Bài giảng Đầu thu quang điện

ĐẦU THU QUANG ĐIỆNNỘI DUNGMột số khái niệm cơ bảnPINAPDPMTHiệu ứng quang điệnĐầu thu quang điện là thiết bị chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu điện dựa trên hiện tượng quang điện.Đáp ứng của đầu thu quangDòng quang điện tạo ra trong đầu thu quang tỉ lệ với công suất quang đến:R là đáp ứng của đầu thu quang (A/W).Hiệu suất lượng tử- Hiệu suất lượng tử được định nghĩa như sau:Đáp ứng của đầu thu: .Đáp ứng của đầu thu tăng theo bước sóng trong giới hạn xảy ra hiện tượng quang điện.Nếu toàn bộ quang năng hấp thụ chuyển sang điện năng, ta có:Thời gian đáp ứngThời gian đáp ứng là đại lượng để xác định tốc độ mà đầu thu đáp ứng với sự thay đổi của dòng quang năng.Thời gian đáp ứng phụ thuộc chủ yếu vào 2 yếu tố:Thời gian các hạt mang điện tích dịch chuyển ra mạch ngoài (bao gồm thời gian dịch chuyển trong vùng trôi và thời gian khuêch tán của các hạt mang điện được tạo ra ngoài vùng trôi), gọi là thời gian chuyển tiếp τtr.Hằng số thời gian RC của các mạch điện trong đầu thu τRC.Thời gian hạt dịch chuyển trong vùng trôi:Đối với Si, tốc độ lớn nhất của các điện tử khoảng 8.4*106 cm/s khi cường độ điện trường là 2*104 V/m. Nếu độ rộng vùng trôi là 10 μm thì thời gian dịch chuyển là 0.1 ns.Dòng tốiKhi không có ánh sáng tới, nếu đặt vào photodiode một hiệu điện thế ngược vẫn xuất hiện một dòng điện nhỏ gọi là dòng tối:Khi được chiếu sáng, dòng toàn phần bằng tổng của dòng quang điện và dòng tối:Diode thu quang pinDiode thu quang p-i-n thông thường có cấu trúc gồm lớp bán dẫn p và lớp bán dẫn n, giữa 2 lớp bán dẫn p-n này là một lớp i. Lớp i này thường là bán dẫn thuần hoặc hoặc bán dẫn được pha tạp rất ít và có độ dày hơn nhiều so với hai lớp p và n. Vùng lớp I này được gọi là vùng trôi.Độ rộng vùng nghèo w tối ưu phụ thuộc vào việc cân đối giữa tốc độ đáp ứng và độ nhạy của photodiode. Với các bán dẫn có dải cấm không trực tiếp như Si hay Ge, giá trị của w nằm trong khoảng 20 – 50 μm thì có hiệu suất lượng tử hợp lý. Vì vậy, thời gian đáp ứng bị hạn chế do thời gian chuyển tiếp tương đối lớn (>200 ps). Ngược lại, với các bán dẫn có dải cấm trực tiếp như InGaAs, w có thể nhỏ cỡ 3 - 5 μm mà vẫn đảm bảo hiệu suất lượng tử, do đó thời gian chuyển tiếp của photodiode loại này cỡ 10 ps.APDAPD là đầu thu quang điện dựa trên hiện tượng thác lũ.APD có đáp ứng và tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu lớn hơn nhiều các loại photodiode do hiện tượng khuếch đại nội.So với cấu trúc pin, APD có thêm lớp p có điện trở suất cao. Vùng p này được gọi là vùng nhân.Hiệu ứng thác lũ- Phương trình tốc độ:αe, αh được gọi là tốc độ ion hóa do điện tử và lỗ trống gây ra. Nếu điện trường trong vùng nhân là đồng nhất thì chúng là hằng số.- Hệ số nhân:KA = αh/ αe.- APD sẽ tốt hơn trong các trường hợp αe>> αh hoặc αe<< αh .APDSi APDSi APDSi APDPMTPMT dạng trònPMT dạng hộp và lướiPhotocathodeCác vật liệu thường dùng: silver-oxygen-caesium (AgOCs), antimonycaesium (SbCs), and the bi-and trialkali compounds SbKCs, SbRbCs, and SbNa2KCs.DynodeNhững vật liệu làm dynode: alkali antimonide, beryllium oxide (BeO), magnesium oxide (MgO), gallium phosphide (GaP). Chúng được phủ lên đế dẫn điện làm từ nikel, thépCác phương pháp đo