ფოტოდეტექტორები და გამყოფი ტალღის სიგრძეები

ფოტოდეტექტორებიდა ზღვრული ტალღის სიგრძეები

ეს სტატია ფოკუსირებულია ფოტოდეტექტორების მასალებსა და მუშაობის პრინციპებზე (განსაკუთრებით ზოლების თეორიაზე დაფუძნებულ რეაქციის მექანიზმზე), ასევე სხვადასხვა ნახევარგამტარული მასალების ძირითად პარამეტრებსა და გამოყენების სცენარებზე.
1. ძირითადი პრინციპი: ფოტოდეტექტორი მუშაობს ფოტოელექტრული ეფექტის საფუძველზე. დაცემული ფოტონები უნდა ატარებდნენ საკმარის ენერგიას (მასალის ზოლის სიგანეზე მეტი Eg), რათა ელექტრონები ვალენტური ზოლიდან გამტარ ზოლში გადაიტანონ და წარმოქმნან აღმოსაჩენი ელექტრული სიგნალი. ფოტონის ენერგია უკუპროპორციულია ტალღის სიგრძისა, ამიტომ დეტექტორს აქვს „გასაზღვრული ტალღის სიგრძე“ (λ c) - მაქსიმალური ტალღის სიგრძე, რომელსაც შეუძლია რეაგირება, რომლის მიღმაც მას არ შეუძლია ეფექტურად რეაგირება. გასაზღვრული ტალღის სიგრძის შეფასება შესაძლებელია ფორმულით λ c ≈ 1240/Eg (ნმ), სადაც Eg იზომება eV-ში.
2. ძირითადი ნახევარგამტარული მასალები და მათი მახასიათებლები:
სილიციუმი (Si): ზოლის სიგანე დაახლოებით 1.12 eV, გამყოფი ტალღის სიგრძე დაახლოებით 1107 ნმ. გამოდგება მოკლე ტალღის სიგრძის დეტექტირებისთვის, როგორიცაა 850 ნმ, და ხშირად გამოიყენება მოკლე დიაპაზონის მულტიმოდური ბოჭკოვანი ოპტიკური ურთიერთდაკავშირებისთვის (მაგალითად, მონაცემთა ცენტრები).
გალიუმის არსენიდი (GaAs): ზოლის სიგანე 1.42 eV, გამყოფი ტალღის სიგრძე დაახლოებით 873 ნმ. შესაფერისია 850 ნმ ტალღის სიგრძის დიაპაზონისთვის, მისი ინტეგრირება შესაძლებელია იმავე მასალის VCSEL სინათლის წყაროებთან ერთ ჩიპზე.
ინდიუმის გალიუმის არსენიდი (InGaAs): ზოლის სიგანის რეგულირება შესაძლებელია 0.36~1.42 eV-ს შორის, ხოლო გამყოფი ტალღის სიგრძე მოიცავს 873~3542 ნმ-ს. ეს არის ძირითადი დეტექტორის მასალა 1310 ნმ და 1550 ნმ ბოჭკოვანი საკომუნიკაციო ფანჯრებისთვის, მაგრამ საჭიროებს InP სუბსტრატს და რთულია სილიციუმზე დაფუძნებულ სქემებთან ინტეგრირება.
გერმანიუმი (Ge): დაახლოებით 0.66 eV ზონის სიგანით და დაახლოებით 1879 ნმ ზღვრული ტალღის სიგრძით. მას შეუძლია დაფაროს 1550 ნმ-დან 1625 ნმ-მდე (L-ზოლი) და თავსებადია სილიციუმის სუბსტრატებთან, რაც მას გრძელ ზოლებზე რეაგირების გაფართოების შესაძლებელ გადაწყვეტად აქცევს.
სილიციუმის გერმანიუმის შენადნობი (მაგალითად, Si0.5Ge0.5): ზონის სიგანე დაახლოებით 0.96 eV, გამყოფი ტალღის სიგრძე დაახლოებით 1292 ნმ. გერმანიუმის სილიციუმში დოპინგით, საპასუხო ტალღის სიგრძე შეიძლება გაიზარდოს სილიციუმის სუბსტრატზე უფრო გრძელ ზოლებამდე.
3. აპლიკაციის სცენარის ასოციაცია:
850 ნმ დიაპაზონი:სილიკონის ფოტოდეტექტორებიან GaAs ფოტოდეტექტორების გამოყენება შესაძლებელია.
1310/1550 ნმ დიაპაზონი:InGaAs ფოტოდეტექტორებიძირითადად გამოიყენება. სუფთა გერმანიუმის ან სილიციუმის გერმანიუმის შენადნობის ფოტოდეტექტორებს ასევე შეუძლიათ ამ დიაპაზონის მოცვა და პოტენციური უპირატესობები აქვთ სილიციუმზე დაფუძნებულ ინტეგრაციაში.

საერთო ჯამში, ზოლების თეორიისა და გამყოფი ტალღის სიგრძის ძირითადი კონცეფციების მეშვეობით, სისტემატურად განხილულია ფოტოდეტექტორებში სხვადასხვა ნახევარგამტარული მასალების გამოყენების მახასიათებლები და ტალღის სიგრძის დაფარვის დიაპაზონი და აღნიშნულია მასალის შერჩევას, ბოჭკოვანი ოპტიკური საკომუნიკაციო ტალღის სიგრძის ფანჯარასა და ინტეგრაციის პროცესის ღირებულებას შორის მჭიდრო კავშირი.