Đồ án tốt nghiệp Chương 3 – Các phần tử tích cực
CHƯƠNG 3
CÁC PHẦN TỬ TÍCH CỰC
3.1 Cơ sở vật lý chung của các phần tử tích cực
Khác với các phần tử thụ động, cơ sở vật lý chung cho các phần tử tích cực là
vật lý bán dẫn. Tuy nhiên do tín hiệu xử lý của các phần tử này là ánh sáng nên các
kiến thức vật lý về ánh sáng (như đã nêu ở chương 1) cũng được sử dụng trong
phần tử tích cực.
Khi hoạt động, các phần tử này cần phải có nguồn kích thích. Các nguồn này
luôn đi kèm theo nên yêu cầu của các phần tử tích cực cũng phức tạp hơn phần tử
thụ động. Vị trí đặt thiết bị, các vấn đề về bảo dưỡng, an toàn về điện cũng cần
được quan tâm. Trước hết ta xét đến cơ sở vật lý chung cho các phần tử tích cực
này.
3.1.1 Các khái niệm vật lý bán dẫn
Vật lý bán dẫn là cơ sở hoạt động cho rất nhiều linh kiện điện tử trong đó có
các phần tử tích cực hoạt động trong hệ thống thông tin quang.
3.1.1.1 Các vùng năng lượng
Vật liệu bán dẫn là vật liệu có đặc tính dẫn điện, và cách điện, tức là ở trường
hợp nào đó thì vật liệu bán dẫn là dẫn điện trong trường hợp khác chúng lại là chất
cách điện.
Ở mức nhiệt độ thấp, tinh thể bán dẫn thuần túy sẽ có vùng dẫn hoàn toàn trống
các điện tử và vùng hóa trị lại đầy các điện tử. Vùng dẫn cách vùng hóa trị một dải
cấm năng lượng, dải này không tồn tại một mức năng lượng nào cả. Khi nhiệt độ
tăng lên, một số các điện tử sẽ bị kích thích nhiệt và vượt qua dải cấm (chẳng hạn
như đối với Silic thì năng lượng này cỡ 1,1 eV – đây chính là năng lượng dải cấm).
Quá trình này xảy ra làm xuất hiện các điện tử tự do (kí hiệu là n) trong vùng dẫn
và khi các điện tử này dời đi sẽ để lại các lỗ trống tương ứng (kí hiệu là p). Các
điện tử tự do và lỗ trống sẽ di chuyển trong vật liệu và vật liệu thể hiện tính dẫn
điện khi các điện tử trong vùng hóa trị đi vào các lỗ trống. Lúc này có thể coi như
lỗ trống cũng di chuyển, sự di chuyển này ngược chiều di chuyển của điện tử. Sự
h là hằng số Plank
m
e
, m
h
là khối lượng của điện tử và lỗ trống
T là nhiệt độ tuyệt đối
K là hằng số vật liệu
Có thể tăng tính dẫn điện của vật liệu bán dẫn bằng cách pha thêm một lượng
nhỏ tạp chất thuộc các nguyên tố nhóm V (như P, As, Sb…) hoặc nhóm III (như
Ga, Al, In …). Khi được pha tạp bởi các nguyên tố nhóm V, các điện tử tự do trong
vùng dẫn gia tăng, lúc này vật liệu bán dẫn được gọi là vật liệu bán dẫn loại n. Khi
được pha tạp bởi các nguyên tố nhóm III, các lỗ trống trong vùng hóa trị gia tăng,
lúc này vật liệu bán dẫn được gọi là vật liệu bán dẫn loại p. Tính dẫn điện của vật
liệu bây giờ tỷ lệ với sự tập trung hạt mang (các điện tử và lỗ trống ).
Các vật liệu pha tạp như vậy dùng khá phổ biến trong viễn thông (đặc biệt là
trong các bộ thu phát quang), có thể kể ra rất nhiều loại vật liệu như : InP,
InAs.,GaAs, GaAsP, InGaAsP…Bảng 3.1 tổng hợp một số vật liệu với các dải cấm
và bước sóng.
Sinh v i ª n Đoàn Thị Mỹ Hạnh-D01VT
b)
a)
Hình 3.1 Sự kích thích điện tử vùng hóa sang vùng dẫn trong sơ đồ năng
lượng (a) và sự tập trung điện tử, lỗ trống (b).
Điện tử
Vùng dẫn
Chuyển dich
điện tử
Vùng
cấm
0,55 µm
0,59 µm
0,87 µm
0,93 µm
3,6 µm
Các vật liệu
ba hoặc bốn
thành phần
AlGaAs (Nhôm-Gali-Asen).
