Đềtéctơ Quang học bằng Bán dẫn

tương đương của hai điện trở mắc song song Rp và RL. Thí dụ : Đối với một điốt quang có tiết diện của vùng ZCE là: A = 1 mm2, được pha tạp với mật độ 1015 cm-3 và được áp với hiệu thế VD – V = 10V ; ta có bề rộng của vùng ZCE là: W = 3,6 µm và điện dung chuyển tiếp là 30pF. Nối với một điện trở phụ tải có giá trị 50Ω, điốt quang này có tần số cắt bằng: 1/2πRC = 110 MHz. ● Hằng số thời gian tương ứng với di chuyển của các hạt tải điện trong vùng điện tích không gian ZCE (tt). Hằng số thời gian này được đặc trưng bằng: tt = appV w µ ; trong đó w là bề rộng của vùng ZCE, µ là độ linh động của các hạt quang tải điện và Vapp là hiệu thế phân cực. Hằng số này có giá trị nhỏ nhất trong ba hằng số liên hệ đến đáp thời của linh kiện. Thực vậy, bề rộng vùng điện tích không gian ZCE trải dài khoảng 1 µm khi điốt quang được áp một điện thế phân cực chừng Vapp=1V, nghĩa là một điện trường trung bình bằng 104 V/cm. Ngay đối với một vật liệu bán dẫn mà các hạt tải diện có độ linh động thấp, chẳng hạn µ = 100 cm2/V/s (giá trị này tương ứng với vận tốc di chuyển chừng 106 cm/s), nghĩa là tương ứng với một thời gian di chuyển của hạt tải điện trong vùng ZCE bằng 100 ps, hay một tần số cắt chừng 10 GHz. Đáp ứng thời gian của linh kiện là tổ hợp của ba hằng số thời gian mà biểu thức gần đúng có thể viết là [10]: ( ) 2/12t2RC2d t t t t ++≈ (III.21) Hai hằng số thời gian đầu tiên tạo ra các giới hạn không chấp nhận được với việc đo các tín hiệu quang biến điệu nhanh, như trong trrường hợp của truyền thông quang học tốc độ cao mà dải truyền qua cần thiết phải lớn hơn GHz. Đối với các loại ứng dụng này ta cần phải dùng điốt quang p-i-n. III.3.2 Điốt quang p-i-n Hình III.9 : Sơ đồ của một điốt quang p-i-n : (a) cấu trúc của điốt quang p-i-n ; (b) giản đồ vùng năng lượng ; (c) đường biểu diễn sự tạo cặp bằng kích thích quang học và (d) cấu hình tiêu biểu của một điốt quang p-i-n ________________________________________________________________________________ NGUYỄN CHÍ THÀNH - Đềtéctơ quang học bán dẫn – Lớp học chuyên đề Đồ Sơn – Tháng 11 năm 2004 245 Chúng ta thấy rằng trong một điốt quang dùng bộ tiếp giáp p-n, sự giới hạn bề rộng của vùng điện tích không gian ZCE là một yếu tố đóng góp vào hạn chế của dòng quang điện và của dải truyền qua của linh kiện. Để làm tăng bề rộng của vùng ZCE, trong cấu trúc của một điốt quang p-i-n, người ta chen vào giữa hai vùng pha tạp p và n của bộ tiếp giáp một chất bán dẫn nội bẩm (chữ i trong từ p-i-n là viết tắt của chữ intrinsèque/ nội bẩm) rất ít pha tạp. Bề rộng của vùng ZCE, dưới chế độ phân cực ngược, trải rộng trên suốt vùng i, và sự tạo cặp bằng kích thích quang học xảy ra chủ yếu trong đó (hình III.9.a và b). Cấu trúc này có những ưu điểm sau: - Nó có một điện dung chuyển tiếp Ct = Aε/W thấp và do đó tạo nên một tần số cắt khá cao. - Vì rằng vùng điện tích không gian ZCE rất rộng, trải dài đến khá sâu trong vùng trung hoà n (αW >> 1, vùng khuếch tán hạt tải điện được giảm thiểu rất nhiều), do đó sự đóng góp của dòng điện khuếch tán