ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA KHOA HỌC VẬT LIỆU
BỘ MÔN VẬT LIỆU NANO & MÀNG MỎNG

NGUYỄN TRUNG NGUYÊN

Đề tài:
PHOTODETECTOR

SEMINAR LÝ THUYẾT
Chuyên ngành: Vt liu Nano và Màng mỏng CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
TH.S: Ngô Hải Đăng


TP HỒ CHÍ MINH – 2013

2 LỜI CẢM TẠ

Trong quá trình thực hin đề tài này ngoài vic học thêm nhiều kiến thức mới, em còn
được củng cố thêm kĩ năng trong trích lọc kiến thức từ tài liu, cách thức trình bày một
khóa lun tốt nghip, kĩ năng tiếng Anh và nhiều kiến thức bổ ích khác. Đây thực sự là
một kinh nghim cho chúng em hôm nay cũng như quá trình làm khóa lun tốt nghip
sau này.
Nhóm chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy Ngô Hải Đăng đã hướng dẫn
và giúp đỡ chúng em trong quá trình thực hin đề tài này cũng như sự dạy dỗ tn tình
trong suốt thời gian qua. Kính chúc thầy luôn thành công, khỏe mạnh và công tác tốt.
Em cũng xin cảm ơn tp thể lớp10MM đã giúp đỡ trong thời gian vừa qua.
Chúc các bạn học tp tốt.
TP.HCM, ngày 14 tháng 12 năm 2013

Nguyễn Trung Nguyên
3 DANH MỤC HÌNH VẼ

MỤC LỤC 4
Lời mở đầu 5
I. Hin tượng phân cực trong và phân cực ngoài: 6
1. Sự phát xạ photoelectron: 6
2. Quang dẫn 9
II. Các thuộc tính chung 11
1. Hiu suất lượng tử: 11
2. Độ hồi đáp: 13
3. Thời gian hồi đáp: 15
3.1. Transit-time spread. 15
3.2. Định lut Ohm: 18
3.3. Thời gian liên tục RC 19
Tài liu tham khảo 20 5

Lời mở đầu

Chúng ta đều biết các loại bòng đèn là thiết bị chuyển đổi năng lượng dòng đin thành
ánh sáng, và photodetector hay còn gọi là bộ thu quang, là những thiết bị có chức năng
ngược lại, chúng chuyển đổi ánh sáng thành các tín hiu đin.
Ở chương này chúng ta sẽ tìm hiểu về cách hoạt động của các loại photodetector. Cách
thức chúng chuyển đổi ánh sáng thành dòng đin, phân loại từ đó ta tìm cách ứng dụng
kết hợp chúng vào các thiết bị máy móc khác nhau.
6 PHOTODETECTOR


quang electron chủ yếu được giải phóng từ vùng hóa trị. Tương tự ta cũng có
công thức như công thức (1.1) :


      



 

(1.2)
Tổng năng lượng 

  có thể nhỏ cỡ 1.4eV đối với một vài loại vt liu
nhất định, vì vy các detector quang đin bán dẫn có thể hoạt động ở gần phổ
hồng ngoại và hoạt động tốt ở vùng nhìn thấy và UV.
Hơn nữa, hầu hết cái vt liu, ái lực đin tử âm được hình thành từ biên
vùng dẫn nằm trên mức chân không, vì vy, chỉ cần  lớn hơn 

là đủ để
xảy ra sự phát xạ (một lớp mỏng bán dẫn loại n, hay lớp kim loại phủ trên bán
dẫn loại p, hay bề mặt vt liu bị uốn cong có thể là nguyên nhân làm cho đáy
vùng dẫn nằm dưới mức chân không). NEA detector, ví dụ như GaAs được
phủ Cs, đáp ứng tốt ánh sáng có bước sóng gần vùng hồng ngoại, và cũng cả
thin tốt hiu suất lượng tử và giảm đi dòng tối ( dòng rỉ). Các photocathode
8

được làm từ các vt li vô định hình hay oxit, có thể được sử dụng ở gần
vùng hồng ngoại như chỉ đến bước sóng gần 1 µm.
Ở dạng đơn giản nhất, các photodetector dựa vào hiu ứng quang đin dưới

phản xạ
b) Sự bội hóa electron trong ống photomultiplier với cathode
bán trong suốt hoạt động trong chế độ truyền qua
c) Mặt cắt của 1 tấm microchannel
d) Sự bội hóa electron trong mao mạch đơn của tấm
microchannel

