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

सारांश: हिमस्खलन फोटोडिटेक्टरची मूलभूत रचना आणि कार्य तत्त्व (एपीडी फोटोडिटेक्टर) सादर केले जातात, उपकरणाच्या संरचनेच्या उत्क्रांती प्रक्रियेचे विश्लेषण केले जाते, सध्याच्या संशोधन स्थितीचा सारांश दिला जातो आणि APD च्या भविष्यातील विकासाचा संभाव्य अभ्यास केला जातो.

१. परिचय
फोटोडिटेक्टर हे एक उपकरण आहे जे प्रकाश सिग्नलचे विद्युत सिग्नलमध्ये रूपांतर करते. एकाअर्धवाहक फोटोडिटेक्टर, घटनेमुळे उत्तेजित झालेला फोटो-जनरेटेड कॅरियर फोटॉन लागू केलेल्या बायस व्होल्टेज अंतर्गत बाह्य सर्किटमध्ये प्रवेश करतो आणि मोजता येणारा फोटोकरंट तयार करतो. जास्तीत जास्त प्रतिसादक्षमतेवरही, पिन फोटोडायोड जास्तीत जास्त फक्त इलेक्ट्रॉन-होल जोड्यांची जोडी तयार करू शकतो, जे अंतर्गत लाभ नसलेले उपकरण आहे. अधिक प्रतिसादक्षमतेसाठी, हिमस्खलन फोटोडायोड (APD) वापरला जाऊ शकतो. फोटोकरंटवरील APD चा प्रवर्धन प्रभाव आयनीकरण टक्कर परिणामावर आधारित असतो. काही विशिष्ट परिस्थितीत, प्रवेगक इलेक्ट्रॉन आणि छिद्र जाळीशी टक्कर देण्यासाठी पुरेशी ऊर्जा मिळवू शकतात जेणेकरून इलेक्ट्रॉन-होल जोड्यांची एक नवीन जोडी तयार होईल. ही प्रक्रिया एक साखळी प्रतिक्रिया आहे, ज्यामुळे प्रकाश शोषणाने निर्माण होणारी इलेक्ट्रॉन-होल जोड्यांची जोडी मोठ्या संख्येने इलेक्ट्रॉन-होल जोड्या तयार करू शकते आणि एक मोठा दुय्यम फोटोकरंट तयार करू शकते. म्हणून, APD मध्ये उच्च प्रतिसादक्षमता आणि अंतर्गत लाभ आहे, जो डिव्हाइसचा सिग्नल-टू-नॉइज रेशो सुधारतो. APD प्रामुख्याने लांब-अंतराच्या किंवा लहान ऑप्टिकल फायबर कम्युनिकेशन सिस्टममध्ये वापरला जाईल ज्यामध्ये प्राप्त 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 वाढविण्यासाठी APD चे संशोधन आवश्यक आहे.

२. तांत्रिक विकासहिमस्खलन फोटोडिटेक्टर(एपीडी फोटोडिटेक्टर)

२.१ साहित्य
(१)सी फोटोडिटेक्टर
सी मटेरियल तंत्रज्ञान हे एक परिपक्व तंत्रज्ञान आहे जे मायक्रोइलेक्ट्रॉनिक्सच्या क्षेत्रात मोठ्या प्रमाणावर वापरले जाते, परंतु ते १.३१ मिमी आणि १.५५ मिमीच्या तरंगलांबी श्रेणीतील उपकरणांच्या तयारीसाठी योग्य नाही जे सामान्यतः ऑप्टिकल कम्युनिकेशनच्या क्षेत्रात स्वीकारले जातात.

(२) जीई
जरी Ge APD चा वर्णक्रमीय प्रतिसाद ऑप्टिकल फायबर ट्रान्समिशनमध्ये कमी तोटा आणि कमी फैलाव या आवश्यकतांसाठी योग्य असला तरी, तयारी प्रक्रियेत मोठ्या अडचणी येतात. याव्यतिरिक्त, Ge चे इलेक्ट्रॉन आणि होल आयनीकरण दर गुणोत्तर () 1 च्या जवळ आहे, त्यामुळे उच्च-कार्यक्षमता APD उपकरणे तयार करणे कठीण आहे.

(३)इंच०.५३गॅ०.४७ए/इंचपी
APD च्या प्रकाश शोषण थरासाठी In0.53Ga0.47A आणि गुणक थर म्हणून InP निवडणे ही एक प्रभावी पद्धत आहे. In0.53Ga0.47A मटेरियलची शोषण शिखर 1.65 मिमी, 1.31 मिमी, 1.55 मिमी तरंगलांबी सुमारे 104cm-1 उच्च शोषण गुणांक आहे, जी सध्या प्रकाश शोधकाच्या शोषण थरासाठी पसंतीची सामग्री आहे.

