Фотодетекторлар және қиылысу толқын ұзындықтары

Фотодетекторларжәне толқын ұзындықтарын кесу

Бұл мақалада фотодетекторлардың материалдары мен жұмыс принциптеріне (әсіресе жолақ теориясына негізделген жауап механизміне), сондай-ақ әртүрлі жартылай өткізгіш материалдардың негізгі параметрлері мен қолдану сценарийлеріне назар аударылады.
1. Негізгі принцип: Фотодетектор фотоэлектрлік эффект негізінде жұмыс істейді. Түскен фотондар валенттік аймақтан өткізгіштік аймаққа электрондарды қоздыру үшін жеткілікті энергияны (материалдың Eg тыйым салынған аймағының енінен үлкен) тасымалдауы керек, бұл анықталатын электрлік сигналды құрайды. Фотон энергиясы толқын ұзындығына кері пропорционал, сондықтан детектордың «кесу толқын ұзындығы» (λ c) бар – жауап бере алатын максималды толқын ұзындығы, одан асып кетсе, ол тиімді жауап бере алмайды. Кесу толқын ұзындығын λ c ≈ 1240/Eg (nm) формуласын пайдаланып бағалауға болады, мұндағы Eg эВ-пен өлшенеді.
2. Негізгі жартылай өткізгіш материалдар және олардың сипаттамалары:
Кремний (Si): өткізу жолағының ені шамамен 1,12 эВ, толқын ұзындығының қимасы шамамен 1107 нм. 850 нм сияқты қысқа толқын ұзындығын анықтауға жарамды, көбінесе қысқа қашықтықтағы көп режимді талшықты-оптикалық қосылыстар үшін қолданылады (мысалы, деректер орталықтары).
Галлий арсениді (GaAs): тыйым салынған аймақтың ені 1,42 эВ, қиылысу толқын ұзындығы шамамен 873 нм. 850 нм толқын ұзындығы диапазонына сәйкес келетіндіктен, оны бір чиптегі сол материалдан жасалған VCSEL жарық көздерімен біріктіруге болады.
Индий галлий арсениді (InGaAs): тыйым салынған аймақтың енін 0,36 ~ 1,42 эВ аралығында реттеуге болады, ал толқын ұзындығының қиылысу нүктесі 873 ~ 3542 нм құрайды. Бұл 1310 нм және 1550 нм талшықты байланыс терезелері үшін негізгі детектор материалы, бірақ InP негізін қажет етеді және кремний негізіндегі тізбектермен біріктіру қиын.
Германий (Ge): шамамен 0,66 эВ өткізу жолағының ені және шамамен 1879 нм қиылысу толқын ұзындығымен. Ол 1550 нм-ден 1625 нм-ге дейін (L-диапазоны) қамтуы мүмкін және кремний негіздерімен үйлесімді, бұл оны ұзын диапазондарға жауап беруді ұзарту үшін қолайлы шешім етеді.
Кремний германий қорытпасы (мысалы, Si0.5Ge0.5): тыйым салынған аймақтың ені шамамен 0,96 эВ, қиылысу толқын ұзындығы шамамен 1292 нм. Кремнийге германийді қосу арқылы жауап толқын ұзындығын кремний негізіндегі ұзын жолақтарға дейін ұзартуға болады.
3. Қолданба сценарийінің ассоциациясы:
850 нм диапазоны:Кремний фотодетекторларынемесе GaAs фотодетекторларын пайдалануға болады.
1310/1550 нм диапазоны:InGaAs фотодетекторларынегізінен қолданылады. Таза германий немесе кремний германий қорытпасынан жасалған фотодетекторлар да осы диапазонды қамтуы мүмкін және кремний негізіндегі интеграцияда әлеуетті артықшылықтарға ие.

Жалпы алғанда, жолақ теориясы мен қиылысу толқын ұзындығының негізгі тұжырымдамалары арқылы фотодетекторлардағы әртүрлі жартылай өткізгіш материалдардың қолдану сипаттамалары мен толқын ұзындығын қамту диапазоны жүйелі түрде қарастырылды және материалды таңдау, талшықты-оптикалық байланыс толқын ұзындығы терезесі және интеграция процесінің құны арасындағы тығыз байланыс көрсетілді.