2. Quang dẫn
Các photodetector hin đại nhất hoạt động dựa và hiu ứng quang đin trong,
trong đó các hạt bị photon kích thích (electron và lỗ trống) vẫn còn trong
mẫu. Các detector quang dẫn nhn ánh sáng trực tiếp làm tăng tính dẫn đin
của vt liu. Trong bán dẫn, các electron nhn năng lượng từ photon và dịch
chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn (hình 1.3). Đồng thời để lại lỗ trống ở
vùng hóa trị. Khi áp đin trường vào, sẽ có sự dịch chuyển của electron và lỗ
trống, dẫn đến tạo thành dòng đin trong mạch.
10 Hình 1.3: Sự tạo thành electron và lỗ trống nhờ photon trong chất bán dẫn
Photodiode là một detector bán dẫn, với lớp tiếp xúc p-n, hoạt động dựa trên
hin tượng quang đin trong. Photon được hấp thụ tại vùng nghèo để tạo nên
electron và lỗ trống. Dưới tác dụng của đin trường nội, 2 hạt mang đin này
sẽ dịch chuyển về 2 hướng đối din và gây ra dòng đin ở mạch ngoài.
Một vài photodetector kết hợp với các bộ khuếch đại nên dễ phát hin ra tín
hiu hơn. Nếu đin trường ở lớp nghèo trong photodiode đủ lớn, do đin áp
phân cực ngược lớn, các electron và lỗ trống được gia tốc va chạm và kết
hợp với electron và lỗ trống khác làm đấy nhanh quá trình ion hóa. Thiết bị
sử dụng sự khuếch đại nội tại này được gọi là avalanche photodiodes (diode
quang thác) ( APDs). APD được sử dụng luân phiên hay kết hợp trong các
thiết bị khuếch đại laser, trong đó các tín hiu quang được khuếch đại trước


(2.1)

Với  là h số phản xạ bề mặt, ζ là phần trăm cặp electron lỗ trống đóng góp
vào dòng quang đin.  là h số hấp thụ của vt liu (cm
-1
), d là độ sâu của
detector. Công thức (2.1) được tạo thành từ 3 yếu tố:
 Yếu tố đầu tiên:

  

đặc trưng cho sự phản xạ tại bề mặt, có thể
giảm sự phản xạ bằng cách phủ màng chống phản xạ. Một vài định
nghĩa về hiu suất lượng tử bỏ qua sự phản xạ bề mặt và xem xét
riêng.
 Yếu tố thứ 2 là ζ : phần trăm cái cặp đin tử lỗ trống không bị tái hợp
tại bề mặt vt liu và đóng góp vào quá trình quang đin. Có thế giảm
sự tái hợp này bằng cách cẩn thn trong xử lí vt liu.
12

 Yếu tố thứ 3:







 

đặc trưng cho vt liu bán dẫn. Nếu
λ
0
quá nhỏ thì  cũng giảm do hầu hết các photon này được hấp thụ ở gần bề
mặt thiết bị, khi ở gần bề mặt, thời gian tái tổ hợp quá ngắn, sẽ làm cho các hạt
mang đin tái hợp trước khi đi vào dòng đin. Hình 2.1: Hiu ứng phản xạ bề mặt và hấp thụ ko hoàn toàn, hiu suất lượng tử
 của detector
13

Khoang cộng hưởng: có thể tăng hiu suất lượng tử  điều chỉnh cấu trúc của
detector, làm sao cho ánh sáng có thể tương tác với vt liu cảm quang nhiều
lần. Điều này tương đương với vic làm tăng độ rộng vùng nhạy quang d, vì vy
là tăng độ hấp phụ và giảm lượng photon truyền qua. Có thể làm điều này bằng
cách đặt photodetector vào trong buồng cộng hưởng, để bẫy ánh sáng và làm
tăng hiu suất lượng tử.

2. Độ hồi đáp:
Độ hồi đáp của photodectector liên quan đến dòng đin i
p
trong mạch và năng
lượng quang tác dụng lên nó. Nếu mỗi photon tới và đều tạo ra cặp đin tử lỗ
trống, thì qang thông sẽ bằng đin thông. Ta có: 

 , năng lượng quang:
  và tần số  sẽ làm phát sinh dòng 

 

Để ɳ = 1, thì  = 1 và λ
0
= 1.24
Sỡ dĩ có sự tỉ l của  với λ
0
bở vì, hồi đáp được định nghĩa dựa trên năng
lượng quang, trong khi hầu hết các photodetector tạo ra dòng tỉ l với quang
thông .
 








Tích 

là cố định, cho nên muốn tăng P ta phải giảm 

. Trong một số
detector nhit đáp ứng lại năng lượng quang hơn là quang thông, cho nên độ đáp
ứng không phụ thuộc vào bước sóng.
Trên đồ thị ta có thể thấy, do hiu suất lượng tử lớn nhất là 1, nên bước sóng bị
giớ hạn dù có tăng độ hồi đáp. Nên độ hồi đáp có thể bị giảm nếu như năng
lượng quang quá lớn. Khi đó, detector bị bão hòa, nên có một phạm vi hoạt động
cho detector, trong phạm vi đó, detector tỉ l với năng lượng quang một cách
tuyến tính.
Độ lợi: Các công thức ở trên được xác định dựa trên giả thiết rằng mỗi cặp

