Vật liệu linh kiện bán dẫn Photodiode
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TP HỒ CHÍ MINH
KHOA VẬT LIỆU
BỘ MÔN MÀNG MỎNG NANO

BÁO CÁO MÔN VẬT LIỆU BÁN DẪN
ĐỀ TÀI:

Photodiode characteristis and applications
[đặc trƣng của điốt quang]

GV:LA PHAN PHƢƠNG HẠ
HV:ĐẶNG TIỂU PHÚ
MSSV:0919049

0607/2013

1


Vật liệu linh kiện bán dẫn Photodiode

Mục lục
I)Sự giải thích cho tính hai chiều của sự khuếch tán của điốt quang silicon. ........ 3
II)Nguyên tắc hoạt động .................................................................................................. 5
III/ĐẶC TRƯNG............................................................................................................. 6
a)nét đặc trưng về điện ................................................................................................. 6
Điện trở nối tiếp RS ................................................................................................. 7
Điện dung lớp chuyển tiếp CJ ................................................................................... 7
b/nét đặc trưng về tính chất quang của điốt. ............................................................. 8
hệ số cảm ứng Rλ : là đơn vị đo độ nhạy của ánh sáng ,và được tính là tỉ số của dòng

quang điện IP và năng lượng của chùm tia tới của ánh sáng tại các bướcs óng xác
định.......................................................................................................................... 8
c)hiệu suất lượng tử Q.E .............................................................................................. 9
d)I-V characteristics (đặc tuyến I-V) ............................................................................ 9
e)hiệu ứng nhiệt (temperature effects) ........................................................................ 10
PHOTOCONDUCTION MODE (PC):quang dẫn .................................................. 11
Photovoltaic Mode (PV) ........................................................................................ 13

2


Vật liệu linh kiện bán dẫn Photodiode

Photodiode characteristis and applications
(đặc trƣng của điốt quang và ứng dụng)
Dẫn đề
Điốt quang silicon là thiết bị bán dẫn điều khiển sự hoạt động của các hạt tải
điện và các photon ở trạng thái năng lƣợng cao.
Điốt quang hoạt động trên nguyên lý hấp thụ photon của ánh sáng hay các hạt
mang điện và sinh ra dòng chuyển dời của các hạt mang điện tích ra mạch
ngoài tƣơng ứng với chùm ánh sáng mang năng lƣợng của photon tới.
Photodiode đƣợc dùng để phát hiện ra sự có mặt hay thiếu hụt của lƣợng ánh
sáng trong khoảng thời gian vô cùng ngắn.và cũng cực kì chính xác trong việc
đo cƣờng độ với khoảng dƣới 1 pW/cm2 đến trên 100 pW/cm2
Silicon photodiodes đƣợc sử dụng trong các ứng dụng đa dạng chẳng hạn nhƣ
:quang phổ ,nhiếp ảnh,thiết bị phân tích ,thiết bị cảm ứng quang học vị trí
,chùm tia liên kết ,đặc tính bề mặt ,trong truyền thông quang học ,trong các
thiết bị y tế.
I)Sự


giải thích cho tính hai chiều của sự khuếch tán của điốt
quang silicon.
Sự khuếch tán hai chiều của điốt quang cũng tương tự như các điốt với cấu
tạo là lớp chuyển tiếp P-N
Sự chuyển tiếp của mối nối P-N có thể là sự khuếch tán của cả các tạp chất
trong bán dẫn loại P đóng vai trò làm anode chẳng hạn như tạp chất Boron
vào trong các lớp silicon chất tải loại N ,khu vực khuếch tán qua lại của tạp
chất Bo trong lớp P hay Photpho trong lớp N xác định khu vực mà các điốt
quang hoạt động .
Dạng của sự tiếp xúc thuần trở khác nhau của các tạp chất pha tạp vào bán
dẫn loại P hay N khuếch tán vào bên trong các lớp bán dẫn đó là cần thiết.

3


Vật liệu linh kiện bán dẫn Photodiode
ở đây tạp chất thêm vào bán dẫn là yếu tố quyết định cho điiốt quang hoạt
động trong khu vực nào của bán dẫn .
sự tiếp xúc của các lớp đệm qua các mối hàn ở mặt trước của điốt xác định
khu vực làm việc của điốt quang bao phủ hoàn toàn thiết bị của chúng ta.
Khu vực làm việc của điốt quang sau đó được mạ lớp chống sự phản xạ nhằm
giảm bớt sự phản xạ của ánh sáng với các bước sóng đã được định trước
Khu vực không hoạt động của điốt thì được che bao phủ bởi một lớp mỏng
của SiO2
Bằng cách kiểm soát độ dầy khối bề mặt ,tốc độ và độ nhạy sáng của điốt
quang có thể được kiểm soát.
Ghi chú với điốt quang khi đã phân cực phải vận hành thiết bị ở chế độ phận
cực nghịch chẳng hạn áp điện thế âm vào anode và điện thế dương vào
cathode.
Hình mô phỏng cấu tạo của điốt quang


