Kokkuvõte: Laviinifotodetektori põhistruktuur ja tööpõhimõte (APD fotodetektor) tutvustatakse, analüüsitakse seadme struktuuri evolutsiooniprotsessi, võetakse kokku praegune uurimisseisund ja uuritakse APD edasist arengut prospektiivselt.
1. Sissejuhatus
Fotodetektor on seade, mis muundab valgussignaalid elektrilisteks signaalideks. Ühespooljuhtfotodetektor, langeva footoni poolt ergastatud fototekitatud laengukandja siseneb rakendatud eelpinge all välisele vooluringile ja moodustab mõõdetava fotovoolu. Isegi maksimaalse reageerimisvõime korral suudab PIN-fotodiood toota maksimaalselt kaks elektron-auk paari, mis on seade ilma sisemise võimenduseta. Suurema reageerimisvõime saavutamiseks saab kasutada laviinfotodioodi (APD). APD võimendav efekt fotovoolule põhineb ionisatsioonilise kokkupõrke efektil. Teatud tingimustel saavad kiirendatud elektronid ja augud piisavalt energiat, et põrkuda võrega ja tekitada uus elektron-auk paaride paar. See protsess on ahelreaktsioon, nii et valguse neeldumise teel tekitatud elektron-auk paaride paar võib toota suure hulga elektron-auk paare ja moodustada suure sekundaarse fotovoolu. Seetõttu on APD-l kõrge reageerimisvõime ja sisemine võimendus, mis parandab seadme signaali-müra suhet. APD-d kasutatakse peamiselt pikamaa- või väiksemates optilistes kiudsidesüsteemides, kus on ka muid piiranguid vastuvõetava optilise võimsuse osas. Praegu on paljud optikaseadmete eksperdid APD väljavaadete suhtes väga optimistlikud ja usuvad, et APD uurimine on vajalik seotud valdkondade rahvusvahelise konkurentsivõime suurendamiseks.
2. Tehniline arenglaviini fotodetektor(APD fotodetektor)
2.1 Materjalid
(1)Si fotodetektor
Si-materjali tehnoloogia on küps tehnoloogia, mida kasutatakse laialdaselt mikroelektroonika valdkonnas, kuid see ei sobi optilise side valdkonnas üldiselt aktsepteeritud 1,31 mm ja 1,55 mm lainepikkuste vahemikus olevate seadmete valmistamiseks.
(2) Ge
Kuigi Ge APD spektraalkarakteristik sobib optilise kiu ülekande madala kadu ja dispersiooni nõuete täitmiseks, on valmistamisprotsessis suuri raskusi. Lisaks on Ge elektronide ja aukude ionisatsioonikiiruse suhe lähedane väärtusele () 1, mistõttu on keeruline valmistada suure jõudlusega APD-seadmeid.
(3) In0,53Ga0,47As/InP
In0.53Ga0.47As valimine APD valguse neeldumiskihiks ja InP multiplikaatori kihiks on efektiivne meetod. In0.53Ga0.47As materjali neeldumispiik on 1,65 mm, 1,31 mm, 1,55 mm lainepikkus on umbes 104 cm-1 ja kõrge neeldumistegur on praegu valguse detektori neeldumiskihi eelistatud materjal.
(4)InGaAs fotodetektor/Sissefotodetektor
Valides valgust neelava kihina InGaAsP ja kordistava kihina InP, saab valmistada APD-d, mille vastuslainepikkus on 1–1,4 mm, millel on kõrge kvantefektiivsus, madal tumevool ja suur laviinivõimendus. Erinevate sulamikomponentide valikuga saavutatakse parim jõudlus teatud lainepikkuste puhul.
(5)InGaAs/InAlAs
In0.52Al0.48As materjalil on keelutsoon (1,47 eV) ja see ei neela lainepikkuste vahemikus 1,55 mm. On tõendeid selle kohta, et õhuke In0.52Al0.48As epitaksiaalkiht võib puhta elektronide süstimise tingimustes multiplikaatorkihina saavutada paremaid võimendusomadusi kui InP.
(6)InGaAs/InGaAs (P)/InAlAs ja InGaAs/In(Al) GaAs/InAlAs
Materjalide löökionisatsioonikiirus on oluline tegur, mis mõjutab APD jõudlust. Tulemused näitavad, et multiplikaatori kihi kokkupõrke-ionisatsioonikiirust saab parandada InGaAs (P) /InAlAs ja In (Al) GaAs/InAlAs supervõrestruktuuride abil. Supervõrestruktuuri abil saab tsoonide konstrueerimise abil kunstlikult kontrollida asümmeetrilist tsooni serva katkestust juhtivus- ja valentsustsooni väärtuste vahel ning tagada, et juhtivusstsooni katkestus oleks palju suurem kui valentsustsooni katkestus (ΔEc>>ΔEv). Võrreldes InGaAs-i põhimaterjalidega on InGaAs/InAlAs-i kvantkaevude elektronide ionisatsioonikiirus (a) oluliselt suurenenud ning elektronid ja augud saavad lisaenergiat. Tänu ΔEc>>ΔEv-le võib eeldada, et elektronide poolt saavutatav energia suurendab elektronide ionisatsioonikiirust palju rohkem kui augu energia panus augu ionisatsioonikiirusse (b). Elektronide ionisatsioonikiiruse ja augu ionisatsioonikiiruse suhe (k) suureneb. Seega saab ülivõrestruktuuride rakendamisega saavutada suure võimenduse-ribalaiuse korrutise (GBW) ja madala mürataseme. Sellist InGaAs/InAlAs kvantkaevude struktuuri APD-d, mis võib suurendada k väärtust, on aga optiliste vastuvõtjate puhul keeruline rakendada. Selle põhjuseks on asjaolu, et maksimaalset reageerimisvõimet mõjutavat kordistajat piirab tumevool, mitte kordistaja müra. Selles struktuuris põhjustab tumevool peamiselt kitsa keelutsooniga InGaAs-kaevukihi tunnelefekti, seega võib laia keelutsooniga kvaternaarse sulami, näiteks InGaAsP või InAlGaAs, lisamine InGaAs-i asemel kvantkaevu struktuuri kaevukihina tumevoolu summutada.
Postituse aeg: 13. november 2023