InGaAsP (Indi-Gali-Asen-
Phốt pho)
1,42 – 1,61 eV
0,74 – 1,13 eV
0,77 – 0,87 µm
1,1 – 1,67 µm
Bảng 3.1 Dải cấm và bước sóng của một số vật liệu bán dẫn.
3.1.1.2 Lớp tiếp giáp p-n
Bản thân các vật liệu pha tạp loại p hay n chỉ như là những chất dẫn điện tốt
hơn so với bán dẫn thuần. Tuy nhiên khi ta sử dụng kết hợp hai loại vật liệu này thì
sẽ có được những đặc tính hết sức đáng chú ý. Một vật liệu loại p được ghép với
vật liệu loại n sẽ cho ta một lớp tiếp xúc được gọi là tiếp giáp p-n. Khi tiếp giáp p –
n được tạo ra, các hạt mang đa số sẽ khuếch tán qua nó : Lỗ trống bên p khuếch tán
sang bên n, điện tử bên n khuếch tán sang bên p. Kết quả là tạo ra một điện trường
tiếp xúc E
tx
đặt ngang tiếp giáp p – n. Chính điện trường này sẽ ngăn cản các
chuyển động của các điện tích khi tình trạng cân bằng đã được thiết lập. Lúc này,
vùng tiếp giáp không có các hạt mang di động. Vùng này gọi là vùng nghèo hay
vùng điện tích không gian.
Khi cấp một điện áp cho tiếp giáp này, cực dương nguồn nối với vật liệu n, cực
Năng
lượng
vùng
cấm
gián
tiếp
E
dir
Chuyển dịch điện tử
hf=E
dir
E
ind
hf=E
ind
+E
ph
Năng lượng
photon E
ph
a) b)
Hình 3.3 Sự phát photon với vật liệu dải cấm trực tiếp (a) và gián tiếp (b)
Vùng dẫn Vùng dẫn
Vùng hóa trị
Vùng hóa trị
Loại n Loại pLoại n Loại p
Loại n Loại p
Vùng nghèo
Tiếp giáp
p-n
2
. Đây là quá trình hấp thụ ánh sáng. Các điện tử ở
mức kích thích E
2
, đây là trạng thái không bền nên nó nhanh chóng chuyển về mức
cơ sở E
1
và lúc đó sẽ phát ra một photon có năng lượng là hf = E
2
– E
1
. Ta có quá
trình phát xạ tự phát. Photon được tạo ra tự phát thì có hướng ngẫu nhiên và không
có liên hệ về pha, tức là ánh sáng không kết hợp. Còn phát xạ cưỡng bức xảy ra khi
có một photon có năng lượng phù hợp tương tác với nguyên tử ở trạng thái kích
thích và phát xạ ra các photon giống hệt nhau về năng lượng và pha. Ta có các
phương trình tốc độ đặc trưng cho các quá trình này như sau :
Tốc độ phát xạ tự phát : R
spon
=A.N
2
Tốc độ phát xạ kích thích : R
stim
= B.N
2
.ρ
Tốc độ hấp thụ : R
abs
= C. N
1.
2
Tk
hf
Tk
E
N
N
BB
g
−=−=
(3-2)
Trong đó : T là nhiệt độ tuyệt đối của hệ nguyên tử.
N
1
, N
2
không phụ thuộc thời gian trong trạng thái cân bằng nhiệt, nghĩa là tốc
độ chuyển dời lên xuống của nguyên tử phải bằng nhau. Do đó :
A.N
2
+ B.N
2
.ρ= C. N
1.
ρ (3-3)
Từ công thức 3-2 và 3-3 ta có mật độ phổ năng lượng được tính như sau :
1)exp( −
=
Tk
hf
Như vậy :
B
c
hf
A
3
3
8
π
=
và C=B (với A, B là hệ số Anhxtanh).
3.1.2.2 Trạng thái đảo mật độ
Ánh sáng có thể phát ra từ vật liệu bán dẫn là kết quả của quá trình tái hợp điện
tử và lỗ trống (e-h). Trong điều kiện cân bằng nhiệt, tỷ lệ phát xạ kích thích rất nhỏ
so với phát xạ tự phát, tức là nồng độ e – h sinh ra do kích thích rất thấp. Để có
phát xạ kích thích ta phải thực hiện tăng số lượng lớn các điện tử và lỗ trống trong
vùng dẫn và vùng hóa trị. Ta xét một tiếp giáp p – n với hai loại vật liệu bán dẫn
loại n và p pha tạp cao đến mức suy biến. Mức Fermi bên bán dẫn loại n nằm vào
bên trong vùng dẫn và mức Fermi trong bán dẫn p nằm vào bên trong vùng hóa trị.
