അവലാഞ്ച് ഫോട്ടോഡെറ്റക്‌ടറിൻ്റെ (APD ഫോട്ടോഡിറ്റക്‌ടറിൻ്റെ) തത്വവും നിലവിലെ സാഹചര്യവും ഭാഗം ഒന്ന്

സംഗ്രഹം: അവലാഞ്ച് ഫോട്ടോഡിറ്റക്ടറിൻ്റെ അടിസ്ഥാന ഘടനയും പ്രവർത്തന തത്വവും (APD ഫോട്ടോ ഡിറ്റക്ടർ) അവതരിപ്പിക്കപ്പെടുന്നു, ഉപകരണ ഘടനയുടെ പരിണാമ പ്രക്രിയ വിശകലനം ചെയ്യുന്നു, നിലവിലെ ഗവേഷണ നില സംഗ്രഹിക്കുന്നു, കൂടാതെ APD യുടെ ഭാവി വികസനം ഭാവിയിൽ പഠിക്കുന്നു.

1. ആമുഖം
പ്രകാശ സിഗ്നലുകളെ വൈദ്യുത സിഗ്നലുകളാക്കി മാറ്റുന്ന ഒരു ഉപകരണമാണ് ഫോട്ടോഡിറ്റക്റ്റർ. ഒരുഅർദ്ധചാലക ഫോട്ടോഡിറ്റക്ടർ, ഫോട്ടോ-ജനറേറ്റഡ് കാരിയർ സംഭവ ഫോട്ടോണിൽ നിന്ന് ആവേശം കൊള്ളുന്നു, പ്രയോഗിച്ച ബയസ് വോൾട്ടേജിന് കീഴിൽ ബാഹ്യ സർക്യൂട്ടിലേക്ക് പ്രവേശിക്കുകയും അളക്കാവുന്ന ഫോട്ടോകറൻ്റ് രൂപപ്പെടുകയും ചെയ്യുന്നു. പരമാവധി പ്രതികരണശേഷിയിൽ പോലും, ഒരു PIN ഫോട്ടോഡയോഡിന് പരമാവധി ഒരു ജോടി ഇലക്ട്രോൺ-ഹോൾ ജോഡികൾ മാത്രമേ ഉൽപ്പാദിപ്പിക്കാൻ കഴിയൂ, ഇത് ആന്തരിക നേട്ടം ഇല്ലാത്ത ഒരു ഉപകരണമാണ്. കൂടുതൽ പ്രതികരണശേഷിക്കായി, ഒരു അവലാഞ്ച് ഫോട്ടോഡയോഡ് (APD) ഉപയോഗിക്കാം. ഫോട്ടോകറൻ്റിലെ എപിഡിയുടെ ആംപ്ലിഫിക്കേഷൻ പ്രഭാവം അയോണൈസേഷൻ കൂട്ടിയിടി ഫലത്തെ അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ളതാണ്. ചില വ്യവസ്ഥകളിൽ, ത്വരിതപ്പെടുത്തിയ ഇലക്ട്രോണുകളും ദ്വാരങ്ങളും ഒരു പുതിയ ജോഡി ഇലക്ട്രോൺ-ഹോൾ ജോഡികൾ ഉൽപ്പാദിപ്പിക്കുന്നതിന് ലാറ്റിസുമായി കൂട്ടിയിടിക്കുന്നതിന് ആവശ്യമായ ഊർജ്ജം ലഭിക്കും. ഈ പ്രക്രിയ ഒരു ശൃംഖല പ്രതികരണമാണ്, അതിനാൽ പ്രകാശം ആഗിരണം ചെയ്യുന്നതിലൂടെ ഉണ്ടാകുന്ന ജോഡി ഇലക്ട്രോൺ-ഹോൾ ജോഡികൾക്ക് ധാരാളം ഇലക്ട്രോൺ-ഹോൾ ജോഡികൾ ഉത്പാദിപ്പിക്കാനും ഒരു വലിയ ദ്വിതീയ ഫോട്ടോകറൻ്റ് രൂപപ്പെടുത്താനും കഴിയും. അതിനാൽ, എപിഡിക്ക് ഉയർന്ന പ്രതികരണശേഷിയും ആന്തരിക നേട്ടവുമുണ്ട്, ഇത് ഉപകരണത്തിൻ്റെ സിഗ്നൽ-ടു-നോയ്‌സ് അനുപാതം മെച്ചപ്പെടുത്തുന്നു. APD പ്രധാനമായും ദീർഘദൂര അല്ലെങ്കിൽ ചെറിയ ഒപ്റ്റിക്കൽ ഫൈബർ കമ്മ്യൂണിക്കേഷൻ സിസ്റ്റങ്ങളിൽ, സ്വീകരിച്ച ഒപ്റ്റിക്കൽ പവറിൽ മറ്റ് പരിമിതികളോടെ ഉപയോഗിക്കും. നിലവിൽ, പല ഒപ്റ്റിക്കൽ ഉപകരണ വിദഗ്ധരും APD യുടെ സാധ്യതകളെക്കുറിച്ച് വളരെ ശുഭാപ്തിവിശ്വാസമുള്ളവരാണ്, കൂടാതെ ബന്ധപ്പെട്ട മേഖലകളുടെ അന്താരാഷ്ട്ര മത്സരക്ഷമത വർദ്ധിപ്പിക്കുന്നതിന് APD യുടെ ഗവേഷണം ആവശ്യമാണെന്ന് വിശ്വസിക്കുന്നു.