động nhit. Nó cũng gần như sự khiếm khuyết do pha và nguyên tử tạp chất.
Những va chạm này cũng làm hạng chế chuyển động của các hạt mang đin.
Kết quả là chúng sẽ di chuyển ở một tốc độ trung bình với gia tốc không đổi.
Vì vy ta có vn tốc của các hạt mang đin:  

, với    là gia
tốc, 

là thời gian giữa 2 lần va chạm. Các hạt mang đin sẽ trôi theo hướng
của từ trường với vn tốc trôi:   

, thông thường được viết dưới
dạng:
   (3.1)
Trong đó:   

 là độ linh động của hạt tải.
16

Sự dịch chuyển của các hạt mang đin trong photodetector tạo ra dòng đin ở
mạch ngoài. Để xác định độ lớn của dòng i(t), ta xét cặp đin tử-lỗ trống được
sinh ra theo hướng x tùy ý trong vt liu bán dẫn có chiều dài w, áp vào đin
thế V ( hình 6a). Nếu hạt mang điên mang đin tích Q, dịch chuyển một đoạn
dx trong khoảng thời gian dt, dưới đin trường có độ lớn E=V/w, ta được:
-QEdx = -Q(V/w)dx
Năng lượng này cung cấp cho mạch ngoài, năng lượng mạch ngoài là i(t)Vdt
do vy ta được:
i(t)Vdt = -Q(V/w)dx

i(t) = -(Q/w)(dx/dt) = -(Q/w)v(t)

/w (hình 3.1b). Mỗi hạt mang đin góp phần làm cho dòng đin chuyển
động lâu hơn. Nếu các hạt mang đin tiếp tục dic huyển cho tới biên của vt
liu, thì lỗ trống sẽ mất khoảng thời gian là x/v
h
và electron sẽ mất khoảng thời
gian (w-x)/v
e
(hình 3.1a). Trong các chất bán dẫn, v
e
thường lớn hơn v
h
nên để
đi hết bề rộng cần khoảng thời gian x/v
h
, khoảng thời gian này được gọi là
thời gian lan truyền. Đây là yếu tố quan trong để giới hạn tốc độ hoạt động của
các detector bán dẫn.
Người ta có khuynh hướng cho rằng đin tích tạo ra ở mạch ngoài là 2e, do 1
photo giải phỏng cặp đin tử lỗ trống, cho nên có 2 đin tích. Nhưng sự tht thì
17

đin tích được tạo ra là e, được tính bằng tổng đin tích q ở mạch ngoài bao
gồm cả hai dòng electron và lỗ trống:
  







h
. Điều này xả ra bởi vì sự chiếu sáng đồng
đều sẽ tạo ra hạt mang đin ở mọi vị trí, kể cả tại x=w, là nơi mà quãng được
dịch chuyển của lỗ trống xa nhất trước khi được tái hợp tại x = 0.
18 Hình 3.2: dòng lỗ trống i
h
(t), dòng electron i
e
(t), và dòng tổng i(t)
Tóm lại, định lý Ramo chứng minh rằng, các đin tích được giải phóng và đi ra
mạch ngoài không phải ngay lp tức, nhưng cũng không mất nhiều thời gian.
Các điên tích di chuyển trong dây dẫn dường như bị kéo chm lại một bên và
đẩy chm một bên nên phải mất một tí thời gian để ra mạch ngoài.

3.2. Định lut Ohm:
Thay vì xét một đin tích điểm Q, ta xét mt độ đin tích đều ϱ, tổng đin tích
trong photodetector là ϱAw, với A là din tích mặt cắt ngang (hình 3.1a), từ
định lý Ramo (1-10), ta có: i(t) = -( ϱAw/w)v(t) = - ϱAv(t), nên mt độ dòng
theo trục x là: J(t) = -i(t)/A = ϱv(t),dạng vector của công thức này là:

   (3.4)

Kết hợp (1-12) và (1-9), ta được: J = σE, với σ là độ dẫn đin trung bình:
    

  


năng đáp ứng xung. Khả năng đáp ứng xung được biểu diễn thông qua thời
gian liên tục và thời gian vn chuyển, được xác định bởi dòng cuốn i(t)
(hình 3.2) với hàm mũ: (1/RC)exp(-t/RC).
Photodetector bao gồm nhiều loại khác nhau và cũng có những hạn chế về
tốc độ đáp ứng, vì vy chúng ta cần xét xét mỗi loại trong từng trường hợp
cụ thể. Và cuối cùng, chúng ta quan tâm đến vt liu cũng như cấu trúc của
photodetector để điều chỉnh được được lợi và băng thông. Tăng các kết quả
có lợi và ngược lại giảm băng thông. Cần cân bằng giữa độ nhạy và thời
gian đáp ứng là cần thiết để tăng hiu quả của photodetector.

20

Tài liu tham khảo

[1] SalehB.E.A.,TeichM.C.FundamentalsofPhotonics(Wiley,2ed,2007)
(ISBN9780471358329)(K)(T)(600dpi)(1201s)
[2] Wikipedia.org