مبدأ وحالة كاشف الضوء الانهياري (APD) - الجزء الثاني

مبدأ والوضع الحالي لـكاشف ضوئي للانهيارات الثلجية (كاشف ضوئي APDالجزء الثاني

2.2 بنية شريحة APD
يُعدّ تصميم الشريحة الأمثل ضمانةً أساسيةً للأجهزة عالية الأداء. ويُراعي التصميم الهيكلي لثنائي الفوتون الانهياري (APD) بشكل أساسي ثابت الزمن RC، والتقاط الثقوب عند الوصلة غير المتجانسة، وزمن انتقال حاملات الشحنة عبر منطقة الاستنزاف، وما إلى ذلك. وفيما يلي ملخص لتطور هيكله:

(1) البنية الأساسية
تعتمد أبسط بنية لثنائي التضخيم الضوئي (APD) على ثنائي PIN الضوئي، حيث تُطعّم منطقتا P و N بكثافة عالية، وتُضاف منطقة طاردة مزدوجة من النوع N أو P في المنطقة المجاورة P أو N لتوليد أزواج ثانوية من الإلكترونات والفجوات، وذلك لتحقيق تضخيم التيار الضوئي الأولي. بالنسبة لمواد سلسلة InP، ولأن معامل تأين الفجوات أكبر من معامل تأين الإلكترونات، تُوضع منطقة التضخيم المُطعّمة من النوع N عادةً في منطقة P. في الحالة المثالية، تُحقن الفجوات فقط في منطقة التضخيم، ولذلك تُسمى هذه البنية ببنية حقن الفجوات.

(2) يتم التمييز بين الامتصاص والكسب
نظراً لخصائص فجوة النطاق الواسعة لـ InP (InP هو 1.35 إلكترون فولت و InGaAs هو 0.75 إلكترون فولت)، فإن InP يستخدم عادة كمادة منطقة الكسب و InGaAs كمادة منطقة الامتصاص.

(3) تم اقتراح هياكل الامتصاص والتدرج والكسب (SAGM) على التوالي
تستخدم معظم أجهزة APD التجارية حاليًا مادة InP/InGaAs، حيث تُستخدم InGaAs كطبقة امتصاص، بينما يمكن استخدام InP كمادة لمنطقة التضخيم تحت تأثير مجال كهربائي عالٍ (>5x105 فولت/سم) دون حدوث انهيار. يعتمد تصميم جهاز APD هذا على تكوّن عملية الانهيار الجليدي في InP من النوع N نتيجة تصادم الثقوب. ونظرًا للاختلاف الكبير في فجوة الطاقة بين InP وInGaAs، فإن فرق مستوى الطاقة البالغ حوالي 0.4 إلكترون فولت في نطاق التكافؤ يعيق حركة الثقوب المتولدة في طبقة امتصاص InGaAs عند حافة الوصلة غير المتجانسة قبل وصولها إلى طبقة مضاعفة InP، مما يُقلل سرعتها بشكل كبير، وينتج عنه زمن استجابة طويل وعرض نطاق ترددي ضيق لجهاز APD هذا. يمكن حل هذه المشكلة بإضافة طبقة انتقالية من InGaAsP بين المادتين.

(4) تم اقتراح هياكل الامتصاص والتدرج والشحنة والكسب (SAGCM) على التوالي
من أجل ضبط توزيع المجال الكهربائي لطبقة الامتصاص وطبقة الكسب بشكل أكبر، يتم إدخال طبقة الشحنة في تصميم الجهاز، مما يحسن بشكل كبير من سرعة الجهاز واستجابته.

(5) بنية SAGCM المحسّنة بالرنان (RCE)
في التصميم الأمثل المذكور أعلاه للكواشف التقليدية، لا بد من مراعاة أن سُمك طبقة الامتصاص يُمثل عاملاً مُتناقضاً بين سرعة الجهاز وكفاءته الكمية. فالسُمك الرقيق لطبقة الامتصاص يُقلل من زمن انتقال حاملات الشحنة، مما يُتيح الحصول على نطاق ترددي واسع. مع ذلك، وللحصول على كفاءة كمية أعلى، يجب أن تتمتع طبقة الامتصاص بسُمك كافٍ. يُمكن حل هذه المشكلة باستخدام بنية تجويف الرنين (RCE)، أي تصميم عاكس براغ المُوزع (DBR) في الجزء السفلي والعلوي من الجهاز. تتكون مرآة DBR من نوعين من المواد، أحدهما ذو معامل انكسار منخفض والآخر ذو معامل انكسار عالٍ، وتنمو هاتان المادتان بالتناوب، بحيث يُساوي سُمك كل طبقة ربع الطول الموجي للضوء الساقط في أشباه الموصلات. تُلبي بنية الرنين للكاشف متطلبات السرعة، كما يُمكن تصنيع طبقة امتصاص رقيقة للغاية، مما يزيد من الكفاءة الكمية للإلكترونات بعد عدة انعكاسات.

(6) بنية الموجه الموصولة بالحافة (WG-APD)
يُعدّ استخدام بنية دليل الموجة المقترن بالحافة حلاً آخر لمعالجة التناقض بين تأثيرات سُمك طبقة الامتصاص المختلفة على سرعة الجهاز وكفاءته الكمية. تدخل هذه البنية الضوء من الجانب، وبفضل طول طبقة الامتصاص، يسهل الحصول على كفاءة كمية عالية، وفي الوقت نفسه، يمكن تصنيع طبقة امتصاص رقيقة جدًا، مما يقلل من زمن انتقال حاملات الشحنة. بالتالي، تعالج هذه البنية اختلاف اعتماد عرض النطاق والكفاءة على سُمك طبقة الامتصاص، ومن المتوقع أن تُحقق معدلًا عاليًا وكفاءة كمية عالية في الثنائي الضوئي الانهياري (APD). تُعدّ عملية تصنيع الثنائي الضوئي الانهياري ذي دليل الموجة (WG-APD) أبسط من عملية تصنيع الثنائي الضوئي الانهياري ذي الاقتران العكسي (RCE APD)، مما يُلغي عملية التحضير المعقدة لمرآة DBR. لذلك، فهي أكثر جدوى في التطبيق العملي ومناسبة للوصلات البصرية المستوية المشتركة.

3. الخاتمة
تطور الانهيارات الثلجيةكاشف ضوئيتُستعرض في هذه الدراسة المواد والأجهزة. تتشابه معدلات تأين تصادم الإلكترونات والفجوات في مواد InP مع تلك الموجودة في InAlAs، مما يؤدي إلى عملية مزدوجة لثنائي حاملات الشحنة، الأمر الذي يُطيل زمن تكوين الانهيار الجليدي ويزيد من التشويش. بالمقارنة مع مواد InAlAs النقية، تتميز هياكل الآبار الكمومية InGaAs(P)/InAlAs وIn(Al)GaAs/InAlAs بنسبة أعلى من معاملات تأين التصادم، مما يُحسّن أداء التشويش بشكل ملحوظ. من حيث البنية، طُوّرت بنية SAGCM المُحسّنة بالرنان (RCE) وبنية الدليل الموجي المقترن بالحافة (WG-APD) لحل التناقضات الناتجة عن اختلاف تأثير سُمك طبقة الامتصاص على سرعة الجهاز وكفاءته الكمومية. ونظرًا لتعقيد العملية، لا يزال التطبيق العملي الكامل لهاتين البنيتين بحاجة إلى مزيد من البحث.