المبدأ والحالة الحالية لـAvalanche PhotoDetector (APD PhotoDetector) الجزء الثاني
2.2 بنية رقاقة APD
هيكل رقاقة معقول هو الضمان الأساسي للأجهزة عالية الأداء. يعتبر التصميم الهيكلي لـ APD بشكل أساسي وقت RC ، والتقاط الثقب في غير متجانسة ، ووقت النقل الحامل من خلال منطقة النضوب وما إلى ذلك. تم تلخيص تطوير هيكله أدناه:
(1) الهيكل الأساسي
يعتمد أبسط بنية APD على ثنائيات الدبوس الضوئي ، ومنطقة P ومنطقة N مخدرة بشدة ، ويتم تقديم منطقة N-type أو P-type على نحو مضاعف في المنطقة P المتاخمة أو المنطقة N لتوليد إلكترونات ثانوية وأزواج ثقب ، وذلك لتحقيق التضخيم للموسيقى الضوئية الأولية. بالنسبة لمواد سلسلة INP ، نظرًا لأن معامل تأين تأثير الثقب يكون أكبر من معامل تأين تأثير الإلكترون ، يتم وضع منطقة كسب المنشطات من نوع N في منطقة P. في موقف مثالي ، يتم حقن الثقوب فقط في منطقة الكسب ، لذلك يسمى هذا الهيكل بنية محقونة.
(2) الامتصاص والكسب متميزان
نظرًا لخصائص فجوة النطاق الواسعة لـ INP (INP هو 1.35EV و Ingaas هو 0.75EV) ، عادة ما يتم استخدام INP كمواد منطقة الكسب و ingaas كمواد منطقة الامتصاص.
(3) تم اقتراح هياكل الامتصاص والتدرج والكسب (SAGM) على التوالي
في الوقت الحاضر ، تستخدم معظم أجهزة APD التجارية INP/Ingaas ، Ingaas كطبقة امتصاص ، INP تحت مجال كهربائي عالي (> 5x105V/CM) دون انهيار ، كمواد منطقة كسب. بالنسبة لهذه المادة ، فإن تصميم APD هذا هو أن عملية الانهيار تتشكل في نوع N-type من خلال تصادم الثقوب. بالنظر إلى الفرق الكبير في فجوة النطاق بين INP و Ingaas ، فإن فرق مستوى الطاقة الذي يبلغ حوالي 0.4EV في نطاق التكافؤ يجعل الثقوب المتولدة في طبقة امتصاص Ingaas معروضة على حافة غير متجانسة قبل الوصول إلى طبقة INP المضاعفة وتقل السرعة إلى حد كبير ، مما يؤدي إلى وقت استجابة طويل وضخا النطاق APD. يمكن حل هذه المشكلة عن طريق إضافة طبقة انتقالية Ingaasp بين المادتين.
(4) تم اقتراح هياكل الامتصاص والتدرج والشحن والكسب (SAGCM) على التوالي
من أجل زيادة ضبط توزيع المجال الكهربائي لطبقة الامتصاص وطبقة الكسب ، يتم إدخال طبقة الشحن في تصميم الجهاز ، مما يحسن إلى حد كبير من سرعة الجهاز والاستجابة.
(5) هيكل SAGCM المرنان (RCE)
في التصميم الأمثل أعلاه للكاشفات التقليدية ، يجب أن نواجه حقيقة أن سمك طبقة الامتصاص هو عامل متناقض لسرعة الجهاز والكفاءة الكمية. يمكن أن يقلل سماكة طبقة الامتصاص الرقيقة من وقت النقل الحامل ، بحيث يمكن الحصول على عرض ترددي كبير. ومع ذلك ، في الوقت نفسه ، من أجل الحصول على كفاءة كمية أعلى ، تحتاج طبقة الامتصاص إلى سماكة كافية. يمكن أن يكون حل هذه المشكلة هو بنية تجويف الرنين (RCE) ، أي أن عاكس Bragg الموزع (DBR) مصمم في الجزء السفلي وأعلى الجهاز. تتكون مرآة DBR من نوعين من المواد ذات مؤشر الانكسار المنخفض ومؤشر الانكسار العالي في الهيكل ، وينمو الاثنان بالتناوب ، ويلتقي سماكة كل طبقة بطول موجة الضوء الحادث 1/4 في أشباه الموصلات. يمكن أن يكون بنية الرنين للكاشف تلبية متطلبات السرعة ، ويمكن أن يكون سمك طبقة الامتصاص رقيقة جدًا ، ويتم زيادة الكفاءة الكمية للإلكترون بعد عدة انعكاسات.
(6) بنية دليل الموجة المقترنة بالحافة (WG-APD)
حل آخر لحل تناقض التأثيرات المختلفة لسماكة طبقة الامتصاص على سرعة الجهاز والكفاءة الكمومية هو إدخال بنية دليل الموجة المقترنة بالحافة. يدخل هذا الهيكل الضوء من الجانب ، لأن طبقة الامتصاص طويلة جدًا ، فمن السهل الحصول على كفاءة كمية عالية ، وفي الوقت نفسه ، يمكن أن تكون طبقة الامتصاص رقيقة للغاية ، مما يقلل من وقت النقل الحامل. لذلك ، يحل هذا الهيكل الاعتماد المختلفة لعرض النطاق الترددي والكفاءة على سمك طبقة الامتصاص ، ومن المتوقع أن يحقق معدل مرتفع وكفاءة كمية عالية. عملية WG-APD أبسط من عملية RCE APD ، والتي تلغي عملية التحضير المعقدة لمرآة DBR. لذلك ، فهو أكثر جدوى في المجال العملي ومناسب للاتصال البصري للطائرة الشائعة.
3. الخلاصة
تطوير الانهيارالكاشف الضوئيتتم مراجعة المواد والأجهزة. تقع معدلات تأين تصادم الإلكترون والثقب للمواد INP قريبة من معدلات Inalas ، مما يؤدي إلى العملية المزدوجة لشركة الناقلين ، مما يجعل وقت بناء الانهيار الطولي أطول وزيادة الضوضاء. بالمقارنة مع مواد inalas النقية ، فإن هياكل البئر الكمومية لـ Ingaas (P) /inalas وفي (AL) GaAs /inalas لها نسبة متزايدة من معاملات التأين الاصطدام ، وبالتالي يمكن تغيير أداء الضوضاء بشكل كبير. من حيث الهيكل ، تم تطوير هيكل SAGCM المحسّن (RCE) وهيكل الدليل الموجي المقترن بالحافة (WG-APD) من أجل حل تناقضات التأثيرات المختلفة لسماكة طبقة الامتصاص على سرعة الجهاز وكفاءة الكم. نظرًا لتعقيد العملية ، يجب استكشاف التطبيق العملي الكامل لهذين الهيكليين.
وقت النشر: نوفمبر -14-2023