हिमस्खलन फोटोडिटेक्टर (एपीडी फोटोडिटेक्टर) भाग एक का सिद्धांत और वर्तमान स्थिति

सार: हिमस्खलन फोटोडिटेक्टर की मूल संरचना और कार्य सिद्धांत (एपीडी फोटोडिटेक्टर) पेश किए जाते हैं, डिवाइस संरचना की विकास प्रक्रिया का विश्लेषण किया जाता है, वर्तमान अनुसंधान स्थिति का सारांश दिया जाता है, और एपीडी के भविष्य के विकास का संभावित अध्ययन किया जाता है।

1 परिचय
फोटोडिटेक्टर एक उपकरण है जो प्रकाश संकेतों को विद्युत संकेतों में परिवर्तित करता है। में एकसेमीकंडक्टर फोटोडिटेक्टर, घटना फोटॉन द्वारा उत्तेजित फोटो-जनित वाहक लागू बायस वोल्टेज के तहत बाहरी सर्किट में प्रवेश करता है और एक मापने योग्य फोटोकरंट बनाता है। यहां तक ​​कि अधिकतम प्रतिक्रियाशीलता पर भी, एक पिन फोटोडायोड अधिकतम केवल इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े की एक जोड़ी का उत्पादन कर सकता है, जो आंतरिक लाभ के बिना एक उपकरण है। अधिक प्रतिक्रियाशीलता के लिए, एक हिमस्खलन फोटोडायोड (एपीडी) का उपयोग किया जा सकता है। फोटोकरंट पर एपीडी का प्रवर्धन प्रभाव आयनीकरण टकराव प्रभाव पर आधारित है। कुछ शर्तों के तहत, त्वरित इलेक्ट्रॉन और छेद इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े की एक नई जोड़ी बनाने के लिए जाली से टकराने के लिए पर्याप्त ऊर्जा प्राप्त कर सकते हैं। यह प्रक्रिया एक श्रृंखला प्रतिक्रिया है, ताकि प्रकाश अवशोषण द्वारा उत्पन्न इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े की जोड़ी बड़ी संख्या में इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े का उत्पादन कर सके और एक बड़े माध्यमिक फोटोकरंट का निर्माण कर सके। इसलिए, एपीडी में उच्च प्रतिक्रियाशीलता और आंतरिक लाभ है, जो डिवाइस के सिग्नल-टू-शोर अनुपात में सुधार करता है। एपीडी का उपयोग मुख्य रूप से लंबी दूरी या छोटी ऑप्टिकल फाइबर संचार प्रणालियों में प्राप्त ऑप्टिकल पावर पर अन्य सीमाओं के साथ किया जाएगा। वर्तमान में, कई ऑप्टिकल डिवाइस विशेषज्ञ एपीडी की संभावनाओं के बारे में बहुत आशावादी हैं, और मानते हैं कि संबंधित क्षेत्रों की अंतर्राष्ट्रीय प्रतिस्पर्धात्मकता को बढ़ाने के लिए एपीडी का अनुसंधान आवश्यक है।

2. का तकनीकी विकासहिमस्खलन फोटोडिटेक्टर(एपीडी फोटोडिटेक्टर)

2.1 सामग्री
(1)सी फोटोडिटेक्टर
सी सामग्री प्रौद्योगिकी एक परिपक्व तकनीक है जिसका व्यापक रूप से माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स के क्षेत्र में उपयोग किया जाता है, लेकिन यह 1.31 मिमी और 1.55 मिमी की तरंग दैर्ध्य रेंज में उपकरणों की तैयारी के लिए उपयुक्त नहीं है जो आम तौर पर ऑप्टिकल संचार के क्षेत्र में स्वीकार किए जाते हैं।

(2)जीई
यद्यपि जीई एपीडी की वर्णक्रमीय प्रतिक्रिया ऑप्टिकल फाइबर ट्रांसमिशन में कम हानि और कम फैलाव की आवश्यकताओं के लिए उपयुक्त है, लेकिन तैयारी प्रक्रिया में बड़ी कठिनाइयां हैं। इसके अलावा, Ge का इलेक्ट्रॉन और होल आयनीकरण दर अनुपात () 1 के करीब है, इसलिए उच्च-प्रदर्शन वाले APD डिवाइस तैयार करना मुश्किल है।