Tại cân bằng nhiệt mức Fermi hai bên bán dẫn loại n và p nằm trùng nhau, lúc này
không có quá trình bơm hạt tải (hình 3.5a). Khi phân cực thuận đủ lớn, các mức
Fermi ở hai miền tách ra, lúc này thì các điện tử bên bán dẫn loại n và lỗ trống bên
bán dẫn p được bơm điện tích không gian (hình 3.5b). Khi điện thế đặt vào tiếp
giáp p-n tăng đủ lớn để quá trình bơm này đạt đến mức cao thì trong miền điện tích
không gian có độ rộng là d sẽ có một số lượng lớn các điện tử nằm trên vùng dẫn
và một số lượng lớn lỗ trống nằm dưới vùng hóa trị. Trạng thái này gọi là đảo mật
độ.
Sinh v i ª n Đoàn Thị Mỹ Hạnh-D01VT
55
Đồ án tốt nghiệp Chương 3 – Các phần tử tích cực
E
fc
E
g
E
c
E
v
E
fv
E
g
E
fc
V
F
E
c
E
v
E
fv
E
fc
V
F
d
hf
a, Ban đầu chưa
bơm
b, Cấu trúc LED phát xạ cạnh
LED phát xạ cạnh có cấu trúc gồm một vùng tiếp giáp tích cực có vai trò là
nguồn phát ánh sáng không kết hợp, và hai lớp dẫn đều có chiết suất thấp hơn chỉ
số chiết suất của vùng tích cực nhưng lại cao hơn chiết suất của các vùng vật liệu
bao quanh (hình 3.6b). Cấu trúc này hình thành một kênh dẫn sóng để hướng sự
phát xạ về phía lõi sợi. Để tương hợp được với lõi sợi dẫn quang có đường kính
nhỏ ( cỡ 50- 100μm), các dải tiếp xúc đối với LED phát xạ cạnh phải rộng từ 50μm
đến 70μm. Độ dài của các vùng tích cực thường là từ 100μm đến 150μm. Mẫu phát
xạ cạnh có định hướng tốt hơn so với LED phát xạ mặt.
3.2.1.2 Nguyên lý hoạt động của LED
Nguyên lý làm việc của LED dựa vào hiệu ứng phát sáng khi có hiện tượng tái
hợp các điện tử và lỗ trống ở vùng tiếp giáp p-n. Do vậy, LED sẽ phát sáng nếu
được phân cực thuận. Khi được phân cực thuận các hạt mang đa số sẽ khuếch tán ồ
ạt qua tiếp giáp p-n : điện tử khuếch tán từ phía n sang phía p và ngược lại, lỗ trống
Sinh v i ª n Đoàn Thị Mỹ Hạnh-D01VT
57
Đồ án tốt nghiệp Chương 3 – Các phần tử tích cực
khuếch tán từ phía p sang phía n, chúng gặp nhau và tái hợp phát sinh ánh sáng.
Với cấu trúc dị thể kép, cả hai loại hạt dẫn và trường ánh sáng được giam giữ tại
trung tâm của lớp tích cực (hình 3.7). Sự khác nhau về độ rộng vùng cấm của các
lớp kề cận đã giam giữ các hạt điện tích ở bên trong lớp tích cực. Đồng thời, sự
khác nhau về chiết suất của các lớp kề cận này đã giam giữ trường quang và các hạt
dẫn này làm tăng độ bức xạ và hiệu suất cao.
Để một chất bán dẫn phát sáng thì sự cân bằng nhiệt phải bị phá vỡ. Tốc độ tái
hợp trong qúa trình tái hợp có bức xạ tỉ lệ với nồng độ điện tử trong phần bán dẫn p
và nồng độ lỗ trống trong bán dẫn n. Đây là các hạt dẫn thiểu số trong chất bán dẫn.
Để tăng tốc độ tái hợp – tức là tăng số photon bức xạ ra – thì cần phải gia tăng nồng
độ hạt dẫn thiểu số trong các phần bán dẫn. Nồng độ hạt dẫn thiểu số được bơm
vào các phần bán dẫn tỷ lệ với cường độ dòng điện của LED, do đó cường độ phát
quang của LED tỷ lệ với cường độ dòng điện qua điốt.
