Photodiode

Xét hai tấm bán dẫn, một thuộc loại N và một thuộc loại P, ghép tiếp xúc nhau.

Tại mặt tiếp xúc hình thành một vùng nghèo hạt dẫn vì tại vùng này tồn tại một điện trường và hình thành hàng rào thế V_b.

Khi không có điện thế ở ngoài đặt lên chuyển tiếp (V=0), dòmg điện chạy qua chuyển tiếp i = 0, thực tế dòng I chính là dòng tổng cộng của hai dòng điện bằng nhau và ngược chiều:

- Dòng khuếch tán các hạt cơ bản sinh ra khi ion hoá các tạp chất (lỗ trong trong bán dẫn loại P, điện tử trong bán dẫn loại N) do năng lượng nhiệt của các hạt dẫn cơ bản đủ lớn để vượt qua hàng rào thế.

- Dòng hạt dẫn không cơ bản sinh ra do kích thích nhiệt (điện tử trong bán dẫn P, lỗ trống trong bán dẫn N) chuyển động dưới tác dụng của điện trường E trong vùng nghèo.

Hình 8.1: Sơ đồ chuyển tiếp P - N và hiệu ứng quang điện trong vùng nghèo

Khi có điện áp đặt lên điôt, hàng rào thế thay đổi kéo theo sự thay đổi dòng hạt cơ bản và bề rộng vùng nghèo. Dòng điện qua chuyển tiếp:

Khi điện áp ngược đủ lớn:

,

chiều cao hàng rào thế lớn đến mức dòng khuếch tán của các hạt cơ bản trở nên rất nhỏ và có thể bỏ qua và chỉ còn lại dòng ngược của điôt, khi đó i = I₀.

Khi chiếu sáng điôt bằng bức xạ có bước sóng nhỏ hơn bước sóng ngưỡng, sẽ xuất hiện thêm các cặp điện tử - lỗ trống. Để các hạt dẫn này tham gia dẫn điện cần phải ngăn cản sự tái hợp của chúng, tức là nhanh chóng tách rời cặp điện tử - lỗ trống. Sự tách cặp điện tử - lỗ trống chỉ xẩy ra trong vùng nghèo nhờ tác dụng của điện trường.

Số hạt dẫn được giải phóng phụ thuộc vào thông lượng ánh sáng đạt tới vùng nghèo và khả năng hấp thụ của vùng này. Thông lượng ánh sáng chiếu tới vùng nghèo phụ thuộc đáng kể vào chiều dày lớp vật liệu mà nó đi qua:

Trong đó hệ số α≈10⁵cm^-1. Để tăng thông lượng ánh sáng đến vùng nghèo người ta chế tạo điôt với phiến bán dẫn chiều dày rất bé.

Khả năng hấp thụ bức xạ phụ thuộc rất lớn vào bề rộng vùng nghèo. Để tăng khả năng mở rộng vùng nghèo người ta dùng điôt PIN, lớp bán dẫn riêng I kẹp giữa hai lớp bán dẫn P và N, với loại điôt này chỉ cần điện áp ngược vài vôn có thể mở rộng vùng nghèo ra toàn bộ lớp bán dẫn I.

Hình 8.2: Cấu tạo điôt loại PIN

- Chế độ quang dẫn:

Sơ đồ nguyên lý (hình 8.3a) gồm một nguồn Es phân cực ngược điôt và một điện trở Rm để đo tín hiệu.

Hình 8.3: Sơ đồ nguyên lý và chế độ làm việc

Dòng ngược qua điôt:

(8.1)

Trong đó I_P là dòng quang điện:

(8.2)

Khi điện áp ngược V_d đủ lớn, thành phần ta có:

Thông thường

Phương trình mạch điện:

Trong đó V_R=R_mI_r cho phép vẽ đường thẳng tải Δ (hình 8.3b).

Dòng điện chạy trong mạch:

Điểm làm việc của điôt là điểm giao nhau giữa đượng thẳng tải Δ và đường đặc tuyến I-V với thông lượng tương ứng. Chế độ làm việc này là tuyến tính, V_R tỉ lệ với thông lượng.

- Chế độ quang thế:

Trong chế độ này không có điện áp ngoài đặt vào điôt. Điôt làm việc như một bộ chuyển đổi năng lượng tương đương với một máy phát và người ta đo thế hở mạch V0C hoặc đo dòng ngắn mạch ISC.