(3)In0.53Ga0.47As/InP
यह APD की प्रकाश अवशोषण परत के रूप में In0.53Ga0.47As और गुणक परत के रूप में InP का चयन करने का एक प्रभावी तरीका है। In0.53Ga0.47As सामग्री का अवशोषण शिखर 1.65 मिमी, 1.31 मिमी, 1.55 मिमी तरंग दैर्ध्य लगभग 104 सेमी-1 उच्च अवशोषण गुणांक है, जो वर्तमान में प्रकाश डिटेक्टर की अवशोषण परत के लिए पसंदीदा सामग्री है।

(4)InGaAs फोटोडिटेक्टर/मेंफोटोडिटेक्टर
InGaAsP को प्रकाश अवशोषक परत के रूप में और InP को गुणक परत के रूप में चुनकर, 1-1.4 मिमी की प्रतिक्रिया तरंग दैर्ध्य, उच्च क्वांटम दक्षता, कम डार्क करंट और उच्च हिमस्खलन लाभ के साथ APD तैयार किया जा सकता है। विभिन्न मिश्र धातु घटकों का चयन करके, विशिष्ट तरंग दैर्ध्य के लिए सर्वोत्तम प्रदर्शन प्राप्त किया जाता है।

(5)InGaAs/InAlAs
In0.52Al0.48As सामग्री में एक बैंड गैप (1.47eV) होता है और 1.55 मिमी की तरंग दैर्ध्य सीमा पर अवशोषित नहीं होता है। इस बात के प्रमाण हैं कि पतली In0.52Al0.48As एपिटैक्सियल परत शुद्ध इलेक्ट्रॉन इंजेक्शन की स्थिति के तहत गुणक परत के रूप में InP की तुलना में बेहतर लाभ विशेषताएँ प्राप्त कर सकती है।

(6)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs और InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
सामग्रियों की प्रभाव आयनीकरण दर एपीडी के प्रदर्शन को प्रभावित करने वाला एक महत्वपूर्ण कारक है। नतीजे बताते हैं कि InGaAs (P) /InAlAs और In (Al) GaAs/InAlAs सुपरलैटिस संरचनाओं को पेश करके गुणक परत की टकराव आयनीकरण दर में सुधार किया जा सकता है। सुपरलैटिस संरचना का उपयोग करके, बैंड इंजीनियरिंग चालन बैंड और वैलेंस बैंड मूल्यों के बीच असममित बैंड किनारे असंततता को कृत्रिम रूप से नियंत्रित कर सकती है, और यह सुनिश्चित कर सकती है कि चालन बैंड असंततता वैलेंस बैंड असंततता (ΔEc>>ΔEv) से बहुत बड़ी है। InGaAs थोक सामग्रियों की तुलना में, InGaAs/InAlAs क्वांटम वेल इलेक्ट्रॉन आयनीकरण दर (ए) में काफी वृद्धि हुई है, और इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों को अतिरिक्त ऊर्जा प्राप्त होती है। ΔEc>>ΔEv के कारण, यह उम्मीद की जा सकती है कि इलेक्ट्रॉनों द्वारा प्राप्त ऊर्जा छेद आयनीकरण दर (बी) में छेद ऊर्जा के योगदान से कहीं अधिक इलेक्ट्रॉन आयनीकरण दर को बढ़ाती है। इलेक्ट्रॉन आयनीकरण दर और छिद्र आयनीकरण दर का अनुपात (k) बढ़ जाता है। इसलिए, सुपरलैटिस संरचनाओं को लागू करके उच्च लाभ-बैंडविड्थ उत्पाद (जीबीडब्ल्यू) और कम शोर प्रदर्शन प्राप्त किया जा सकता है। हालाँकि, यह InGaAs/InAlAs क्वांटम वेल संरचना APD, जो k मान को बढ़ा सकता है, ऑप्टिकल रिसीवर्स पर लागू करना मुश्किल है। ऐसा इसलिए है क्योंकि अधिकतम प्रतिक्रिया को प्रभावित करने वाला गुणक कारक डार्क करंट द्वारा सीमित होता है, गुणक शोर से नहीं। इस संरचना में, डार्क करंट मुख्य रूप से एक संकीर्ण बैंड गैप के साथ InGaAs वेल परत के टनलिंग प्रभाव के कारण होता है, इसलिए वेल लेयर के रूप में InGaAs के बजाय एक वाइड-बैंड गैप चतुर्धातुक मिश्र धातु, जैसे InGaAsP या InAlGaAs, की शुरूआत होती है। क्वांटम वेल संरचना डार्क करंट को दबा सकती है।