Φωτοανιχνευτές και μήκη κύματος αποκοπής

Φωτοανιχνευτέςκαι μήκη κύματος αποκοπής

Αυτό το άρθρο εστιάζει στα υλικά και τις αρχές λειτουργίας των φωτοανιχνευτών (ειδικά στον μηχανισμό απόκρισης που βασίζεται στη θεωρία ζωνών), καθώς και στις βασικές παραμέτρους και σενάρια εφαρμογής διαφορετικών ημιαγωγικών υλικών.
1. Βασική αρχή: Ο φωτοανιχνευτής λειτουργεί με βάση το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Τα προσπίπτοντα φωτόνια πρέπει να μεταφέρουν επαρκή ενέργεια (μεγαλύτερη από το πλάτος ενεργειακού χάσματος Eg του υλικού) για να διεγείρουν ηλεκτρόνια από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας, σχηματίζοντας ένα ανιχνεύσιμο ηλεκτρικό σήμα. Η ενέργεια του φωτονίου είναι αντιστρόφως ανάλογη με το μήκος κύματος, επομένως ο ανιχνευτής έχει ένα «μήκος κύματος αποκοπής» (λc) - το μέγιστο μήκος κύματος που μπορεί να ανταποκριθεί, πέρα ​​από το οποίο δεν μπορεί να ανταποκριθεί αποτελεσματικά. Το μήκος κύματος αποκοπής μπορεί να εκτιμηθεί χρησιμοποιώντας τον τύπο λc ≈ 1240/Eg (nm), όπου το Eg μετριέται σε eV.
2. Βασικά ημιαγωγικά υλικά και τα χαρακτηριστικά τους:
Πυρίτιο (Si): εύρος ενεργειακού χάσματος περίπου 1,12 eV, μήκος κύματος αποκοπής περίπου 1107 nm. Κατάλληλο για ανίχνευση μικρού μήκους κύματος όπως 850 nm, που χρησιμοποιείται συνήθως για διασύνδεση οπτικών ινών πολλαπλών τρόπων μικρής εμβέλειας (όπως κέντρα δεδομένων).
Αρσενίδιο του γαλλίου (GaAs): εύρος ενεργειακού χάσματος 1,42 eV, μήκος κύματος αποκοπής περίπου 873 nm. Κατάλληλο για τη ζώνη κύματος 850 nm, μπορεί να ενσωματωθεί με πηγές φωτός VCSEL του ίδιου υλικού σε ένα μόνο τσιπ.
Αρσενίδιο ινδίου-γαλλίου (InGaAs): Το πλάτος του ενεργειακού χάσματος μπορεί να ρυθμιστεί μεταξύ 0,36~1,42 eV και το μήκος κύματος αποκοπής καλύπτει 873~3542 nm. Είναι το κύριο υλικό ανιχνευτή για παράθυρα επικοινωνίας οπτικών ινών 1310 nm και 1550 nm, αλλά απαιτεί υπόστρωμα InP και είναι πολύπλοκο για ενσωμάτωση με κυκλώματα με βάση το πυρίτιο.
Γερμάνιο (Ge): με εύρος ενεργειακού χάσματος περίπου 0,66 eV και μήκος κύματος αποκοπής περίπου 1879 nm. Μπορεί να καλύψει εύρος συχνοτήτων από 1550 nm έως 1625 nm (ζώνη L) και είναι συμβατό με υποστρώματα πυριτίου, καθιστώντας το μια εφικτή λύση για την επέκταση της απόκρισης σε μεγάλες ζώνες.
Κράμα πυριτιογερμανίου (όπως Si0.5Ge0.5): πλάτος ενεργειακού χάσματος περίπου 0,96 eV, μήκος κύματος αποκοπής περίπου 1292 nm. Με την προσθήκη γερμανίου στο πυρίτιο, το μήκος κύματος απόκρισης μπορεί να επεκταθεί σε μεγαλύτερες ζώνες στο υπόστρωμα πυριτίου.
3. Συσχέτιση σεναρίου εφαρμογής:
Ζώνη 850 nm:Φωτοανιχνευτές πυριτίουή μπορούν να χρησιμοποιηθούν φωτοανιχνευτές GaAs.
Ζώνη 1310/1550 nm:Φωτοανιχνευτές InGaAsΧρησιμοποιούνται κυρίως. Οι φωτοανιχνευτές καθαρού γερμανίου ή πυριτίου από κράμα γερμανίου μπορούν επίσης να καλύψουν αυτό το εύρος και έχουν πιθανά πλεονεκτήματα στην ενσωμάτωση με βάση το πυρίτιο.

Συνολικά, μέσω των βασικών εννοιών της θεωρίας ζωνών και του μήκους κύματος αποκοπής, τα χαρακτηριστικά εφαρμογής και το εύρος κάλυψης κύματος διαφορετικών υλικών ημιαγωγών σε φωτοανιχνευτές έχουν εξεταστεί συστηματικά και έχει επισημανθεί η στενή σχέση μεταξύ της επιλογής υλικού, του παραθύρου μήκους κύματος επικοινωνίας οπτικών ινών και του κόστους της διαδικασίας ολοκλήρωσης.