Đo thế hở mạch: Khi chiếu sáng, dòng IP tăng làm cho hàng rào thế giảm một lượng ?Vb. Sự giảm chiều cao hàng rào thế làm cho dòng hạt dẫn cơ bản tăng lên, khi đạt cân bằng Ir = 0.

Độ giảm chiều cao ΔV_b của hàng rào thế có thể xác định được thông qua đo điện áp giữa hai đầu điôt khi hở mạch.

Khi chiếu sáng yếu I_P <<I₀:

Trong trường hợp này V_OC (kT/q=26mV ở 300K) nhỏ nhưng phụ thuộc tuyến tính vào thông lượng.

Khi chiếu sáng mạnh, I_p >>I₀ và ta có:

Trong trường hợp này V_OC có giá trị tương đối lớn (cỡ 0,1 - 0,6 V) nhưng phụ thuộc vào thông lượng theo hàm logarit.

Hình 8.4: Sự phụ thuộc của thế hở mạch vào thông lượng

Đo dòng ngắn mạch: Khi nối ngắn mạch hai đầu điôt bằng một điện trở nhỏ hơn r nào đó, dòng đoản mạch I chính bằng I và tỉ lệ với thông lượng (hình 8.5):

Hình 8.5: Sự phụ thuộc của dòng ngắn

mạch vào thông lượng ánh sáng

Đặc điểm quan trọng của chế độ này là không có dòng tối, nhờ vậy có thể giảm nhiễu và cho phép đo được thông lượng nhỏ.

Đối với bức xạ có phổ xác định, dòng quang điện IP tỉ lệ tuyến tính với thông lượng trong một khoảng tương đối rộng, cỡ 5 - 6 decad. Độ nhạy phổ xác định theo công thức:

Với λ = λ_s.

Độ nhạy phổ phụ thuộc vào λ, hiệu suất lượng tử λ, hệ số phản xạ R và hệ số hấp thụ α.

Hình 8.6: Phổ độ nhạy của photodiode

Người sử dụng cần phải biết độ nhạy phổ dựa trên đường cong phổ hồi đáp S(λ)/S(λ_P) và giá trị của bước sóng λ_P ứng với độ nhạy cực đại. Thông thường S(λ_P) nằm trong khoảng 0,1 - 1,0 A/W.

Hình 8.9: Sự phụ thuộc của độ nhạy vào nhiệt độ

Khi nhiệt độ tăng, cực đại λ_P của đường cong phổ dịch chuyển về phía bước sóng dài. Hệ số nhiệt của dòng quang dẫn có giá trị khoảng 0,1%/^oC.

- Sơ đồ làm việc ở chế độ quang dẫn:

Đặc trưng của chế độ quang dẫn:

+Độ tuyến tính cao.

+ Thời gian hồi đáp ngắn.

+ Dải thông lớn.

Hình 8.9 trình bày sơ đồ đo dòng ngược trong chế độ quang dẫn.

Sơ đồ cơ sở (hình 8.10a):

Hình 8.10: Sơ đồ mạch đo dòng ngược trong chế độ quang dẫn

Khi tăng điện trở R_m sẽ làm giảm nhiễu. Tổng trở vào của mạch khuếch đại phải lớn để tránh làm giảm điện trở tải hiệu dụng của điôt.

Sơ đồ tác động nhanh (hình 8.10b):

điện trở của điot nhỏ và bằng trong đó K là hệ số khuếch đại ở tần số làm việc. Tụ C₂ có tác dụng bù trừ ảnh hưởng của tụ kí sinh C_pl với điều kiện . Bộ khuếch đại ở đây phải có dòng vào rất nhỏ và sự suy giảm do nhiệt cũng phải không đáng kể.

- Sơ đồ làm việc ở chế độ quang thế:

Đặc trưng của chế độ quang thế:

+ Có thể làm việc ở chế độ tuyến tính hoặc logarit tuỳ thuộc vào tải.

+ Ít nhiễu.

+ Thời gian hồi đáp lớn.

+ Dải thông nhỏ.

+ Nhạy cảm với nhiệt độ ở chế độ logarit.

Sơ đồ tuyến tính (hình 8.11a): đo dòng ngắn mạch I_sc.

Trong chế độ này:

Sơ đồ logarit (hình 8.11b): đo điện áp hở mạch V_oc.

Hình 8.11: Sơ đồ mạch đo ở chế độ quang áp