اصل و وضعیت فعلی ردیاب نور بهمن (فتودتکتور APD) قسمت اول

چکیده: ساختار اولیه و اصل کار آشکارساز نور بهمن (ردیاب نوری APD) معرفی می شوند، فرآیند تکامل ساختار دستگاه تجزیه و تحلیل می شود، وضعیت تحقیق فعلی خلاصه می شود، و توسعه آینده APD به صورت آینده نگر مورد مطالعه قرار می گیرد.

1. مقدمه
ردیاب نوری دستگاهی است که سیگنال های نور را به سیگنال های الکتریکی تبدیل می کند. در یکردیاب نوری نیمه هادیحامل عکس تولید شده توسط فوتون فرودی برانگیخته می شود و تحت ولتاژ بایاس اعمال شده وارد مدار خارجی می شود و یک جریان نوری قابل اندازه گیری را تشکیل می دهد. حتی در حداکثر پاسخ‌دهی، یک فتودیود PIN حداکثر می‌تواند یک جفت جفت الکترون-حفره تولید کند که دستگاهی بدون بهره داخلی است. برای پاسخگویی بیشتر، می توان از دیود نوری بهمنی (APD) استفاده کرد. اثر تقویتی APD بر جریان نوری بر اساس اثر برخورد یونیزاسیون است. تحت شرایط خاصی، الکترون‌ها و حفره‌های شتاب‌گرفته می‌توانند انرژی کافی برای برخورد با شبکه برای تولید یک جفت جفت الکترون-حفره جدید به دست آورند. این فرآیند یک واکنش زنجیره ای است، به طوری که جفت جفت الکترون-حفره ایجاد شده توسط جذب نور می تواند تعداد زیادی جفت الکترون-حفره ایجاد کند و یک جریان نوری ثانویه بزرگ را تشکیل دهد. بنابراین APD دارای پاسخگویی و بهره داخلی بالایی است که نسبت سیگنال به نویز دستگاه را بهبود می بخشد. APD عمدتاً در سیستم‌های ارتباطی فیبر نوری در فواصل طولانی یا کوچکتر با محدودیت‌های دیگر در توان نوری دریافتی استفاده می‌شود. در حال حاضر بسیاری از کارشناسان دستگاه های نوری نسبت به چشم انداز APD بسیار خوش بین هستند و معتقدند که تحقیقات APD برای ارتقای رقابت بین المللی حوزه های مرتبط ضروری است.

2. توسعه فنیردیاب نور بهمن(دتکتور نوری APD)

2.1 مواد
(1)ردیاب نوری Si
فناوری مواد Si یک فناوری بالغ است که به طور گسترده در زمینه میکروالکترونیک استفاده می شود، اما برای تهیه دستگاه هایی در محدوده طول موج 1.31 میلی متر و 1.55 میلی متر که عموماً در زمینه ارتباطات نوری پذیرفته شده اند، مناسب نیست.

(2) جنرال الکتریک
اگرچه پاسخ طیفی Ge APD برای الزامات تلفات کم و پراکندگی کم در انتقال فیبر نوری مناسب است، اما در فرآیند آماده سازی مشکلات زیادی وجود دارد. علاوه بر این، نسبت سرعت یونیزاسیون الکترون و حفره Ge نزدیک به () 1 است، بنابراین تهیه دستگاه های APD با کارایی بالا دشوار است.

(3)In0.53Ga0.47As/InP
این یک روش موثر برای انتخاب In0.53Ga0.47As به عنوان لایه جذب نور APD و InP به عنوان لایه ضرب کننده است. پیک جذب مواد In0.53Ga0.47As 1.65mm، 1.31mm، 1.55mm طول موج حدود 104cm-1 ضریب جذب بالا است که در حال حاضر ماده ترجیحی برای لایه جذب آشکارساز نور است.

(4)ردیاب نوری InGaAs/درردیاب نوری
با انتخاب InGaAsP به عنوان لایه جذب کننده نور و InP به عنوان لایه ضریب، APD با طول موج پاسخ 1-1.4 میلی متر، راندمان کوانتومی بالا، جریان تاریک کم و افزایش بهمنی بالا را می توان تهیه کرد. با انتخاب اجزای مختلف آلیاژی، بهترین عملکرد برای طول موج های خاص به دست می آید.

(5)InGaAs/InAlAs
مواد In0.52Al0.48As دارای شکاف باند (1.47eV) است و در محدوده طول موج 1.55 میلی متر جذب نمی شود. شواهدی وجود دارد که لایه نازک In0.52Al0.48As می‌تواند ویژگی‌های بهره بهتری نسبت به InP به عنوان یک لایه ضرب تحت شرایط تزریق الکترون خالص به دست آورد.

(6)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs و InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
نرخ یونیزاسیون ضربه مواد یک عامل مهم موثر بر عملکرد APD است. نتایج نشان می‌دهد که نرخ یونیزاسیون برخورد لایه ضرب‌کننده را می‌توان با معرفی ساختارهای ابرشبکه InGaAs (P) /InAlAs و In (Al) GaAs/InAlAs بهبود بخشید. با استفاده از ساختار ابرشبکه، مهندسی باند می‌تواند ناپیوستگی لبه نوار نامتقارن بین باند هدایت و مقادیر باند ظرفیت را به طور مصنوعی کنترل کند و اطمینان حاصل کند که ناپیوستگی نوار رسانایی بسیار بزرگ‌تر از ناپیوستگی باند ظرفیت است (ΔEc>>ΔEv). در مقایسه با مواد حجیم InGaAs، نرخ یونیزاسیون الکترون چاه کوانتومی InGaAs/InAlAs (a) به طور قابل توجهی افزایش یافته است و الکترون ها و حفره ها انرژی اضافی به دست می آورند. با توجه به ΔEc>>ΔEv، می توان انتظار داشت که انرژی به دست آمده توسط الکترون ها نرخ یونیزاسیون الکترون را بسیار بیشتر از سهم انرژی حفره در نرخ یونیزاسیون حفره (b) افزایش دهد. نسبت (k) سرعت یونیزاسیون الکترون به سرعت یونیزاسیون حفره افزایش می یابد. بنابراین، محصول با پهنای باند بالا (GBW) و عملکرد نویز کم را می توان با اعمال ساختارهای ابرشبکه به دست آورد. با این حال، این ساختار چاه کوانتومی InGaAs/InAlAs APD، که می تواند مقدار k را افزایش دهد، به سختی در گیرنده های نوری اعمال می شود. این به این دلیل است که ضریب چند برابری که بر حداکثر پاسخ‌دهی تأثیر می‌گذارد، توسط جریان تاریک محدود می‌شود، نه نویز ضرب‌کننده. در این ساختار، جریان تیره عمدتاً ناشی از اثر تونل زنی لایه چاه InGaAs با شکاف نواری باریک است، بنابراین به جای InGaAs به عنوان لایه چاه، یک آلیاژ چهارتایی شکاف پهن باند مانند InGaAsP یا InAlGaAs معرفی می شود. ساختار چاه کوانتومی می تواند جریان تاریک را سرکوب کند.