Jdiff cũng như thời gian sống τ của các hạt quang tải điện là không đáng kể (thời gian sống này liên quan đến sự tái hợp các hạt tải điện trong các vùng khuếch tán). Như vậy ta có thể bỏ qua sự đóng góp của hằng số thời gian tương ứng với dòng điện khuếch tán vào đáp ứng thời gian của đềtéctơ. Phản ứng năng động của linh kiện do đó chủ yếu được quyết định bởi dòng điện tạo cặp JG. Nguyên lý vận hành của điốt quang p-i-n tương tự với nguyên lý vận hành của điốt quang dùng bộ tiếp giáp p-n ; điều khác biệt là độ rộng của dải truyền trong điốt quang p-i-n rất lớn. Thí dụ : Trong một điốt quang p-i-n có tiết diện tiếp giáp A = 0,01 mm2, có bề rộng vùng ZCE (là vùng i) W=10 µm sẽ cho một điện dung chuyển tiếp là Cd = 0,1 pF. Nối linh kiện với một điện trở phụ tải R = 50 Ω, điốt quang này sẽ có một tần số cắt fc = 1/2πRCd bằng 30 GHz. Điện thế phân cực có độ lớn chừng (VD – Vapp) = 100 V , điện thế này tạo ra trong vùng ZCE một điện trường E = 102 V/ 10µm = 105 V/cm. Điện trường này đẩy các hạt tải điện có độ linh động chừng µ = 100 cm2/V/s chuyển động với vận tốc 107 cms-1. Vận tốc này tương ứng với thời gian chuyển động trong vùng ZCE là τt = 100 ps, nghĩa là điốt quang có một tần số cắt chừng 10 GHz. Chúng ta thấy rằng trong thí dụ này thời gian chuyển động của các hạt quang tải điện trong vùng điện tích không gian là yếu tố hạn chế của dải truyền qua. Như vậy, ta không thể tăng bề rộng W của vùng ZCE mà không làm hạn chế độ rộng dải truyền qua của đềtéctơ. Thế thì cần phải chọn một giải pháp thỏa hiệp tốt giữa điện dung chuyển tiếp Cd và thời gian chuyển động của các hạt quang tải điện τt trong vùng điện tích không gian để có thể tăng độ rộng dải truyền qua của đềtéctơ. III.3.3 Điốt quang dùng hiệu ứng nhân điện (photodiode à avalanche/ avalanche photodiode) Trong một điốt quang dùng hiệu ứng nhân điện (sau đây gọi tắt là điốt quang nhân điện) người ta sử dụng hiện tượng nhân điện đối với các cặp điện tử-lỗ trống để khuếch đại số hạt quang tải điện được tạo ra và do đó khuếch đại đáp ứng của đềtéctơ quang học. a) Vận hành của điốt quang nhân điện Hình III.10 : Cơ chế nhân điện trong bộ tiếp giáp p-n (theo [5]) Sơ đồ cơ chế của hiệu ứng nhân điện trong một điốt quang p-i-n được trình bày trên hình III.10. Bộ tiếp giáp p-n (hay p-i-n) của điốt quang được phân cực ngược với một hiệu thế cao (nhưng thấp hơn hiệu thế đánh thủng – tension de claquage/ breakdown voltage - của bộ tiếp giáp). Hiệu thế cao này tạo ra một bề rộng khá lớn của vùng ZCE và đồng thời cũng tạo ra một điện trường rất mạnh trong vùng này. Một photon hấp thụ ở điểm A tạo ra một cặp điện tử-lỗ trống bằng chuyển dịch điện tử A → B (điện tử B ở trong vùng dẫn và lỗ trống A ở trong vùng hoá trị). Hai hạt quang tải điện này được đặt trong điện trường rất mạnh và do đó chúng lập tức được gia tốc. Với sự gia tốc này, điện tử B thu được một động năng quan trọng trong lộ trình của nó, và như vậy năng lượng toàn phần của điện tử này lớn hơn năng lượng ở đáy của vùng dẫn. Thế nhưng, lộ trình của hạt điện tử bị gián đoạn do va chạm ngẫu nhiên với mạng tinh thể, chẳng hạn ở điểm C. Ở điểm này, điện tử chia bớt một phần năng lượng của nó cho mạng tinh thể. Năng lượng chuyển giao này lớn hơn độ rộng của vùng cấm và đủ sức để ion hoá nguyên tử, tạo nên chuyển dịch điện tử F → E. Một cặp điện tử-lỗ trống thứ cấp như vậy được sinh ra, và đến lượt chúng được gia tốc bởi điện trường, đồng thời với điện tử sơ cấp. Điện tử sơ cấp này, sau khi chuyển giao bớt năng lượng ở điểm C, «rơi» xuống điểm D và tiếp tục được gia tốc trên một lộ trình mới. Lỗ trống sinh ra ở điểm F được gia tốc theo chiều ngược lại và bằng va chạm với mạng tinh thể ở điểm G, tạo nên chuyển dịch điện tử H → I, dẫn đến kết quả là lần này một cặp điện tử-lỗ trống mới khác được sinh ra. Lần nữa, cặp hạt tải điện này lại được gia tốc dưới điện trường và tham gia vào quá trình ion hoá các nguyên tử bằng va chạm. Như vậy, một hiệu ứng dây chuyền tạo cặp điện tử- ________________________________________________________________________________ NGUYỄN CHÍ THÀNH - Đềtéctơ quang học bán dẫn – Lớp học chuyên đề Đồ Sơn – Tháng 11 năm 2004 246 lỗ trống xảy ra trong vùng nhân điện của linh kiện. Kết quả là dòng quang điện sơ cấp được nhân lên bằng hiệu ứng nhân điện này và tạo thành ở đầu ra của linh kiện một dòng quang điện được khuếch đại. Dòng quang điện chảy qua điốt quang nhân điện (có tiết diện tiếp giáp A) như vậy bắt nguồn từ ba dòng điện: • Dòng điện tạo cặp sơ cấp sinh ra do hấp thụ một phôtôn hoặc do chuyển động nhiệt. Trong một lớp có bề dày dx của vùng nhân điện, dòng điện tạo cặp bằng : AeGdx ; trong đó G là hệ số tạo cặp toàn phần (tạo cặp quang học và tạo cặp nhiệt học). • Dòng điện tạo cặp thứ cấp do va chạm của điện tử với mạng tinh thể, dòng điện điện tử thứ cấp được viết : αnIndx, trong đó αn là hệ số nhân điện của điện tử và được định nghĩa bằng số αndx các cặp điện tử-lỗ trống thứ cấp sinh ra bởi chuyển động của một điện tử xuyên qua một khoảng cách dx trong vật liệu dưới một điện trường mạnh. • Dòng điện tạo cặp thứ cấp do va chạm của lỗ với mạng tinh thể, dòng điện lỗ trống thứ cấp được viết : αpIpdx, trong đó αp là hệ số nhân điện của lỗ trống và được định nghĩa bằng số αpdx các cặp điện tử-lỗ trống thứ cấp sinh ra bởi chuyển động của một lỗ trống xuyên qua một khoảng cách dx trong vật liệu dưới một điện trường mạnh. Chú ý rằng các hệ số nhân điện của điện tử và của lỗ trống (αn và αp) phụ thuộc rất mạnh vào điện trường và giá trị của chúng không đáng kể dưới điện trường yếu. Trong chế độ tĩnh (nghĩa là G là hằng số), ta có : AeG I I dx dI - ppnn n +α+α= ; và AeG I I dx dI ppnn p +α+α= . Tính liên tục của dòng điện toàn phần đòi hỏi phải có : I = In + Ip. Bằng cách thay thế In trong phương trình thứ hai từ hệ thức này, ta được : AeG I )I( dx dI npnp p +α+α−α= Phương trình vi phân này có lời giải tổng quát : pn n )xn p( p AeGI Ce(x)I α−α +α+= α−α . Hằng số tích phân C được xác định từ các điều kiện biên ở tiếp xúc của vùng n tại x = 0 và ở tiếp xúc của vùng p tại x = L. Giả thiết rằng (trong trường hợp lý tưởng) tiếp xúc p không thể phun được một điện