V = − (4.23)
Với VBR là áp đánh thủng phân cực ngược của diode. VBR = 20 ÷ 500V n là thông số được xác định theo thực nghiệm n >1.
Dòng đượctạo ra của ADP với hệ số nhân M (Mcòn được gọi là độ lợi):
0 0 0 P M eP M e P I hf hC = = (4.24)
η: hệ suất lượng tử khi M = 1. Từ đây suy ra: 0 0 P I M e M e R P hC hf = = = (4.25)
Giá trị điển hình của R = 20 ÷ 80 A/W
M của ADP phụ thuộc vào nhiệt độ, thường M giảm khi nhiệt độ tăng. Đồng thời M cũng thayđổi khi áp phân cựcngược thay đổi.
Hình 4.15. Hệ sốnhân M thay đổi theo nhiệt độ và áp phân cực ngược
Nguyên nhân: đường đi trung bình tự do giữa những lần va chạm sẽ nhỏ hơn khi nhiệt độ cao hơn. Những hạt mang điện không có cơ hội đạt được vận tốc caocần thiết để tạo ranhững hạt thứ cấp.
4.3. Đặc tính kỹ thuật của Photodiode 4.3.1. Độ nhạy 4.3.1. Độ nhạy
Độ nhạy đã được định nghĩa ở mục trên. Theo nguyên lý hoạt động của PIN và APD thì ADP nhạy hơn PIN. Độ nhạy của ADP lớn hơn PIN từ 5 đến 15 dB. Tuy nhiên nếu dùng PIN-FET thì độ nhạy của PIN-FET và ADP là xấp xỉ nhau. Bảngdưới đây trình bày độ nhạy của một số linh kiện ở các bước sóng hoạt động: