हिमस्खलन फोटोडिटेक्टर (एपीडी फोटोडेटेक्टर) चे तत्व आणि सध्याची परिस्थिती भाग एक

गोषवारा: हिमस्खलन फोटोडिटेक्टरची मूलभूत रचना आणि कार्य तत्त्व (एपीडी फोटोडिटेक्टर) सादर केले जातात, उपकरणाच्या संरचनेच्या उत्क्रांती प्रक्रियेचे विश्लेषण केले जाते, वर्तमान संशोधन स्थिती सारांशित केली जाते आणि एपीडीच्या भविष्यातील विकासाचा संभाव्य अभ्यास केला जातो.

1. परिचय
फोटोडिटेक्टर हे असे उपकरण आहे जे प्रकाश सिग्नलला विद्युत सिग्नलमध्ये रूपांतरित करते. मध्ये असेमीकंडक्टर फोटोडिटेक्टर, घटनेच्या फोटॉनमुळे उत्तेजित झालेला फोटो व्युत्पन्न केलेला वाहक लागू बायस व्होल्टेज अंतर्गत बाह्य सर्किटमध्ये प्रवेश करतो आणि मोजता येण्याजोगा फोटोकरंट तयार करतो. जास्तीत जास्त प्रतिसाद असतानाही, एक पिन फोटोडिओड जास्तीत जास्त इलेक्ट्रॉन-होल जोड्यांची केवळ एक जोडी तयार करू शकतो, जे अंतर्गत लाभ नसलेले उपकरण आहे. अधिक प्रतिसादासाठी, हिमस्खलन फोटोडायोड (APD) वापरला जाऊ शकतो. फोटोकरंटवर एपीडीचा प्रवर्धन प्रभाव आयनीकरण टक्कर प्रभावावर आधारित आहे. काही विशिष्ट परिस्थितींमध्ये, प्रवेगक इलेक्ट्रॉन आणि छिद्रे इलेक्ट्रॉन-होल जोड्यांची नवीन जोडी तयार करण्यासाठी जाळीशी टक्कर देण्यासाठी पुरेशी ऊर्जा मिळवू शकतात. ही प्रक्रिया एक साखळी अभिक्रिया आहे, ज्यामुळे प्रकाश शोषणाने निर्माण होणाऱ्या इलेक्ट्रॉन-होलच्या जोडीमुळे मोठ्या संख्येने इलेक्ट्रॉन-होल जोड्या तयार होऊ शकतात आणि मोठ्या दुय्यम फोटोक्युरंट तयार होतात. म्हणून, APD मध्ये उच्च प्रतिसाद आणि अंतर्गत लाभ आहे, जे डिव्हाइसचे सिग्नल-टू-आवाज गुणोत्तर सुधारते. APD चा वापर प्रामुख्याने लांब-अंतराच्या किंवा लहान ऑप्टिकल फायबर कम्युनिकेशन सिस्टीममध्ये केला जाईल ज्यामध्ये प्राप्त झालेल्या ऑप्टिकल पॉवरवर इतर मर्यादा आहेत. सध्या, अनेक ऑप्टिकल उपकरण तज्ञ APD च्या संभाव्यतेबद्दल खूप आशावादी आहेत आणि त्यांचा असा विश्वास आहे की संबंधित क्षेत्रांची आंतरराष्ट्रीय स्पर्धात्मकता वाढवण्यासाठी APD चे संशोधन आवश्यक आहे.

2. चा तांत्रिक विकासहिमस्खलन फोटोडिटेक्टर(APD फोटोडिटेक्टर)

२.१ साहित्य
(१)फोटोडिटेक्टर
Si मटेरियल टेक्नॉलॉजी हे एक परिपक्व तंत्रज्ञान आहे जे मायक्रोइलेक्ट्रॉनिक्सच्या क्षेत्रात मोठ्या प्रमाणावर वापरले जाते, परंतु ते 1.31mm आणि 1.55mm च्या तरंगलांबी श्रेणीतील उपकरणे तयार करण्यासाठी योग्य नाही जे सामान्यतः ऑप्टिकल कम्युनिकेशनच्या क्षेत्रात स्वीकारले जातात.

(२) गे
Ge APD चा स्पेक्ट्रल प्रतिसाद ऑप्टिकल फायबर ट्रान्समिशनमध्ये कमी नुकसान आणि कमी फैलाव या आवश्यकतांसाठी योग्य असला तरी, तयारी प्रक्रियेत मोठ्या अडचणी आहेत. याव्यतिरिक्त, Ge चे इलेक्ट्रॉन आणि होल आयनीकरण दर प्रमाण () 1 च्या जवळ आहे, त्यामुळे उच्च-कार्यक्षमता APD उपकरणे तयार करणे कठीण आहे.