Figure 1. Planar diffused silicon photodiode

4


Vật liệu linh kiện bán dẫn Photodiode
II)Nguyên tắc hoạt động
Nhƣ đã biết Silicon là chất bán dẫn có năng lƣợng vùng cấm khoảng 1,12 eV
tại nhiệt độ phòng ,đó là độ chênh lệch giữa vùng hóa trị và vùng dẫn
Tại 00 tuyệt đối (-273,1500C) vùng hóa trị của silicon điện tử lắp đầy hoàn toàn
trong khi vùng dẫn không có điện tử. Khi gia tăng nhiệt độ thì các điện tử trở
nên bị kích thích để rồi thoát khỏi vùng hóa trị đến vùng dẫn bằng năng
lƣợng nhiệt.Các điện tử chỉ có thể thoát ra khỏi vùng hóa trị và đến đƣợc
vùng dẫn khi mà năng lƣợng mà nó nhận đƣợc từ nhiệt độ hay từ các photon
ủa ánh sáng phải lớn hơn so với độ rộng vùng cấm của chính nó tức là khoảng
1,12eV tƣơng ứng với bƣớc sóng ngắn hơn 1100 nm .Kết quả là các điện tử
chuyển dộng tự do trong vùng dẫn thành dòng điện.
Do sự chênh lệch nồng độ của hai lớp tiếp xúc P-N hay chính xác là cặp điện
tử-lổ trống gắn liền với sự gia tăng của điện áp qua giữa hai lớp tiếp xúc ,các
cụm khuếch tán của cặp điện tử-lỗ trống giữa hai lớp bán dẫn P và N qua lớp
chuyển tiếp kết quả là hình thành khu vực với các hạt tải điện không còn tự
do nữa
Vùng điện thế đƣợc tích hợp vào sẽ xuyên qua khu vực nghèo điện tử kết quả
là ta có một điện trƣờng có giá trị lớn nhất tại vừng chuyển tiếp giữa hai lớp
bán dẫn và không có trƣờng ngoài nào khác tại khu vực nghèo điện tử
(depletion region)
Khi ta cho điện áp phân cực nghịch vào điốt quang và cuối cùng thì vùng
nghèo điện tử sẽ trở nên rộng hơn ,khi cặp electron-lỗ trống bị kích thích bởi
ánh sáng thì chúng sẽ di chuyển đến vùng nghèo nhƣ ta đã phân cực nghịch

cho bán dẫn và khi đã qua đƣợc vùng nghèo điện tử chúng sẽ hoàn toàn bị
khuếch tán vào trong vùng nhiều điện tử hơn.
Dòng điện đƣợc sinh ra đƣợc tính theo tỉ lệ của chùm tia sáng tới và chùm tia
bức xạ của ánh sáng tới kích thích chất bán dẫn.Ánh sáng thì bị hấp thụ theo
hàm số mũ và tỉ lệ với hệ số hấp thụ.Hệ số hấp thụ có giá trị rất lớn cho vùng
có bƣớc sóng ngắn nhƣ vùng tia tử ngoại UV và ngƣợc lại đối với các bƣớc
sóng của chùm tia tới dài thì hệ số hấp thụ nhỏ.

5


Vật liệu linh kiện bán dẫn Photodiode
Vì thế ,mà các photon có bƣớc sóng ngắn nhƣ tia UV thì sẽ bị hấp thụ trên bề
mặt mỏng của màng ở lớp trên trong khi lớp silicon trở nên trong suốt với các
bƣớc sóng dài hơn 1200nm .Hơn nữa ,photon có năng lƣợng nhỏ hơn so với so
với năng lƣợng vùng cấm của chất bán dẫn nên chúng sẽ không bị hấp thụ
hoàn toàn
Bảng bên dƣới mô tả độ xuyên sâu của ánh sáng với các bƣớc sóng khác nhau

III/ĐẶC TRƯNG
a)nét đặc trưng về điện

một điốt quang silicon có thể đƣợc biễu diễn trong mạch điện song song với
các điốt khác ,nguồn điện thì biểu diễn bởi các dòng bị kích thích bởi sự bức
xạ của chùm tia tới và điốt tƣợng trƣng cho sự chuyển tiếp của bán dẫn p-n
mà bản chất thật sự là sự hình thành nên các cặp electron-lổ trống bằng sự
kích thích bằng ánh sáng

