Đề cương ôn tập Thông Tin Quang
Câu hỏi:
1. Phân tích nguyên lý hoạt động của LED.
2. Phân tích nguyên lý hoạt động của laze.
3. So sánh giải cấm năng lượng trực tiếp và giải cấm năng lượng gián tiếp của nguồn quang bán dẫn.
4. Thế nào là hiện tượng phát xạ tự phát, điều kiện để xảy ra hiện tượng đó, linh kiện nào có cấu tạo.
- Trình bày k/n mức năng lượng, vùng năng lượng.
5. Các thành phần cần quan tâm trong bộ thu quang (kể tên link kiện).
6. Nêu cấu trúc và cách hoạt động của phôt điot PIN.
7. Nêu cấu trúc và cách hoạt động của phôt điot quang thác APD.
- APD có ưu điểm gì so với PIN.
8. Chỉ ra mối quan hệ giữa P&I của photo diot PIN hệ số đáp ứng R và hiệu suất của photo diot PIN có phải là hằng số không? Tại sao?
9. Đặc tính của Photodiode PIN có thể cải thiện bằng cách nào?
10. Giải thích hiệu ứng thác lũ trong photodiode APD, tác dụng của hiệu ứng thác lũ trong APD.
Trả lời:
Câu 1.Phân tích nguyên lý hoạt động của LED.
Cấu tạo:
Về cơ bản LED có cấu tạo giống diode bán dẫn hoạt động dựa trên lớp tiếp giáp pn phân cực thuận. Quá trình phát xạ trong LED dựa trên hiện tượng phát xạ tự phát. Trên thực tế LED có cấu tạo phức tạp hơn với nhiều lớp bán dẫn để đáp ứng đồng thời các yêu cầu của nguồn quang.
Nguyên tắc hoạt động:
- Khi đặt 2 lớp tiếp giáp PN kế nhau: tại lớp tiếp giáp PN các điện tử của N sẽ khuếch tán sang P để kết hợp với lỗ trông. Kết quả là tại lớp tiếp giáp PN tạo nên một vùng có rất ít các hạt mang điện được gọi là vùng hiếm. Lưu ý: cả hai chất bán dẫn P và N đều trung hòa về điện.
- Tại vùng hiếm: Bán dẫn N mất đi các điện tử nên mang điện tích dương và các bán dẫn P vì được nhận thêm điện tử nên mang điện tích âm. Điều này tạo nên 1 điện trường VD ngăn cản sực khuếch tán của các hạt mang điện giữa 2 lớp tiếp giáp.
- Khi phân cực thuận: (V>VD) Các điện tử trong vùng bán dẫn N sẽ vượt qua vùng tiếp giáp PN và chạy về phía cực dương của nguồn điện (đồng thời lỗ trống sẽ chạy về phía cực âm của nguồn điện) , tạo thành dòng điện chạy qua bán dẫn PN. Điều này giống với hoạt động của diode.
- Trong quá trình điện tử từ N về cực dương: các điện tử có thẻ gặp các lỗ trống tại bán dẫn p. Khi đó các điện tử và lỗ tróng có thể kết hợp với nhau tạo thành lien kết cộng hóa trị giữa các nguyên tử trong chất bán dẫn.
- Xét về mặt năng lượng, Khi điện tử kết hợp với lỗ trống có nghĩa là điện tử chuyển từ trạng thía có mức năng lượng cao (Vùng dẫn) sang trạng thái có mức năng lượng thấp (Vùng hóa trị) giống như hiện tượng phát xạ tự phát. Khi đó theo định luật bảo toàn năng lượng , bán dẫn sẽ phát ra một năng lượng bằng độ chênh lệch dữa vùng dẫn và vùng hóa trị. Nếu bán dẫn được sử dụng có dải cấm năng lương trực tiếp thì năng lượng được phát ra dưới dạng Photon anh sang. Đây là nguyên lý phát xạ của LED.
Câu 2. Hoạt động của laze:Phân tích nguyên lý hoạt động của laze.
- Hiện tượng phát xạ kích thích: Tạo ra sự khuếch đại ánh sang trong laze . Khi xảy ra hiện tượng phát xạ kích thích, Photon ánh sáng kích thích điện tử ở vùng dẫn tạo nên 1 photon thứ 2. Hai photon này tiếp tục quá trình kích thích để tạo ra nhiều photon hơn nữa theo cấp số nhân. Các photon này được tạo ra có tính kết hợp (cùng pha, cùng tần số, cùng hướng và cùng phân cực). Như vậy ánh sáng kết hợp được khuếch đại.
- Hiện tượng của sóng ánh sáng khi lan truyền trong Laze: Quá trình chọn lọc tần số hay bước sóng ánh sáng. Theo đó chỉ những sóng ánh sáng có tần số thỏa mãn điều kiện của hốc cộng hưởng thì mới có thể lan truyền và cộng hưởng trong hốc cộng hưởng được như vậy độ rộng phổ của laze bị giới hạn hơn so với LED.
Câu 3. So sánh dải cấm năng lượng trực tiếp và năng lượng gián tiếp của nguồn quang:
Dải cấm năng lượng trực tiếp
Dải cấm năng lượng gián tiếp
- Phần đáy (có mức năng lượng thấp) của vùng dẫn nằm đối diện với phần đỉnh (có mức năng lượng cao) của vùng hóa trị . Như vậy điện tử ở 2 vùng này có động lượng bằng nhau.
- Phần đáy không nằm đối diện với phần . Như vậy điện tử ở 2 vùng này có động lượng không bằng nhau.
- Phát xạ các Photon
- Phát xạ Phonon, không phát xạ (nonradiation), năng lượng nhiệt hoặc dao động phân tử,..