(३)In0.53Ga0.47As/InP
APD चा प्रकाश शोषक थर म्हणून In0.53Ga0.47A आणि गुणक स्तर म्हणून InP निवडणे ही एक प्रभावी पद्धत आहे. In0.53Ga0.47A सामग्रीचे शोषण शिखर 1.65mm, 1.31mm, 1.55mm तरंगलांबी सुमारे 104cm-1 उच्च शोषण गुणांक आहे, जे सध्या प्रकाश डिटेक्टरच्या शोषण स्तरासाठी पसंतीचे साहित्य आहे.

(४)InGaAs फोटोडिटेक्टर/मध्येफोटोडिटेक्टर
प्रकाश शोषक थर म्हणून InGaAsP आणि गुणक स्तर म्हणून InP निवडून, 1-1.4 मिमीच्या प्रतिसाद तरंगलांबीसह APD, उच्च क्वांटम कार्यक्षमता, कमी गडद प्रवाह आणि उच्च हिमस्खलन वाढणे तयार केले जाऊ शकते. मिश्रधातूचे वेगवेगळे घटक निवडून, विशिष्ट तरंगलांबीसाठी सर्वोत्तम कामगिरी प्राप्त होते.

(5)InGaAs/InAlAs
In0.52Al0.48A सामग्रीमध्ये बँड गॅप (1.47eV) आहे आणि 1.55mm च्या तरंगलांबी श्रेणीमध्ये शोषत नाही. असे पुरावे आहेत की शुद्ध इलेक्ट्रॉन इंजेक्शनच्या स्थितीत एक गुणक थर म्हणून पातळ In0.52Al0.48As epitaxial लेयर InP पेक्षा चांगली लाभ वैशिष्ट्ये प्राप्त करू शकते.

(6)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs आणि InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
APD च्या कार्यक्षमतेवर परिणाम करणारा एक महत्त्वाचा घटक सामग्रीचा प्रभाव आयनीकरण दर आहे. परिणाम दर्शवितात की गुणक थराचा टक्कर आयनीकरण दर InGaAs (P) /InAlAs आणि In (Al) GaAs/InAlAs सुपरलॅटिस स्ट्रक्चर्स सादर करून सुधारला जाऊ शकतो. सुपरलॅटिस स्ट्रक्चरचा वापर करून, बँड अभियांत्रिकी कंडक्शन बँड आणि व्हॅलेन्स बँड व्हॅल्यूजमधील असममित बँड एज डिसकॉन्टिन्युटी कृत्रिमरीत्या नियंत्रित करू शकते आणि व्हॅलेन्स बँड डिसकॉन्टिन्युटी (ΔEc>>ΔEv) पेक्षा कंडक्शन बँड खंडितता खूप मोठी आहे याची खात्री करू शकते. InGaAs बल्क मटेरियलच्या तुलनेत, InGaAs/InAlAs क्वांटम वेल इलेक्ट्रॉन आयनीकरण दर (a) लक्षणीयरीत्या वाढला आहे, आणि इलेक्ट्रॉन आणि छिद्र अतिरिक्त ऊर्जा मिळवतात. ΔEc>>ΔEv मुळे, अशी अपेक्षा केली जाऊ शकते की इलेक्ट्रॉनद्वारे मिळविलेली ऊर्जा इलेक्ट्रॉन आयनीकरण दर होल आयनीकरण दर (b) मध्ये होल एनर्जीच्या योगदानापेक्षा खूपच जास्त वाढवते. इलेक्ट्रॉन आयनीकरण दर आणि छिद्र आयनीकरण दराचे गुणोत्तर (k) वाढते. म्हणून, उच्च लाभ-बँडविड्थ उत्पादन (GBW) आणि कमी आवाज कार्यक्षमता सुपरलॅटिस संरचना लागू करून मिळवता येते. तथापि, हे InGaAs/InAlAs क्वांटम वेल स्ट्रक्चर APD, जे k मूल्य वाढवू शकते, ऑप्टिकल रिसीव्हर्सना लागू करणे कठीण आहे. याचे कारण असे की जास्तीत जास्त प्रतिसादक्षमतेवर परिणाम करणारा गुणक घटक गडद प्रवाहाने मर्यादित असतो, गुणक आवाजाने नाही. या संरचनेत, गडद प्रवाह प्रामुख्याने InGaAs वेल लेयरच्या अरुंद बँड गॅपसह टनेलिंग इफेक्टमुळे होतो, म्हणून InGaAs ऐवजी विहीर लेयर म्हणून InGaAs ऐवजी, InGaAsP किंवा InAlGaAs सारख्या रुंद-बँड गॅप क्वाटरनरी मिश्रधातूचा परिचय. क्वांटम विहीर रचना गडद प्रवाह दाबू शकते.