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

اصل و وضعیت فعلیردیاب نور بهمن (ردیاب نوری APD) قسمت دوم

2.2 ساختار تراشه APD
ساختار تراشه معقول تضمین اساسی دستگاه های با کارایی بالا است. طراحی ساختاری APD عمدتاً ثابت زمان RC، جذب سوراخ در اتصال ناهمگون، زمان عبور حامل از طریق منطقه تخلیه و غیره را در نظر می‌گیرد. توسعه ساختار آن در زیر خلاصه شده است:

(1) ساختار اساسی
ساده‌ترین ساختار APD مبتنی بر فتودیود PIN است، ناحیه P و ناحیه N به شدت دوپ شده‌اند و ناحیه دافع مضاعف نوع N یا نوع P در ناحیه P یا ناحیه N مجاور برای تولید الکترون‌ها و حفره ثانویه معرفی می‌شود. جفت، به طوری که تقویت جریان نور اولیه را درک کنید. برای مواد سری InP، به دلیل اینکه ضریب یونیزاسیون ضربه سوراخ بیشتر از ضریب یونیزاسیون ضربه الکترون است، ناحیه بهره دوپینگ نوع N معمولاً در ناحیه P قرار می گیرد. در یک وضعیت ایده آل، تنها سوراخ هایی به ناحیه بهره تزریق می شود، بنابراین به این ساختار، ساختار تزریق سوراخ می گویند.

(2) جذب و سود متمایز می شوند
با توجه به ویژگی‌های گپ باند وسیع InP (InP 1.35eV و InGaAs 0.75eV است)، InP معمولاً به عنوان ماده ناحیه افزایش و InGaAs به عنوان ماده منطقه جذب استفاده می‌شود.

(3) ساختارهای جذب، گرادیان و بهره (SAGM) به ترتیب پیشنهاد شده‌اند
در حال حاضر، اکثر دستگاه‌های تجاری APD از مواد InP/InGaAs استفاده می‌کنند، InGaAs به عنوان لایه جذب، InP تحت میدان الکتریکی بالا (> 105 ولت بر سانتی‌متر) بدون شکستگی، می‌تواند به عنوان ماده منطقه افزایش استفاده شود. برای این ماده، طراحی این APD به این صورت است که فرآیند بهمن در InP نوع N با برخورد سوراخ ها شکل می گیرد. با توجه به تفاوت زیاد در شکاف باند بین InP و InGaAs، اختلاف سطح انرژی در حدود 0.4eV در باند ظرفیت باعث می‌شود که سوراخ‌های ایجاد شده در لایه جذب InGaAs در لبه ناهمگونی قبل از رسیدن به لایه ضرب‌کننده InP مسدود شود و سرعت بسیار بالا باشد. کاهش می یابد که منجر به زمان پاسخ طولانی و پهنای باند باریک این APD می شود. این مشکل را می توان با افزودن یک لایه انتقال InGaAsP بین دو ماده حل کرد.

(4) ساختارهای جذب، گرادیان، بار و بهره (SAGCM) به ترتیب پیشنهاد شده‌اند.
به منظور تنظیم بیشتر توزیع میدان الکتریکی لایه جذب و لایه افزایش، لایه شارژ به طراحی دستگاه وارد شده است که سرعت و پاسخگویی دستگاه را تا حد زیادی بهبود می بخشد.

(5) ساختار SAGCM تقویت شده با تشدید کننده (RCE).
در طراحی بهینه بالا آشکارسازهای سنتی، باید با این واقعیت روبرو باشیم که ضخامت لایه جذبی عاملی متناقض برای سرعت دستگاه و راندمان کوانتومی است. ضخامت نازک لایه جاذب می تواند زمان عبور حامل را کاهش دهد، بنابراین می توان پهنای باند زیادی به دست آورد. با این حال، در عین حال، برای به دست آوردن راندمان کوانتومی بالاتر، لایه جذب باید ضخامت کافی داشته باشد. راه حل این مشکل می تواند ساختار حفره تشدید (RCE) باشد، یعنی بازتاب دهنده براگ توزیع شده (DBR) در پایین و بالای دستگاه طراحی شده است. آینه DBR از دو نوع ماده با ضریب شکست کم و ضریب شکست بالا در ساختار تشکیل شده است و این دو به طور متناوب رشد می کنند و ضخامت هر لایه با طول موج نور فرودی 1/4 در نیمه هادی مطابقت دارد. ساختار تشدید کننده آشکارساز می تواند الزامات سرعت را برآورده کند، ضخامت لایه جذب را می توان بسیار نازک کرد و بازده کوانتومی الکترون پس از چندین بازتاب افزایش می یابد.

(6) ساختار موجبر جفت لبه (WG-APD)
راه حل دیگر برای حل تضاد اثرات مختلف ضخامت لایه جذبی بر سرعت دستگاه و بازده کوانتومی، معرفی ساختار موجبر جفت لبه است. این ساختار از کنار وارد نور می شود، زیرا لایه جذب بسیار طولانی است، به راحتی می توان بازده کوانتومی بالایی را به دست آورد و در عین حال، لایه جذب را می توان بسیار نازک ساخت و زمان عبور حامل را کاهش داد. بنابراین، این ساختار وابستگی متفاوت پهنای باند و کارایی به ضخامت لایه جذب را حل می‌کند و انتظار می‌رود APD با سرعت بالا و بازده کوانتومی بالا دست یابد. فرآیند WG-APD ساده تر از RCE APD است که فرآیند پیچیده آماده سازی آینه DBR را حذف می کند. بنابراین، در زمینه عملی امکان پذیرتر است و برای اتصال نوری صفحه مشترک مناسب است.

3. نتیجه گیری
توسعه بهمنردیاب نوریمواد و دستگاه ها بررسی می شود. نرخ یونیزاسیون برخورد الکترون و حفره مواد InP نزدیک به InAlAs است که منجر به فرآیند دوگانه دو همزیست حامل می شود که باعث طولانی تر شدن زمان ساخت بهمن و افزایش نویز می شود. در مقایسه با مواد خالص InAlAs، ساختارهای چاه کوانتومی InGaAs (P) /InAlAs و In (Al) GaAs/InAlAs دارای نسبت افزایش ضرایب یونیزاسیون برخورد هستند، بنابراین عملکرد نویز را می توان تا حد زیادی تغییر داد. از نظر ساختار، ساختار SAGCM تقویت شده با تشدید (RCE) و ساختار موجبر جفت لبه (WG-APD) به منظور حل تناقضات اثرات مختلف ضخامت لایه جذبی بر سرعت دستگاه و راندمان کوانتومی توسعه یافته‌اند. با توجه به پیچیدگی فرآیند، کاربرد عملی کامل این دو ساختار نیاز به بررسی بیشتر دارد.