6



Vật liệu linh kiện bán dẫn Photodiode
ngoài ra ,điện dung Ci và điện trở rẽ RSH thì đƣợc mắc song song với nhau với
các bộ phận khác cấu thành nên mạch điện tích hợp ,điện trở nối tiếp RS thì
đƣợc tiếp mắc nối tiếp với tất cả các bộ phận còn lại tạo thành một model
hoàn chỉnh.
IV
I ph

0

Rs

Id
Cj

R sh

RL

điện trở nối tiếp rs

Điện trở nối tiếp bắt nguồn từ sự liên hệ của điện trở ở vùng tiếp giáp của bán
dẫn với vùng giàu điện tử ,đƣợc cho bởi công thức
RS 

(WS  Wd )ρ
 RC
A


WS :độ dày của bề mặt bán dẫn ,Wd: độ rộng của vùng nghèo điện tử
A:là khu vực khuếch tán của vùng chuyển tiếp , ρ là điện trở mặt ,RC là điện
trở lớp tiếp xúc.
điện dung lớp chuyển tiếp cj
CJ 

ε Si εO A
2ε Si εO μρ(VA  Vbi )



ε Si εO A
; ε Si =11.9 ,μ = 1400 cm2/Vs(300 K), ε O = 8.854x10-14
Wd

F/cm

Vbi điện áp phân cực ngƣợc ,VA điện áp ngõ vào
Lớp biên của vùng depletion nhƣ hai tấm song song đối diện nhau nhƣ điện
dung với vùng không gian trống ở giữa hai tấm kim loại ,điện dung này tỉ lệ
thuận với khu vực khuếch tán và tỉ lệ nghịch với độ rộng của vùng nghèo điện
tử.

7


Vật liệu linh kiện bán dẫn Photodiode

b/nét đặc trưng về tính chất quang của điốt.


hệ số cảm ứng Rλ : là đơn vị đo độ nhạy của ánh sáng ,và được tính là tỉ số
của dòng quang điện IP và năng lượng của chùm tia tới của ánh sáng tại
các bướcs óng xác định
Rλ 

IP
P

Trong một nghĩa khác nó là đơn vị để đo hiệu suất chuyển đổi năng lƣợng của
áng sáng tới thành dòng điện ,nó biến đổi bƣớc sóng của ánh sáng tới tốt nhất
khi ta áp ddienj áp ngƣợc và nhiệt độ

8


Vật liệu linh kiện bán dẫn Photodiode
Bên dƣới là sự thay đổi của bƣớc sóng ánh sáng tới theo nhiệt độ

c)hiệu suất lượng tử Q.E
Q.E 

RλObserved
R
hc
 Rλ
 1240 λ
RλIdeal
λq
λ


d)I-V characteristics (đặc tuyến I-V)
đặc tuyến I-V của điốt quang khi không có ánh sáng chiếu vào tƣơng tự nhƣ
điốt thƣờng ,khi điốt với lớp chuyển tiếp không cân xứng khi đó phƣơng trình
dòng sẽ là hàm số mũ của dòng điện
I D  I SAT (e

qVA
k BT

 1)

ID:dòng tối ,ISAT dòng điện bão hòa đảo ,q điện tích electron ,VA điện thế áp
vào điốt

9


Vật liệu linh kiện bán dẫn Photodiode

a.V=0 trong trạng thái này dòng tối IP=0
b.V=+V dòng tăng theo hàm số mũ
c.V=-V khi dòng điện áp ngƣợc đƣợc áp vào điốt quang thì dòng tối lúc này
trở thành dòng bão hòa ISat ,độ sáng của điốt quang với bức xạ quang học ,sự
dịch chuyển của đặc tuyến I-V bằng tổng dòng quang điện Ip
ITOTAL  I SAT (e

qVA
k BT

 1)  I P


Khi áp dòng phân cực ngƣợc ,thì ta có sự gia tăng đột ngột của dòng quang
điện ,dòng tối lúc này cỡ 10 μA
e)hiệu ứng nhiệt (temperature effects)
tất cả các đặc trƣng của điốt quang bị hƣ hỏng bởi sự thay đổi trong nhiệt độ
chúng bao gồm điện trở nối tiếp Rs ,dòng tối ,điện áp đánh thủng ,điện dung
Shunt Resistance and Dark Current:(dòng tối)
Đó là hai dòng chính trong điốt quang bao gồm dòng tối và điện trở nối tiếp
Dòng khuếch tán là chỉ số vƣợt trội trong hiệu ứng quang điện ,đó là điều
quyết định điện trở nối tiếp ,nó biến đổi theo bình phƣơng của nhiệt độ ,trong
quang dẫn tuy nhiên dòng lệch trở thành dòng chính và biến đổi trực tiếp theo
nhiệt độ
Sự thay đổi nhiệt độ ảnh hƣởng đến bộ tách sóng quang học nhiều hơn so với
dạng quang điện trong hệ thống quang dẫn.