tử nào vào vùng nhân điện (do đó : In(L) = 0), và tiếp xúc n không thể phun được một lỗ trống nào vào vùng nhân điện (do đó : Ip(0) = 0). Sự bảo toàn dòng điện toàn phần đòi hỏi : I = Ip(L) = In(0). Từ đó suy ra : )Lpn( pn )Lpn( e 1e AeG I α−α α−α α−α −= (III.22) Tỷ số giữa dòng quang điện sơ cấp và dòng điện sau cùng ở đầu ra, sau khi chảy qua vùng nhân điện có độ dài L, được viết là :         α−α −== α−α α−α )Lpn( pn )Lpn( primaire e 1e L 1 AeGL I I I (III.23) Biểu thức (III.23) cho thấy rằng thông lượng của dòng điện chảy qua vùng nhân điện được khuếch đại so với thông lượng của dòng điện sơ cấp bởi một hệ số nhân điện M xác định bằng: M =         α−α − α−α α−α )L( pn )L( pn pn e 1e L 1 (III.24) Hình III.11 : Đường biểu diễn hệ số nhân điện M theo đại lượng αnL với các giá trị khác nhau của tham số k = αp/αn (theo [1]) ________________________________________________________________________________ NGUYỄN CHÍ THÀNH - Đềtéctơ quang học bán dẫn – Lớp học chuyên đề Đồ Sơn – Tháng 11 năm 2004 247 Trường hợp đặc biệt khi mà αn = αp = α, hệ số nhân điện trở thành : M = L1 1 α− . Từ phương trình của hệ số nhân điện M ta thấy, với một giá trị nhất định của điện trường, phải có một giới hạn bắt buộc cho độ dài L của vùng nhân điện. Thực vậy, nếu độ dài L tăng đến một giá trị làm cho mẫu số của phương trình trên trở thành không, thì hệ số nhân điện sẽ tiến tới vô cực, và trong trường hợp đó, mọi tạo sinh vô cùng nhỏ của dòng điện sơ cấp cũng có thể dẫn đến sự tạo thành dòng điện làm đoản mạch (court-circuit/ short-circuit) điốt quang học. Dòng điện này có thể tạo nên sự đánh thủng làm phá huỷ đềtéctơ quang học nếu dòng diện đó không được hạn chế bằng cách khác. Đáp ứng của điốt quang dùng hiệu ứng nhân điện có một hệ số khuếch đại M tương tự như trong trường hợp của đềtéctơ quang dẫn điện (với hệ số khuếch đại g), nhưng với một bản chất vật lý cơ bản hoàn toàn khác. b) Đáp ứng thời gian Tương tự như trong trường hợp của điốt quang p-n hay p-i-n đề cập ở trên, thời gian đáp ứng của một điốt quang nhân điện phụ thuộc vào các hằng số thời gian tương ứng với thời gian chuyển động của các hạt quang tải diện trong vùng hoạt tính, với thời gian sống của chúng trong vùng khuếch tán và với hằng số thời gian của mạch RC của linh kiện. Sự khuếch đại bên trong các điốt quang nhân điện, dựa trên cơ chế ion hoá các nguyên tử bằng va chạm của các hạt tải điện với mạng tinh thể, cung cấp thêm một giới hạn khác cho đáp ứng thời gian của linh kiện, bởi lẽ sự thiết lập hệ số khuếch đại của điốt không thể xảy ra tức thời. Đối với các linh kiện mà sự ion hoá chỉ liên quan đến một loại hạt tải điện, thì thời gian thiết lập hệ số khuếch đại bằng thời gian di chuyển cuả hạt tải xuyên qua vùng nhân điện. Nhưng đối với các linh kiện mà trong đó cả hai loại hạt tải điện cùng tham gia vào cơ chế ion hoá các nguyên tử, thì việc thực hiện nhiều "lộ trình khứ hồi" là cần thiết để có thể thu được một hệ số khuếch đại nhất định và số "lộ trình khứ hồi" cần thiết này càng nhiều khi giá trị các hệ số αn và αp càng gần nhau. Thời