Các lớp dị
thể kép
Đồ án tốt nghiệp Chương 3 – Các phần tử tích cực
3.2.1.3 Đặc tính của LED
a, Đặc tính P/ I
Đặc tuyến P/I là đặc tuyến thể hiện mối quan hệ giữa công suất phát xạ photon
và cường độ dòng kích thích. Công suất quang tỷ lệ tuyến tính với dòng điện. Dòng
điện đạt giá trị cao khi đạt đến ngưỡng, có sự bão hòa. Khi đó công suất quang phát
xạ không tăng, quá trình tái hợp tăng lên, hiệu suất lượng tử nội giảm xuống và
nhiệt độ tiếp giáp tăng. Độ đáp ứng giảm xuống. Nó được xây dựng từ công thức :
ξ
= P/I = hf
φ
ex
/I =
η
ext
hf/e =
η
ext
.(1,24/
λ
).
Mà - Công suất quang nội : P
int
=η
int
e
I
hν
59
E
g
Tái hợp điện tử
và lỗ trống
hf
Dòng lỗ trống
Dòng điện tử
Năng
lượng
điện tử
Vùng dẫn sóng
Vùng tích
cực
Chỉ số
chiết
suất
Hình 3.7 Cấu trúc dị thể kép – hiệu suất phát xạ cao nhờ chênh lệch: a) độ rộng
vùng cấm và b) chênh lêch chiết suất
a)
b)
Đồ án tốt nghiệp Chương 3 – Các phần tử tích cực
Trong đó : θ
c
= arcsin
n
1
và n là chiết suất vật liệu,
T
p
(ω - E
g
)
1/2
exp[-(
e
ω - E
g
)/k
B
T]. Công thức tính độ rộng phổ nửa giá trị
cực đại được xác định như sau :
Δf
≈
1,8
h
Tk
B
hay Δf
≈
Δλ.
2
λ
c
Tại nhiệt độ T=300
o
P
0
là công
suất đỉnh
Đồ án tốt nghiệp Chương 3 – Các phần tử tích cực
c, Đáp ứng điều chế
- Phương trình tốc độ của LED mô tả tốc độ thay đổi hạt tải theo thời gian và
dòng biến đổi thay đổi theo thời gian như sau :
c
N
qV
I
dt
dN
τ
−=
với V là thể tích vùng tích cực.
Từ phương trình ta thấy hạt tải bơm vào có thể bị mất đi theo giá trị
c
N
τ
.
- Dòng điều biến LED : I(t)= I
b
+ I
m
exp(iω
m
t)
Trong đó : ω
qVI
N
τω
τ
ω
+
=
1
/
)(
.
Khi công suất điều chế P
m
phụ thuộc tuyến tính vào N
m
, hàm truyền đạt sẽ có
dạng :
cmm
mm
m
iN
N
H
τω
ω
ω
+
==
1
1
3.2.2 Laser bán dẫn
Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) là một cấu
trúc quang học để tạo ra và khuếch đại ánh sáng đơn sắc có tính liên kết về pha.
Laser có nhiều loại như Laser thể rắn, Laser thể khí và Laser bán dẫn… Mỗi loại có
các đặc tính riêng của nó, tuy nhiên ưu thế hơn cả là Laser bán dẫn (thường sử dụng
trong hệ thống thông tin quang).
Vật liệu chế tạo Laser bán dẫn là các vật liệu bán dẫn có vùng cấm thẳng (đáy
vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị có cùng giá trị của vectơ sóng k trên giản đồ năng
lượng). Vì trong bán dẫn vùng cấm thẳng (trực tiếp), quá trình chuyển mức bức xạ
vectơ sóng được bảo toàn một cách tự động nên có xác suất lớn hơn nhiều so với
bán dẫn có vùng cấm nghiêng (gián tiếp), sự chuyển mức bức xạ có sự tham gia
của photon hoặc các tâm tán xạ để bảo toàn vectơ sóng và năng lượng.
3.2.2.1 Cấu trúc Laser bán dẫn
Laser bán dẫn đơn giản nhất và thường gặp là Laser Diode (LD). Nó sử dụng
lớp chuyển tiếp p –n được phân cực thuận để bơm điện tử và lỗ trống, làm phát sinh
ánh sáng. Cấu trúc LD được thiết kế để tạo ra một hốc quang để dẫn các photon
được tạo ra. Hốc quang cơ bản là một buồng cộng hưởng, trong đó photon được
phản xạ liên tiếp. Photon được phát xạ ra chỉ có một phần rất nhỏ dời khỏi buồng
cộng hưởng, do đó mật độ photon được tích tụ chủ yếu trong buồng cộng hưởng.
