ملخص: الهيكل الأساسي ومبدأ العمل للكاشف الضوئي للانهيار الجليدي (كاشف ضوئي APD) يتم تقديمها، ويتم تحليل عملية تطور بنية الجهاز، ويتم تلخيص حالة البحث الحالية، ويتم دراسة التطوير المستقبلي لـ APD بأثر رجعي.
1 المقدمة
الكاشف الضوئي هو جهاز يحول الإشارات الضوئية إلى إشارات كهربائية.فيكاشف ضوئي لأشباه الموصلات، تدخل الموجة الحاملة المولدة بالصور والتي تثيرها الفوتون الحادث إلى الدائرة الخارجية تحت جهد التحيز المطبق وتشكل تيارًا ضوئيًا قابلاً للقياس.حتى في أقصى استجابة، يمكن للثنائي الضوئي PIN أن ينتج فقط زوجًا من أزواج ثقب الإلكترون على الأكثر، وهو جهاز بدون مكاسب داخلية.للحصول على استجابة أكبر، يمكن استخدام الثنائي الضوئي الانهيار (APD).يعتمد تأثير تضخيم APD على التيار الكهروضوئي على تأثير تصادم التأين.في ظل ظروف معينة، يمكن للإلكترونات والثقوب المتسارعة الحصول على طاقة كافية للاصطدام بالشبكة لإنتاج زوج جديد من أزواج الثقوب الإلكترونية.هذه العملية عبارة عن تفاعل متسلسل، بحيث يمكن لزوج أزواج ثقب الإلكترون المتولد عن امتصاص الضوء إنتاج عدد كبير من أزواج ثقب الإلكترون وتشكيل تيار ضوئي ثانوي كبير.ولذلك، يتمتع APD باستجابة عالية وكسب داخلي، مما يحسن نسبة الإشارة إلى الضوضاء في الجهاز.سيتم استخدام APD بشكل أساسي في أنظمة اتصالات الألياف الضوئية بعيدة المدى أو الأصغر حجمًا مع قيود أخرى على الطاقة الضوئية المستقبلة.في الوقت الحاضر، العديد من خبراء الأجهزة البصرية متفائلون للغاية بشأن آفاق APD، ويعتقدون أن البحث في APD ضروري لتعزيز القدرة التنافسية الدولية في المجالات ذات الصلة.
2. التطوير الفني للكاشف ضوئي الانهيار الجليدي(كاشف ضوئي APD)
2.1 المواد
(1)كاشف ضوئي سي
تعد تقنية المواد Si تقنية ناضجة تستخدم على نطاق واسع في مجال الإلكترونيات الدقيقة، ولكنها غير مناسبة لإعداد الأجهزة في نطاق الطول الموجي 1.31 مم و1.55 مم المقبولة عمومًا في مجال الاتصالات البصرية.
(2) جنرال الكتريك
على الرغم من أن الاستجابة الطيفية لـ Ge APD مناسبة لمتطلبات الفقد المنخفض والتشتت المنخفض في نقل الألياف الضوئية، إلا أن هناك صعوبات كبيرة في عملية التحضير.بالإضافة إلى ذلك، فإن نسبة معدل التأين للإلكترون والفتحة في Ge قريبة من () 1، لذلك من الصعب إعداد أجهزة APD عالية الأداء.
(3) In0.53Ga0.47As/InP
إنها طريقة فعالة لتحديد In0.53Ga0.47As كطبقة امتصاص الضوء لـ APD وInP كطبقة مضاعفة.ذروة الامتصاص للمادة In0.53Ga0.47As هي 1.65 مم، 1.31 مم، الطول الموجي 1.55 مم حوالي 104 سم -1 معامل امتصاص عالي، وهي المادة المفضلة لطبقة الامتصاص لكاشف الضوء في الوقت الحاضر.
(4)كاشف ضوئي InGaAs/فيphotodetector
من خلال اختيار InGaAsP كطبقة ممتصة للضوء وInP كطبقة مضاعفة، يمكن إعداد APD بطول موجة استجابة يبلغ 1-1.4 مم، وكفاءة كمية عالية، وتيار مظلم منخفض، وكسب انهيار جليدي مرتفع.ومن خلال اختيار مكونات سبائك مختلفة، يتم تحقيق أفضل أداء لأطوال موجية محددة.
(5) InGaAs/InAlAs
تحتوي المادة In0.52Al0.48As على فجوة شريطية (1.47eV) ولا يتم امتصاصها عند نطاق الطول الموجي 1.55 مم.هناك دليل على أن الطبقة الفوقية الرقيقة In0.52Al0.48As يمكن أن تحصل على خصائص كسب أفضل من InP كطبقة مضاعفة في حالة حقن الإلكترون النقي.
(6) InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs وInGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
يعد معدل التأين للمواد عاملاً مهمًا يؤثر على أداء APD.أظهرت النتائج أنه يمكن تحسين معدل التأين الاصطدامي للطبقة المضاعفة عن طريق إدخال هياكل الشبكة الفائقة InGaAs (P) /InAlAs وIn (Al) GaAs/InAlAs.باستخدام بنية الشبكة الفائقة، يمكن لهندسة النطاق التحكم بشكل مصطنع في انقطاع حافة النطاق غير المتماثل بين نطاق التوصيل وقيم نطاق التكافؤ، والتأكد من أن انقطاع نطاق التوصيل أكبر بكثير من انقطاع نطاق التكافؤ (ΔEc>>ΔEv).بالمقارنة مع المواد السائبة InGaAs، يزداد معدل التأين الإلكتروني (a) لـ InGaAs/InAlAs بشكل ملحوظ، وتكتسب الإلكترونات والثقوب طاقة إضافية.بسبب ΔEc>>ΔEv، يمكن توقع أن الطاقة المكتسبة بواسطة الإلكترونات تزيد من معدل تأين الإلكترون أكثر بكثير من مساهمة طاقة الثقب في معدل تأين الثقب (ب).تزداد نسبة (ك) معدل تأين الإلكترون إلى معدل تأين الثقب.ولذلك، يمكن الحصول على منتج عرض النطاق الترددي العالي (GBW) وأداء منخفض الضوضاء من خلال تطبيق هياكل الشبكة الفائقة.ومع ذلك، فإن بنية البئر الكمومية InGaAs/InAlAs APD، والتي يمكن أن تزيد من قيمة k، يصعب تطبيقها على أجهزة الاستقبال البصرية.وذلك لأن العامل المضاعف الذي يؤثر على الاستجابة القصوى يقتصر على التيار المظلم، وليس الضوضاء المضاعف.في هذا الهيكل، يحدث التيار المظلم بشكل أساسي بسبب تأثير نفق طبقة البئر InGaAs مع فجوة نطاق ضيقة، لذلك يتم إدخال سبيكة رباعية ذات فجوة واسعة النطاق، مثل InGaAsP أو InAlGaAs، بدلاً من InGaAs كطبقة البئر من بنية البئر الكمومية يمكن أن تقمع التيار المظلم.
وقت النشر: 13 نوفمبر 2023