gian thiết lập hệ số khuếch đại như vậy tăng lên. Hằng số thời gian này đóng góp vào việc giới hạn độ rộng dải truyền qua của điốt quang nhân điện. Tương tự như trong trường hợp của đềtéctơ quang dẫn điện, người ta thấy rằng, trong một số điều kiện vận hành, tích số (hệ số khuếch đại × độ rộng dải truyền qua) của điốt quang nhân điện là hằng số ; điều đó có nghĩa là người ta không thể làm tăng hệ số khuếch đại mà không làm suy giảm dải truyền qua của linh kiện. III.3.4 Điốt quang Schottky Hình III.12 : Sơ đồ vận hành của một điốt quang Schottky : (a) Vận hành bằng cơ chế phát xạ bên trong vật liệu của một quang điện tử khi hấp thụ một phôtôn có năng llượng hν > (Φm-ΧSC) (rào thế Schottky) ; (b) Tạo cặp điện tử-lỗ trống bằng kích thích quang học trong chất bán dẫn với phôtôn có năng lượng hν > Eg ; (c) Với hiệu thế phân cực ngược lớn, điốt quang Schottky có thể vận hành như một điốt quang nhân điện (theo [4]). ________________________________________________________________________________ NGUYỄN CHÍ THÀNH - Đềtéctơ quang học bán dẫn – Lớp học chuyên đề Đồ Sơn – Tháng 11 năm 2004 248 Điốt quang dùng rào thế Schottky được cấu tạo từ một bộ tiếp giáp dị thể kim loại-bán dẫn. Bộ tiếp giáp này làm xuất hiện ở mặt phân cách của hai vật liệu một rào thế năng eΦms bằng khoảng cách giữa mức năng lượng Fermi của kim loại và đáy vùng dẫn của chất bán dẫn: eΦms = eΦs - eχSC ; eΦs là công thoát của kim loại và eχSC là năng lượng cần thiết để giữ điện tử bên trong chất bán dẫn. Nguyên lý vận hành của một điốt quang Schottky dựa trên cơ chế phát xạ bên trong vật liệu (émission interne/ internal emission) của một quang điện tử từ kim loại sang vùng dẫn của chất bán dẫn khi có kích thích quang học. Quá trình này được trình bày bằng sơ đồ trên hình III.12.a. Điốt quang Schottky được cấu tạo từ một màng mỏng kim loại (hoặc một màng mỏng hợp kim kim loại-bán dẫn có tính chất vật lý như một kim loại)) được phủ trên một đế bán dẫn. Một chùm tia sáng tới gồm các phôtôn có năng lượng hν > Φms được hấp thụ trong màng mỏng kim loại ; chùm tia này chuyển giao năng lượng của các phôtôn cho các điện tử mà năng lượng ở dưới mức Fermi của kim loại. Các quang điện tử do đó được phát xạ vào bên trong vật liệu bán dẫn bằng cách vượt qua rào thế năng eΦms = eΦs - eχSC. Các quang điện tử này xâm nhập vào vùng dẫn của chất bán dẫn và đóng góp vào việc tạo thành dòng quang điện chảy qua điốt quang. Loại phát xạ bên trong vật liệu này đòi hỏi một bước sóng cắt (longueur d'onde de coupure/ cut-off wavelength) bắt buộc, xác định bằng: (eV)Φ 1,24 (µm)λ ms c = . Sự hấp thụ các phôtôn trong màng mỏng kim loại là rất thấp, bởi vì trong kim loại các quang điện tử bị mất năng lượng trên một đoạn đường di chuyển rất ngắn do bị va chạm: quãng đường tự do trung bình LB của các quang điện tử chỉ từ 50 Å đến 100 Å trong phần lớn các kim loại. Hệ số hấp thụ của các kim loại được đo bằng tỷ lệ nghịch của bề sâu hiệu ứng da δ (một vật liệu kim loại có điện trở suất 10µΩ.cm sẽ có một bề dày hiệu ứng da trong vùng hồng ngoại chừng 200 Å và