- Hiệu suất phát xạ tự phát và phát xạ kích thích lớn, công xuất phát quang lớn, hiệu quả.
- Hiệu suất phát xạ tự phát và phát xạ kích thích thấp, công xuất phát quang nhỏ.
- Phù hợp với nguồn phát trong thôn gtin quang.
Không phù hợp
Câu 4. Phát xạ tự phát:
Là hiện tượng xảy ra khi một điện tư chuyển từ mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp đồng thời phát ra 1 photon ánh sáng có năng lượng chính bằng hiệu số giữa hai mức năng lượng đó. Quá trình xảy ra khi điện tư ở trạng thái năng lượng không bền và nhảy xuống mức năng lượng thấp, quá trình này diễn ra tự nhiên.
Hiện tượng này xảy ra do các điện tử luôn có khuynh hướng chuyển từ trạng thái có mức năng lượng cao xuống trạng thái có mưc năng lượng thấp ổn định hơn. Các photon ánh sáng được tạo ra một cách ngẫu nhiên không theo thời gian và không gian. Do đó tần số, pha, hướng truyền cũng như phân cực của sóng ánh sáng được tạo ra cũng ngẫu nhiên . Như vậy hiện tượng phát xạ tự phát không có tính chất kết hợp.
LED là một linh kiện điển hình áp dụng hiện tượng này.
Câu 6. Cấu trúc và cách hoạt động của diode PIN
Cấu tạo: Gồm 3 lớp bán dẫn P, I, N. Trong đó chất bàn dẫn I không pha tạp chất hoặc pha tạp chất rất ít nên không có điện tử tự do nên điện trở rất lớn. Lớp này nằm giữa lớp P và N. Lớp I có vai trò giống vùng hiếm trong mối nối P-N nhưng có chiều dài lớn hơn nhằm tăng hiệu xuất hấp thụ photon tới.
Cách hoạt động: Photo diode PIN hoạt động ở chế đọ phân cực ngược, Ánh sáng lọt vào vùng bán dẫn I, có vai trò như vùng hiếm trong mối nối P-N. Ánh sáng này sẽ được hấp thụ và phân phối cho vật liệu . Nếu năng lượng hấp thụ đủ lớn 1 cặp điện tử lỗ trống sẽ được tạo ra. Sự phân cực ngược của vùng hiếm tạo ra điện trường rất lớn chính điện trường này làm cặp điện tử lỗ trống di chuyển ra mạch ngoài tạo thành dòng điện.
Vì lớp I rất dày nên xác xuất hập thụ photon cao, số lượng photon hấp thụ cũng được nhiều hơn. Như vậy lớp I càng dày hệ số lượng tử càng lớn. tuy nhiên thời gian trôi của điện tử lớn nên làm giảm khả năng hoạt động tốc độ cao của PIN.
Câu 7. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của diot quang thác APD:
- Cấu tạo:
P+, N+ là 2 lớp bán dẫn có nồng độ tạp chất rất cao , điện trở 2 lớp này rất nhỏ do đó áp rơi rất nhỏ.
Lớp π có nồng đọ tạp chất thấp gần như tinh khiết giống lớp I của diode PIN. Hầu như tất cả photon được hấp thụ ở vùng này và tạo ra các cặp lỗ trống điện tử tự do.
Điện trường cùng PN+ cao nhất, quá trình nhân điện tử xảy ra ở vùng này. Đây còn gọi là vùng thác lũ.
Khi có ánh sáng chiếu vào, các photon bị hấp thụ trong vùng π, tạo ra các cặp e-p. dưới sự định hướng của điện trường ngoài các lỗ trống di chuyển về phía bán dẫn P+ được nối với cực âm của nguồn. Các điện tử di chuyển về phía tiếp giáp PN+. Điện trường cao trong vung PN+ sẽ tăng tốc cho các điện tử. Các điện tử này đập vào các tinh thể bán dẫn tạo thành các điện tử và lỗ trống mới. các điện tử mới này được gọi là các hạt thứ cấp. Bản than các hạt thứ cấp này sẽ được tăng tốc bởi điện trường và va đập với các tinh thể bán dẫn. Cứ tiếp tục quá trình này sẽ tạo ra rất nhiều hạt mang điện thứ cấp khác. Số hạt mang điện được tạo ra rất nhiều . Quá trình này được gọi là nhân thác lũ.
Lực tăng tốc phải đủ mạnh, điện áp phân cực đủ lớn để cuốn các hạt mang điện và tạo thành quá trình nhân thác lũ. Có khi lên đến vài trăm vôn.
So sánh APD với PIN:
- Đôj nhạy cảu APD cao hơn so với PIN từ 5 – 15dB.
- Hiều xuất lượng tử cao hơn. Hiệu suất lượng tử của APD được nhân lên M lần.
- Vì có cơ chế thác lũ nên đáp ứng R của APD rất cao, cao hơn đáp PIN hàng trăm lần.
- Dải động của APD rộng hơn PIN. Cụ thể: Đoạn tuyến tính cảu APD có mức công suất quang thay đổi từ vài nW đến vài uW (hệ số lớn hơn 1000). Còn PIN chỉ có dải động với hệ số khoảng 100.
-Độ ổn định: vì hệ số thác lũ của APD phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ và điện áp phân cực ngược nên độ ổn định của APD rất kém.
- Phân cực: Để phân cực cho APD hoạt động cần có điện áp rất cao lên đên vài trăm volt, trong khi PIN chỉ cần nhỏ hơn 20V.
- Dòng tối là nhiễu do linh kiện quang tạo ra. Do APD có cơ chế thác lũ nên dòng tối cũng được nhân lên. Vì vậy dòng nhiễu của APD lớn hơn PIN rất nhiều.
Bạn đang đọc truyện trên: Truyen2U.Pro