Đối với Laser bán dẫn, cấu trúc buồng cộng hưởng được sử dụng nhiều nhất là
buồng cộng hưởng kiểu Farby – Perot. Thành phần quan trọng nhất của hốc là hai
mặt gương phản xạ song song để đảm bảo các mode cộng hưởng được sinh ra trong
hốc. Các mode cộng hưởng phải có bước sóng thỏa mãn biểu thức :
L = k.
λ
/2 với k là một số nguyên.
L là chiều dài hộp cộng hưởng
Sinh v i ª n Đoàn Thị Mỹ Hạnh-D01VT
62
Đồ án tốt nghiệp Chương 3 – Các phần tử tích cực
bơm vào một vùng nhỏ theo bề mặt lớp chuyển tiếp. Nhờ sử dụng dòng bơm qua
dải băng hẹp, Laser bán dẫn này có ưu điểm là giải quyết được vấn để giam giữ các
hạt tải trong miền tích cực… cấu trúc dòng đơn giản nhất là dạng cấu trúc dải oxit
(được nghiên cứu, chế tạo đầu tiên Dymen). Cấu trúc này được chỉ ra trên hình
3.11, nó gồm lớp p có cửa sổ được mở cho dòng phun vào. Phần còn lại của lớp p
này được phủ lớp cách điện SiO
2
. Do chuyển tiếp có tính chất phân cực thuận nên
dòng qua chuyển tiếp chỉ có thể qua cửa sổ. Trong hầu hết các Laser được thiết kế,
Sinh v i ª n Đoàn Thị Mỹ Hạnh-D01VT
63
Đồ án tốt nghiệp Chương 3 – Các phần tử tích cực
cửa sổ này rộng khoảng 5μm. Mật độ hạt tải (chủ yếu do quá trình khuếch tán)
phân bố không đồng đều ở hai bên. Độ khuếch đại đạt giá trị cực đại tại tâm cửa sổ.
Ngoài ra còn có : - Cấu trúc vạch chuyển tiếp mà ở đó có sự khuếch tán Zn biến
đổi một vùng nhỏ trên đỉnh lớp bán dẫn loại n thành loại p. Khi đặt điện áp thuận
vào lớp chuyển tiếp trên vùng còn lại sẽ tạo sự giam quang (hình 3.12a);
- Cấu trúc dải photon hay deuteron mà ở đây các proton hay deuteron được cấy
vào tạo thành một cùng có điện trở cao làm hạn chế dòng chảy tới một lớp mở
trong vùng được cấy (hình 3.12b).
b, Laser ống dẫn sóng dải chiết suất yếu
Cấu trúc Laser dải chiết suất yếu có khả năng giam giữ quang tốt hơn. Nó bao
gồm một ống dẫn sóng có chất liệu khác được ghép lên trên hoặc bên dưới lớp tích
cực. Điều này tạo sự thay đổi chiết suất hiệu dụng cỡ 1% giữa hai bên của thành
Sinh v i ª n Đoàn Thị Mỹ Hạnh-D01VT
64
n
+
- InP (chất nền)
n – InP
loại Laser này được chia thành hai nhóm : Nhóm các cấu trúc có lớp tích cực phẳng
và nhóm các cấu trúc có lớp tích cực không phẳng như hình 3.14 và 3.15.
Sinh v i ª n Đoàn Thị Mỹ Hạnh-D01VT
n-InP
n-InP
p-InP
InGaAsP (lớp tích cực)
n-InP
p-InP
p-InP
InGaAsP n-InP
p- InGaAsP
Hình 3.13 Laser dị thể vùi với lớp tích cực thẳng
65
n – InP (đế)
n – InP
InGaAsP
p-InP
n – InP (đế)
n – InP
InGaAsP
p-InP
a) Laser dẫn sóng ridge b) Laser lớp epitaxi dị thể
c) Laser đế ghép kênh d)Laser rib đơn giản
p-InGaAsP
p-InP
n-InGaAsP
(ống dẫn sóng)
n-InP (đế )
p-InGaAsP
Sinh v i ª n Đoàn Thị Mỹ Hạnh-D01VT
n-InP
n-InP
n-InP InGaAsP
n-InP
n-InP InGaAsP
InGaAsP (lớp tích cực)
n-InP
Hình 3.15 Cấu trúc Laser dị thể
n-InGaAsP
n-InP
p-InP
p-InP
p- InGaAsP
a) Laser dị thể vùi ghép kênh phẳng b) Laser dị thể strip
66
Copyright: Tài liệu đại học ©