một hệ số hấp thụ α = 1/δ = 5.105 cm-1). Như vậy, người ta sẽ có một hệ số chuyển đổi phôtôn thành quang điện tử trong kim loại có độ lớn bằng [1- exp(-αLB)]. Ngoài ra, không phải tất cả các quang điện tử được kích thích năng lượng để vượt rào thế năng sẽ hoàn toàn xâm nhập được vào trong chất bán dẫn, bởi vì phương chuyển động của các quang điện tử này không nhất thiết là phưong xâm nhập vào bên trong bán dẫn. Các tính toán [1] cho thấy rằng hiệu suất lượng tử của loại đềtéctơ quang học này là rất thấp và có thể được viết dưới dạng sau đây: ( )     −νν−≈η α− 2 ms mF L Φh h8E 1 )e(1 B (III.25) Trong đó EFm là mức năng lượng Fermi của kim loại. Hình III.13 : (a) Cấu trúc của một điốt quang Schottky ; (b) Đường biểu diễn độ truyền suốt của màng mỏng kim loại (ở đây là màng mỏng bằng vàng) theo độ dày trong trường hợp không có và có lớp chống phản xạ nhằm cải thiện độ truyền suốt (theo [10]). Mặc dù có hiệu suất lượng tử rất kém, điốt quang Schottky vẫn được sử dụng vì nhiều lý do: • Trong công nghệ bán dẫn, người ta không thể tạo ra được với tất cả các vật liệu bán dẫn hai loại pha tạp kiểu p và kiểu n. Bộ tiếp giáp Schottky đặc biệt có lợi trong trường hợp này. Trong cơ chế vận hành của điốt quang Schottky, bước sóng cắt của đềtétơ không bị áp đặt bởi độ rộng vùng cấm của chất bán dẫn nhưng bởi chiều cao của rào thế năng do tiếp xúc kim loại-bán dẫn tạo ra. Như vậy, người ta có thể sử dụng một vật liệu bán dẫn dễ chế tạo để làm đế (substrat) cho linh kiện (chẳng hạn như silicium) và chọn lựa một kim loại thích hợp để tạo ra bước sóng cắt mong muốn (thí dụ như cặp vật liệu bán dẫn Si loại p và kim loại PtSi cho một bước sóng cắt bằng 5,6 µm). • Trong một bộ tiếp giáp Schottky, người ta cũng có thể thực hiện được cơ chế tạo cặp các hạt quang tải điện như trong trường hợp của điốt quang dùng bộ tiếp giáp p-n (hình III.12.b) hay như trong trường hợp của điốt quang nhân điện (hình III.12.c) để đo các sóng quang tới mà bước sóng có thể xuyên qua được màng mỏng kim loại để xâm nhập vào trong chất bán dẫn. • Đáp ứng thời gian của các điốt quang p-n và p-i-n một mặt bị giới hạn bởi thời gian sống của các hạt tải điện trong các vùng khuếch tán nằm bên cạnh vùng ZCE và mặt khác bởi hằng số thời gian RC do điện dung và điện trở của đềtéctơ áp đặt. Để giảm thiểu hằng số thời gian đầu tiên, người ta làm giảm bề rộng của vùng khuếch tán trên một phần của bộ tiếp giáp. Nhưng việc giảm bớt bề rộng của vùng khuếch tán này không thể tránh được việc kéo theo sự tăng điện trở nối tiếp của đềtéctơ, mà điều đó lại kéo theo việc tăng hằng số thời gian RC. Điốt quang Schottky, ngược lại, cho phép thực hiện việc giảm thiểu này, vì lẽ điện trở của kim loại là rất thấp. Hơn nữa, cơ chế quang dẫn điện trong điốt quang Schottky chỉ liên quan đến một loại hạt tải điện đa số duy nhất (là điện tử) mà độ linh động thường khá lớn ; do đó loại đềtéctơ quang học này về bản chất có đáp thời nhanh hơn các linh kiện dùng ________________________________________________________________________________ NGUYỄN CHÍ THÀNH - Đềtéctơ quang học bán dẫn – Lớp học chuyên đề Đồ Sơn – Tháng 11 năm 2004 249 đồng thời hai loại hạt tải điện (như điốt quang p-n hay p-i-n). Người ta đã thực hiện được các điốt quang Schottky mà dải truyền qua có thể đạt đến 100 GHz [1]. III.3.5 Điốt quang MSM (Kim loại-Bán dẫn-Kim loại) Hình III.14 : (a) Cấu trúc điốt quang MSM ; (b) Cấu hình các điện cực. Nhằm cải thiện hơn nữa dải truyền qua của điốt quang và tạo thuận lợi cho việc thực hiện tích hợp đềtéctơ quang học vào mạch tích hợp (điện tử và quang học), người ta đề xuất một cấu hình khác của điốt quang: điốt quang MSM. Điốt quang học này cũng cấu tạo trên cơ sở của tiếp giáp Schottky ; nhưng cấu trúc của nó là cấu trúc phẳng (planaire/ planar): các điện cực của điốt quang MSM được thực hiện trên cùng một mặt phẳng (mặt phẳng của linh kiện như được trình bày trên hình III.14.a) trong khi hai điện cực của điốt quang Schottky bình thường được đặt trên hai mặt phẳng song song khác nhau (ở "đỉnh" và ở "đáy" của linh kiện như được trình bày trên hình II.13.a). Điốt quang MSM được cấu tạo từ một lớp mỏng chất bán dẫn, thực hiện bằng phương pháp epitaxi (épitaxie/ epitaxy) trên một đế làm bằng vật liệu bán điện môi (semi-isolant/ semi-insulant). Các điện cực kim loại của điốt được sắp xếp theo hình các ngón tay đan nhau và có dấu thay đổi luân phiên (hình II.14.b). Các hạt quang tải điện được tạo ra do hấp thụ các phôtôn tới trong lớp bán dẫn nằm giũa các tiếp xúc kim loại-bán dẫn nối tiếp (vùng cảm quang/photosensible trên hình II.14.b) bị quét ngay bởi điện trường khá mạnh giữa các điện cực và được tập kết bởi các điện cực này. Linh kiện được phân cực sao cho lớp bán dẫn trở thành hoàn toàn thiếu hụt điện tích tự do nhằm tăng cường tối đa sự hấp thụ bên trong chất bán dẫn và đồng thời giảm tối thiểu đáp thời của điốt quang. Khoảng cách giữa các điện cực phải nhỏ hơn độ dài khuếch tán của các hạt quang tải điện để tạo nên hiệu suất lớn trong việc tập kết các hạt quang tải điện. Nhưng nếu các điện cực chiếm nhiều diện tích của linh kiện, điều này có nguy cơ làm giảm khá mạnh độ nhạy của điốt quang MSM. Như vậy, kích thước, khoảng cách và số lượng các điện cực được tối ưu hoá để có thể thưc hiện đuợc các hiệu năng như mong muốn nêu trên. Hình III.15 : Một điốt quang MSM dùng cấu trúc dẫn sóng [10]. Điốt quang MSM có nhiều ưu điểm so với diode quang Schottky. Trước nhất, các điốt quang MSM do có diện tích điện cực và khoảng cách giữa các điện cực rất thấp (khoảng từ 1 đến vài µm), thời gian di chuyển của các quang điện tử là khá ngắn và điện dung của các điốt này là khá thấp ; điều đó dẫn đến việc tăng độ rộng dải truyền qua của linh kiện (người ta đã thực hiện được các điốt quang MSM bằng Si có dải truyền qua rộng đến 110 GHz†). Một ưu điểm khác của linh kiện này là cấu trúc phẳng của nó, đặc biệt thuận lợi cho việc phủ kim loại để tạo thành điện cực. Về mặt công nghệ chế tạo, việc này khá dễ làm và thuận tiện cho việc tích hợp điốt quang với các linh kiện điện tử tích phân khác nhằm thực hiện máy thu tín hiệu quang dùng mạch quang điện tử tích