TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA VẬT LÍ ______________ NGUYỄN THỊ BÍCH NGHIÊN CỨU CÁC DỤNG CỤ BÁN DẪN THU TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH QUANG HỌC - QUANG PHỔ VINH - 2009 TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA VẬT LÍ _____________ KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP CHUYÊN NGÀNH QUANG HỌC - QUANG PHỔ NGHIÊN CỨU CÁC DỤNG CỤ BÁN DẪN THU TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Phú Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Bích Lớp: 46B - Vật lí VINH - 2009 2 MỤC LỤC 3 MỞ ĐẦU: Trang 1 MỤC LỤC: 3 CHƯƠNG I: Giới thiệu chung về họ linh kiện bán dẫn thu quang. 5 1- Khái niệm 5 2- Phân loại 5 2.1- Phân loại theo nguyên lí hoạt động. 2.1.1- Các detector nhiệt. 2.1.2- Các detector quang điện 2.2- Phân loại theo vùng sóng bức xạ quang 3- Các vật liệu chế tạo các linh kiện thu quang 7 3.1- Các vật liệu bán dẫn và detector ứng dụng thông tin đường dài 3.2- Các mạng địa phương 3.3- Detector ảnh nhiệt thu sóng dài 3.4- Các Detector tốc độ cao CHƯƠNG II: Một số thông số đặc trưng của họ linh kiện 11 bán dẫn thu quang 1- Sự hấp thu quang trong chất bán dẫn 11 1.1- Quá trình hấp thu quang trong bán dẫn có vùng cấm thẳng 4 1.2- Quá trình hấp thu trong bán dẫn có vùng cấm không thẳng 2- Hiệu suất lượng tử và độ nhạy phổ 14 2.1- Hiệu suất lượng tử 2.2- Độ nhạy phổ 3- Tỷ số tín hiệu trên nhiễu và độ phân giải 18 4- Thời gian đáp ứng 19 CHƯƠNG III: Các linh kiện bán dẫn thu tín hiệu quang 22 1- Tế bào quang điện 22 1.1- Cấu tạo 1.2- Nguyên tắc hoạt động 1.3- Những đặc tính quan trọng của tế bào quang điện 1.3.1- Đặc tuyến vôn - ampe 1.3.2- Đặc tuyến năng lượng 1.3.3- Đặc tuyến tần số 2- Quang trở 26 2.1- Cấu tạo 2.2- Nguyến lí hoạt động 2.3- Các đặc tuyến quan trọng của quang trở 2.4- Ứng dung của qung trở 3- Pin mặt trời 29 5 3.1- Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động 3.2- Hiệu suất của pin mặt trời 3.3- Đặc tuyến vôn - ampe của pin mặt trời 4- Photodiot chuyển tiếp P-N 31 4.1- Cấu tạo 4.2- Nguyên lí hoạt động 4.3- Dòng quang điện trong photodiot P-N 5- Photodiot Pin 38 5.1- Cấu tạo 5.2- Nguyên tắc hoạt động 5.3- Dòng quang điện 6- Phôtôdiôt thác lũ 40 7- Phototransitor 42 8- Phôtôđiốt Schottky 44 KẾT LUẬN 45 6 MỞ ĐẦU Thông tin quang là phương thức dùng ánh sáng để truyền dẫn thông tin. Hệ thống thông tin quang bao gồm: một đầu phát dùng để mã hoá thông tin thành tín hiệu ánh sáng, kênh truyền dẫn dùng để truyền tín hiệu đến đích, đầu thu dùng để tái tạo lại thông tin từ tín hiệu nhận được. Hiện nay, công nghệ nghiên cứu và ứng dụng các thiết bị phát và thu quang rất đa dạng, phức tạp và phát triển mạnh mẽ cả về phương diện lý thuyết cũng như thực nghiệm. Tuy nhiên lĩnh vực nghiên cứu, chế tạo linh kiện thu có phần được chú ý hơn so với các linh kiện phát quang. Điều này có lí do khách quan là bên thu có vai trò rất đặc biệt trong các thiết bị cũng như trong các hệ thống thông tin quang. Các thông tin bên phía thu quang như: độ nhạy, chất lượng thu tín hiệu, sự phát sinh nhiễu có tính quyết định tới tất cả hệ thống thông tin quang. Cùng với sự phát triển của chất bán dẫn, sự ra đời của dụng cụ bán dẫn có vai trò rất quan trọng đối với hệ thống thông tin quang. Để nghiên cứu kỹ hơn về những dụng cụ bán dẫn được sử dụng để thu tin hiệu trong hệ thống thông tin quang, trong luận văn này, chúng tôi đặt vấn đề về “Nghiên cứu các dụng cụ bán dẫn thu tín hiệu trong hệ thống thông tin quang”. Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn gồm 3 chương với các nội dung cơ bản sau: CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỌ LINH KIỆN BÁN DẪN THU QUANG Trong chương này chúng tôi giới thiệu khái quát về họ linh kiện bán dẫn thu tín hiệu quang gồm: các phân loại, nguyên lí hoạt động và các linh kiện bán dẫn dùng để chế tạo các dụng cụ thu quang. 7 CHƯƠNG II: MỘT SỐ THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA HỌ LINH KIỆN BÁN DẪN THU QUANG Trong chương này chúng tôi đề cập đến các thông số đặc trưng của họ các dụng cụ bán dẫn thu tín hiệu quang đó là: thời gian đáp ứng, sự hấp thụ quang trong chất bán dẫn, độ nhạy phổ, hiệu suất lượng tử, tỷ số tín hiệu trên nhiễu và độ phân giải. CHƯƠNG III: CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN THU TÍN HIỆU QUANG Trong chương này chúng tôi giới thiệu một số dụng cụ bán dẫn thu tín hiệu quang điển hình như: tế bào quang điện, quang trở, các phôtôđiôt, phototransistor . Qua đó giới thiệu về cấu tạo, nguyên lí hoạt động và một số thông số đặc trưng của các dụng cụ bán dẫn thu tín hiệu quang. Trong quá trình học tập và nghiên cứu, mặc dù đã có rất nhiều cố gắng song do điều kiện hạn chế về trình độ và thời gian nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được sự chỉ bảo của các thầy, cô giáo trong khoa cũng như các ý kiến đóng góp của người đọc. Qua đây, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới các thầy, cô giáo đã giảng dạy và giúp đỡ tôi. Đặc biệt xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới TS Nguyễn Văn Phú đã trực tiếp chỉ dẫn nguồn tài liệu tham khảo và tận tình hướng dẫn để tôi hoàn thành khoá được luận này. Vinh, tháng 5 năm 2009 SINH VIÊN THỰC HIỆN Nguyễn Thị Bích 8 CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN THU QUANG 1- Khái niệm: Các phôtô detector là tên chung thường gọi của các linh kiện thu tách tín hiệu quang, đo thông lượng hay công suất tín hiệu quang bằng cách chuyển đổi năng lượng các photon bị hấp thụ sang các dạng năng lượng khác có thể đo được như: nhiệt năng, quang năng và điện năng . Trong khái niệm rộng hiện nay người ta còn gọi chủng loại linh kiện này với một tên chung khác nữa là sensor quang: là các dụng cụ nhạy với các bức xạ quang, chúng thu nhận, biến đổi các tín hiệu quang thành tín hiệu điện. 2- Phân loại: 2.1- Phân loại theo nguyên lí hoạt động Về nguyên lí có thể phân ra 2 họ linh kiện với tên thường dùng là: Các detector nhiệt và detector quang điện. 2.1.1- Các detector nhiệt Các detector nhiệt hoạt động bằng cách chuyển đổi năng lượng photon sang nhiệt. Hoạt động của các detector nhiệt khá chậm vì quá trình chuyển đổi từ năng lượng photon sang nhiệt cần có một thời gian, trong khi đó các ứng dụng ở lĩnh vực quang điện tử cần các quá trình chuyển đổi xảy ra rất nhanh, vì vậy chúng không có vai trò lớn trong lĩnh vực này. 2.1.2- Các detetor quang điện - Các detector quang điện hoạt động trên nguyên lí chuyển đổi hiệu ứng quang điện, ở đó sự hấp thụ photon bởi vật liệu bán dẫn đã tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống tạo ra tín hiệu quang điện dưới dạng dòng điện hay điện thế có thể đo được. 9 - Hiệu ứng quang điện có 2 dạng đặc trưng: Hiệu ứng quang điện ngoài và hiệu ứng quang điện trong. Hiệu ứng quang điện ngoài bao gồm quá trình phát xạ điện tử từ bề mặt vật liệu khi bị chiếu sáng còn hiệu ứng quang điện trong chính là quá trình quang dẫn, ở đó các hạt tải bị kích thích không bứt ra khỏi vật liệu mà vẫn ở trong lòng vật liệu bán dẫn. Khi chiếu 1 photon có năng lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm vào bề mặt bán dẫn thì quá trình hấp thụ photon xảy ra. Khi hấp thụ 1 photon, 1 điện tử được kích thích từ vùng hoá trị lên vùng dẫn để lại trong vùng hoá trị 1 lỗ trống, ta nói photon đã tạo ra 1 cặp điện tử - lỗ trống khi có trường điện đặt vào linh kiện sẽ có sự chuyển dời các điện tích về 2 cực tạo ra dòng điện ở mạch ngoài, dòng điện này được gọi là dòng quang điện. Bình thường một photo chỉ có thể tạo ra một cặp điện tử - lỗ trống nghĩa là với một lượng photon xác định chỉ có thể tạo ra một dòng điện xác định. Tuy nhiên có một số loại linh kiện thu quang có khả năng hoạt động với cơ chế khuếch đại bên trong nghĩa là dòng quang điện có khả năng được khuếch đại lên nhiều lần do một số cơ chế đặc biệt của detector tạo ra. Linh kiện điển hình có khuếch đại trong là phôtôdiôt thác lũ (APD), quang trở, . - Các detector quang điện có ứng dụng rất rộng rãi trong thông tin quang, trong đo lường, biến đổi tín hiệu và trong tự động hoá . 2.2- Phân loại theo vùng sóng bức xạ quang. 10 . trọng đối với hệ thống thông tin quang. Để nghiên cứu kỹ hơn về những dụng cụ bán dẫn được sử dụng để thu tin hiệu trong hệ thống thông tin quang, trong luận. NGHIỆP CHUYÊN NGÀNH QUANG HỌC - QUANG PHỔ NGHIÊN CỨU CÁC DỤNG CỤ BÁN DẪN THU TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Văn