مبدأ وحالة كاشف الضوء الانهياري (APD) - الجزء الأول

ملخص: البنية الأساسية ومبدأ عمل كاشف ضوئي للانهيارات الثلجية (كاشف ضوئي APDيتم تقديم ) ، ويتم تحليل عملية تطور بنية الجهاز ، ويتم تلخيص الوضع البحثي الحالي ، ويتم دراسة التطور المستقبلي لـ APD بشكل استباقي.

1. مقدمة
الكاشف الضوئي هو جهاز يحول الإشارات الضوئية إلى إشارات كهربائية.كاشف ضوئي شبه موصلعند تطبيق جهد انحياز، تدخل حاملات الشحنة الضوئية المُثارة بواسطة الفوتون الساقط إلى الدائرة الخارجية، مُشكّلةً تيارًا ضوئيًا قابلًا للقياس. حتى مع أعلى استجابة، لا يُمكن لثنائي PIN الضوئي إنتاج أكثر من زوج واحد من أزواج الإلكترون-فجوة، وهو جهاز يفتقر إلى الكسب الداخلي. ولزيادة الاستجابة، يُمكن استخدام ثنائي ضوئي انهياري (APD). يعتمد تأثير تضخيم التيار الضوئي بواسطة APD على تأثير التصادم التأيني. في ظل ظروف معينة، يُمكن للإلكترونات والفجوات المُتسارعة اكتساب طاقة كافية للتصادم مع الشبكة البلورية، مُنتجةً زوجًا جديدًا من أزواج الإلكترون-فجوة. هذه العملية عبارة عن تفاعل متسلسل، بحيث يُمكن لزوج الإلكترون-فجوة الناتج عن امتصاص الضوء إنتاج عدد كبير من أزواج الإلكترون-فجوة، مُشكّلًا تيارًا ضوئيًا ثانويًا كبيرًا. لذلك، يتميز APD باستجابة عالية وكسب داخلي كبير، مما يُحسّن نسبة الإشارة إلى الضوضاء للجهاز. سيُستخدم APD بشكل أساسي في أنظمة اتصالات الألياف الضوئية بعيدة المدى أو الصغيرة، مع وجود قيود أخرى على الطاقة الضوئية المُستقبلة. في الوقت الحاضر، يتفاءل العديد من خبراء الأجهزة البصرية كثيراً بشأن آفاق تقنية APD، ويعتقدون أن البحث في تقنية APD ضروري لتعزيز القدرة التنافسية الدولية للمجالات ذات الصلة.

2. التطوير التقني لـكاشف ضوئي للانهيارات الثلجية(كاشف ضوئي APD)

2.1 المواد
(1)كاشف ضوئي من السيليكون
تُعد تقنية مادة السيليكون تقنية ناضجة تستخدم على نطاق واسع في مجال الإلكترونيات الدقيقة، ولكنها غير مناسبة لإعداد الأجهزة في نطاق الطول الموجي 1.31 مم و 1.55 مم المقبول عمومًا في مجال الاتصالات البصرية.

(2) جي
على الرغم من أن الاستجابة الطيفية لثنائي الانهيار الضوئي الجرمانيوم (Ge APD) مناسبة لمتطلبات انخفاض الفقد والتشتت في نقل البيانات عبر الألياف الضوئية، إلا أن عملية التحضير تنطوي على صعوبات كبيرة. إضافةً إلى ذلك، فإن نسبة معدل تأين الإلكترونات والفجوات في الجرمانيوم تقارب 1، مما يجعل تحضير أجهزة ثنائي الانهيار الضوئي عالية الأداء أمرًا صعبًا.

(3)In0.53Ga0.47As/InP
يُعدّ اختيار In0.53Ga0.47As كطبقة امتصاص الضوء في الثنائي الضوئي الانهياري (APD) وInP كطبقة مضاعفة طريقة فعّالة. تبلغ ذروة امتصاص مادة In0.53Ga0.47As أطوال موجية 1.65 مم، و1.31 مم، و1.55 مم، ومعامل امتصاص عالٍ يبلغ حوالي 104 سم⁻¹، مما يجعلها المادة المفضلة حاليًا لطبقة امتصاص الضوء في كاشفات الضوء.

(4)كاشف ضوئي من إنديوم غاليوم أرسينيد/فيكاشف ضوئي
باختيار InGaAsP كطبقة ماصة للضوء وInP كطبقة مضاعفة، يمكن تحضير ثنائي ضوئي انهياري (APD) بطول موجة استجابة يتراوح بين 1 و1.4 مم، وكفاءة كمية عالية، وتيار مظلم منخفض، وكسب انهياري عالٍ. وباختيار مكونات سبيكة مختلفة، يتم تحقيق أفضل أداء لأطوال موجية محددة.

(5)InGaAs/InAlAs
تتميز مادة In0.52Al0.48As بفجوة طاقة (1.47 إلكترون فولت) ولا تمتص الضوء في نطاق الطول الموجي 1.55 ميكرومتر. وتشير الأدلة إلى أن طبقة In0.52Al0.48As الرقيقة المترسبة فوقيًا يمكن أن تحقق خصائص تضخيم أفضل من InP كطبقة مضاعفة في حالة حقن الإلكترونات النقية.

(6)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs و InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
يُعدّ معدل التأين التصادمي للمواد عاملاً هاماً يؤثر على أداء الثنائي الضوئي الانهياري (APD). تُظهر النتائج إمكانية تحسين معدل التأين التصادمي لطبقة المضاعفة من خلال إدخال بنيتين فوقيتين: InGaAs(P)/InAlAs وIn(Al)GaAs/InAlAs. باستخدام هذه البنية الفوقية، يُمكن التحكم في عدم استمرارية حافة النطاق غير المتناظرة بين نطاق التوصيل ونطاق التكافؤ، وضمان أن يكون فرق طاقة نطاق التوصيل أكبر بكثير من فرق طاقة نطاق التكافؤ (ΔEc >> ΔEv). بالمقارنة مع مادة InGaAs الصلبة، يزداد معدل تأين الإلكترونات في البئر الكمومي InGaAs/InAlAs (أ) بشكل ملحوظ، حيث تكتسب الإلكترونات والفجوات طاقة إضافية. ونظراً لأن ΔEc >> ΔEv، فمن المتوقع أن تزيد الطاقة المكتسبة للإلكترونات من معدل تأينها بشكل أكبر بكثير من مساهمة طاقة الفجوات في معدل تأينها (ب). تزداد نسبة (k) معدل تأين الإلكترونات إلى معدل تأين الفجوات. لذا، يمكن الحصول على حاصل ضرب عالٍ في عرض النطاق الترددي (GBW) وأداء منخفض الضوضاء باستخدام هياكل الشبكة الفائقة. مع ذلك، فإنّ هيكل البئر الكمومي InGaAs/InAlAs هذا، الذي يزيد قيمة k، يصعب تطبيقه على أجهزة الاستقبال الضوئية. والسبب هو أن عامل المضاعف الذي يؤثر على أقصى استجابة محدود بتيار الظلام، وليس بضوضاء المضاعف. في هذا الهيكل، ينتج تيار الظلام بشكل أساسي عن تأثير النفق الكمومي لطبقة البئر InGaAs ذات فجوة النطاق الضيقة، لذا فإنّ استخدام سبيكة رباعية ذات فجوة نطاق واسعة، مثل InGaAsP أو InAlGaAs، بدلاً من InGaAs كطبقة بئر في هيكل البئر الكمومي، يُمكن أن يُقلل من تيار الظلام.