hợp (Optoelectronic Integrated Circuit - OEIC); bởi vì công nghệ này là hoàn toàn giống với công nghệ dùng để chế tạo các transistor dùng hiệu ứng trường (FET). Hơn thế nữa, cấu trúc MSM cũng đồng thời tạo thuận lợi cho việc tích hợp linh kiện này vào các mạch quang học tích phân (optique intégrée/ integrated optic) nhằm thực hiện các điốt quang dùng cấu trúc dẫn sóng (xem mục § III.3.6 sau đây). Trên hình III.15 biểu diễn sơ đồ một điốt quang MSM dùng cấu trúc dẫn sóng. Nhược điểm của điốt quang MSM là đáp ứng nội tại của nó thấp. Lý do là thu nhập các phôtôn trên bề mặt cảm quang của linh kiện khá thấp do diện tích các điện cực làm giảm thiểu bề mặt cảm quang. Người ta có thể cải † T. Hsiang et al., SPIE Proc. 2022, 6, 1993. ________________________________________________________________________________ NGUYỄN CHÍ THÀNH - Đềtéctơ quang học bán dẫn – Lớp học chuyên đề Đồ Sơn – Tháng 11 năm 2004 250 thiện nhược điểm này bằng các sử dụng các điện cực trong suốt (điốt quang MSM bằng InGaAs dùng các điện cực bằng Cadmium Tin Oxide-CTO hay bằng Indium Tin Oxide-ITO). III.3.6 Điốt quang dùng cấu trúc dẫn sóng Trong cấu trúc của một điốt quang thông thường, để thu được hiệu suất lượng tử toàn phần tối ưu (xác định bằng hệ thức III.19), cần thiết phải có αW >> 1 và αLp >> 1, nghĩa là phải tăng bề rộng của vùng điện tích không gian và độ dài khuếch tán của các hạt quang tải điện. Thế nhưng, khi làm tăng giá trị hai tham số này, ta không tránh khỏi làm suy giảm độ rộng của dải truyền qua do việc tăng thời gian chuyển động trong vùng điện tích không gian và tăng thời gian khuếch tán của các hạt quang tải điện. Nhưng nếu bây giờ ta ghép linh kiện này vào trong một cấu trúc dẫn sóng quang tích hợp, ta có thể đồng thời cải thiện được hiệu năng của hiệu suất lượng tử và độ rộng dải truyền qua của nó. Hình III.17 : Sơ dồ của một điốt quang dùng cấu trúc dẫn sóng. Thực vậy, một điốt quang được ghép vào một bộ dẫn sóng, mà cấu trúc được trình bày trên hình III.17, cho thấy có nhiều ưu điểm. Trước hết, vì rằng vùng hoạt tính của đềtéctơ được chiếu sáng theo phương song song chứ không phải theo phương thẳng góc với tiết diện của bộ tiếp giáp, dòng quang điện ở đầu ra của đềtéctơ được viết là: )e 1(e J L-0ph α−Φ= (III.26) Trong đó L là chiều dài của vùng hoạt tính đo theo phương truyền của sóng quang. Trong cấu hình này, vì rằng bề rộng W của vùng điện tích không gian ZCE và chiều dài L của vùng hoạt tính là độc lập với nhau, cho nên người ta có thể chọn lựa mật độ các hạt tải điện của vùng hoạt tính và hiệu thế phân cực Vapp sao cho bề rộng W của vùng điện tích không gian bằng với bề dày của bộ dẫn sóng ; trong khi đó, chiều dài L có thể được thực hiện với một độ dài thích hợp để thoả mãn điều kiện αL >> 1. Do đó mà hiệu suất lượng tử có thể đạt giá trị bằng 1 với bất kỳ giá trị nào của hệ số hấp thụ α, bằng cách điều chỉnh độ dài L, với điều kiện là độ mất mát do khuếch tán và do hấp thụ của các hạt tải điện là không đáng kể. Hình III.18 : Sơ dồ một điốt quang dùng cấu trúc dẫn sóng làm bằng InGaAs đượ