(४)InGaAs फोटोडिटेक्टर/मध्येफोटोडिटेक्टर
प्रकाश शोषक थर म्हणून InGaAsP आणि गुणक थर म्हणून InP निवडून, 1-1.4 मिमी प्रतिसाद तरंगलांबी, उच्च क्वांटम कार्यक्षमता, कमी गडद प्रवाह आणि उच्च हिमस्खलन वाढ असलेले APD तयार केले जाऊ शकते. वेगवेगळ्या मिश्र धातु घटकांची निवड करून, विशिष्ट तरंगलांबींसाठी सर्वोत्तम कामगिरी साध्य केली जाते.

(५)InGaAs/InAlAs
In0.52Al0.48A मटेरियलमध्ये बँड गॅप (1.47eV) असतो आणि तो 1.55 मिमीच्या तरंगलांबी श्रेणीत शोषत नाही. असे पुरावे आहेत की पातळ In0.52Al0.48A एपिटॅक्सियल लेयर शुद्ध इलेक्ट्रॉन इंजेक्शनच्या स्थितीत गुणक थर म्हणून InP पेक्षा चांगले लाभ वैशिष्ट्ये प्राप्त करू शकते.

(6)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs आणि InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
APD च्या कामगिरीवर परिणाम करणारा पदार्थांचा प्रभाव आयनीकरण दर हा एक महत्त्वाचा घटक आहे. निकालांवरून असे दिसून येते की गुणक थराचा टक्कर आयनीकरण दर InGaAs (P) /InAlAs आणि In (Al) GaAs/InAlAs सुपरलॅटिस स्ट्रक्चर्स सादर करून सुधारता येतो. सुपरलॅटिस स्ट्रक्चर वापरून, बँड इंजिनिअरिंग कृत्रिमरित्या कंडक्शन बँड आणि व्हॅलेन्स बँड व्हॅल्यूजमधील असममित बँड एज डिस्कनटिन्युटी नियंत्रित करू शकते आणि कंडक्शन बँड डिस्कनटिन्युटी व्हॅलेन्स बँड डिस्कनटिन्युटी (ΔEc>ΔEv) पेक्षा खूप मोठी आहे याची खात्री करू शकते. InGaAs बल्क मटेरियलच्या तुलनेत, InGaAs/InAlAs क्वांटम वेल इलेक्ट्रॉन आयनीकरण दर (a) लक्षणीयरीत्या वाढतो आणि इलेक्ट्रॉन आणि छिद्र अतिरिक्त ऊर्जा मिळवतात. ΔEc>ΔEv मुळे, इलेक्ट्रॉनद्वारे मिळवलेली ऊर्जा इलेक्ट्रॉन आयनीकरण दर छिद्र आयनीकरण दर (b) मध्ये होल एनर्जीच्या योगदानापेक्षा खूपच जास्त वाढवते अशी अपेक्षा केली जाऊ शकते. इलेक्ट्रॉन आयनीकरण दर आणि होल आयनीकरण दराचे गुणोत्तर (k) वाढते. म्हणून, सुपरलॅटिस स्ट्रक्चर्स लागू करून उच्च गेन-बँडविड्थ उत्पादन (GBW) आणि कमी आवाज कामगिरी मिळवता येते. तथापि, हे InGaAs/InAlAs क्वांटम वेल स्ट्रक्चर APD, जे k व्हॅल्यू वाढवू शकते, ते ऑप्टिकल रिसीव्हर्सवर लागू करणे कठीण आहे. याचे कारण असे की जास्तीत जास्त प्रतिसादक्षमतेवर परिणाम करणारा गुणक घटक गडद प्रवाहाद्वारे मर्यादित असतो, गुणक आवाजाद्वारे नाही. या रचनेत, गडद प्रवाह प्रामुख्याने अरुंद बँड गॅप असलेल्या InGaAs विहिरीच्या थराच्या टनेलिंग इफेक्टमुळे होतो, म्हणून क्वांटम वेल स्ट्रक्चरच्या विहिरीच्या थर म्हणून InGaAs ऐवजी InGaAsP किंवा InAlGaAs सारख्या वाइड-बँड गॅप क्वाटरनरी मिश्रधातूचा परिचय गडद प्रवाह दाबू शकतो.