10


Vật liệu linh kiện bán dẫn Photodiode
Trong quang dẫn thì dòng tối có lẻ xấp xỉ gấp đôi khi nhiệt độ tăng thêm 10
độ và quang điện và điện trở nối tiếp Rs xấp xỉ tăng gấp đôi khi nhiệt độ giảm
xuống 6 độ.
Sự biến đổi chính phụ thuộc vào việc thêm vào các biến số chẳng hạn nhƣ
điện áp ,điện trở bề mặt
Điện áp đánh thủng (Breakdown Voltage)
Cho khu vực hoạt động của thiết bị rất nhỏ ,điện áp đánh thủng đƣợc định
nghĩa nhƣ là điện áp mà tại đó dòng tối đạt đƣợc khoảng 10 μA ,dòng tối tăng
theo nhiệt độ mtuy thế điện áp đánh thủng thì suy giảm với sự gia tăng của
nhiệt độ.
Tín hiệu của điốt quang có thể đƣợc đo nhƣ điện áp hay dòng

Dòng là đại lƣợng đƣợc chúng minh là đƣờng tuyến tính,lệch so với gốc tọa độ
,biễu diễn thành các dải băng tần.
Dòng quang điện đƣợc phát sinh theo tỉ lệ của năng lƣợng ủa chùm ánh sáng
tới và nó chuyển đổi thành điện năng sử dụng một hệ chuyển đổi số.
Điốt quang có thể hoạt động có điện áp phân cực ngƣợc vào hay không phụ
thuộc vào tính đặc thù của ứng dụng
Chúng có thể đƣợc phân loại thành quang dẫn hay quang điện
PHOTOCONDUCTION MODE (PC):quang dẫn
Đặt vào điện áp biến đổi có thể nâng cao tốc độ đáp ứng và độ tuyến tính của
thiết bị
Đó có thể là sự gia tăng của độ rộng vùng nghèo điện tử và sự giảm điện dung
của lớp chuyển tiếp của điốt. ,áp điện vào vì thế sẽ gia tăng các dòng tối và
dòng nhiễu ,minh họa cho điều này qua sơ đồ mạch bên dƣới.

11


Vật liệu linh kiện bán dẫn Photodiode

GBP là viết tắt của Gain Bandwidth Product of amplifier (A1) and CA là điện
dung khuếch đại ngõ vào.

Áp dụng ở tốc độ nhỏ ,độ lợi lớn có thể đƣợc đƣa vào để ta có giá rị lớn của RF
mà không cần mức hai.

Một cách thống nhất cho ví dụ là phép đo độ rộng của xung của laser khí ngắn
hơn so với trang thái của laser rắn
Tín hiệu ra của điốt quang có thể đƣợc kết nối trực tiếp với một dao động kế

12



Vật liệu linh kiện bán dẫn Photodiode
Khi sử dụng dao động kế thì độ rộng trên màn hình có thể đƣợc điều chỉnh ch
phù hợp với độ rộng của xung của nguồn sáng cho tín hiệu lớn nhất từ đọ
nhiễu.
Hai điốt đƣợc nối lại đối nhau và kết nối với đầu vào của dao động kế ngõ vào
và nền.
Photovoltaic Mode (PV)
Hệ thống dòng quang điện đƣợc ƣu tiên khi điốt quang đƣợc sử dụng ở tần số
thấp (khoảng 350kHz) tốt nhất ở mức ánh sáng siêu thấp
Ví dụ ở mức ánh sáng siêu thấp /tốc độ thấp ở hình bên dƣới.

Trong ví dụ về FET hệ thống khuếch đại ngõ vào tốt nhất với điện trở hồi tiếp
lớn ,bộ chỉnh lƣu điều chỉnh để khử các dòng lệch.
Tổng trở ngõ ra xác định bởi phƣơng trình ,dòng khuếch đại thuật toán nhiễu
đƣợc xác định bởi RF trong phƣơng trình.

13


Vật liệu linh kiện bán dẫn Photodiode
Trong đó k=1.38 x 10-23 J/K và T là nhiệt độ (0K)
Giữ nguyên giá trị chẳng hạn CF khi đó ta có công thức :

Trong vùng băng tần hoạt động, sau khi độ khuếch đại đƣợc bổ chính giá trị
đỉnh thì ta có tần số hoạt động

OSI (open system interconnection):hợp mạng hệ thống mở tích hợp điốt
quang :


14


Vật liệu linh kiện bán dẫn Photodiode

THANK YOU !! 

15