2. സാങ്കേതിക വികസനംഹിമപാത ഫോട്ടോ ഡിറ്റക്ടർ(എപിഡി ഫോട്ടോ ഡിറ്റക്ടർ)

2.1 മെറ്റീരിയലുകൾ
(1)ഫോട്ടോ ഡിറ്റക്ടർ
മൈക്രോ ഇലക്‌ട്രോണിക്‌സ് മേഖലയിൽ വ്യാപകമായി ഉപയോഗിക്കുന്ന ഒരു മുതിർന്ന സാങ്കേതികവിദ്യയാണ് Si മെറ്റീരിയൽ ടെക്‌നോളജി, എന്നാൽ ഒപ്റ്റിക്കൽ കമ്മ്യൂണിക്കേഷൻ മേഖലയിൽ പൊതുവായി അംഗീകരിക്കപ്പെട്ട 1.31mm, 1.55mm തരംഗദൈർഘ്യ ശ്രേണിയിലുള്ള ഉപകരണങ്ങൾ തയ്യാറാക്കാൻ ഇത് അനുയോജ്യമല്ല.

(2) ജി
ഒപ്റ്റിക്കൽ ഫൈബർ ട്രാൻസ്മിഷനിൽ കുറഞ്ഞ നഷ്ടവും കുറഞ്ഞ വിതരണവും ആവശ്യകതകൾക്ക് Ge APD യുടെ സ്പെക്ട്രൽ പ്രതികരണം അനുയോജ്യമാണെങ്കിലും, തയ്യാറാക്കൽ പ്രക്രിയയിൽ വലിയ ബുദ്ധിമുട്ടുകൾ ഉണ്ട്. കൂടാതെ, Ge യുടെ ഇലക്ട്രോൺ, ഹോൾ അയോണൈസേഷൻ നിരക്ക് അനുപാതം () 1 ന് അടുത്താണ്, അതിനാൽ ഉയർന്ന പ്രവർത്തനക്ഷമതയുള്ള APD ഉപകരണങ്ങൾ തയ്യാറാക്കുന്നത് ബുദ്ധിമുട്ടാണ്.

(3)In0.53Ga0.47As/InP
In0.53Ga0.47As APD യുടെ പ്രകാശം ആഗിരണം ചെയ്യുന്ന പാളിയായും InP ഗുണിത പാളിയായും തിരഞ്ഞെടുക്കുന്നത് ഫലപ്രദമായ രീതിയാണ്. In0.53Ga0.47A എന്ന പദാർത്ഥത്തിൻ്റെ ആഗിരണം പീക്ക് 1.65mm ആണ്, 1.31mm, 1.55mm തരംഗദൈർഘ്യം ഏകദേശം 104cm-1 ഉയർന്ന ആഗിരണം ഗുണകം ആണ്, ഇത് നിലവിൽ ലൈറ്റ് ഡിറ്റക്ടറിൻ്റെ ആഗിരണ പാളിക്ക് ഇഷ്ടപ്പെട്ട വസ്തുവാണ്.

(4)InGaAs ഫോട്ടോഡിറ്റക്ടർ/ഇൻഫോട്ടോഡിറ്റക്ടർ
InGaAsP പ്രകാശം ആഗിരണം ചെയ്യുന്ന പാളിയായും InP ഗുണിത പാളിയായും തിരഞ്ഞെടുക്കുന്നതിലൂടെ, 1-1.4mm പ്രതികരണ തരംഗദൈർഘ്യമുള്ള APD, ഉയർന്ന ക്വാണ്ടം കാര്യക്ഷമത, കുറഞ്ഞ ഇരുണ്ട കറൻ്റ്, ഉയർന്ന ഹിമപാത നേട്ടം എന്നിവ തയ്യാറാക്കാം. വ്യത്യസ്ത അലോയ് ഘടകങ്ങൾ തിരഞ്ഞെടുക്കുന്നതിലൂടെ, പ്രത്യേക തരംഗദൈർഘ്യങ്ങൾക്കുള്ള മികച്ച പ്രകടനം കൈവരിക്കാനാകും.

(5) InGaAs/InAs
In0.52Al0.48A എന്ന നിലയിൽ മെറ്റീരിയലിന് ഒരു ബാൻഡ് വിടവ് (1.47eV) ഉണ്ട് കൂടാതെ 1.55mm തരംഗദൈർഘ്യ പരിധിയിൽ ആഗിരണം ചെയ്യപ്പെടുന്നില്ല. നേർത്ത In0.52Al0.48As epitaxial ലെയർ ശുദ്ധമായ ഇലക്‌ട്രോൺ കുത്തിവയ്‌പ്പിൻ്റെ അവസ്ഥയിൽ ഒരു മൾട്ടിപ്ലിക്കേറ്റർ ലെയറായി InP-യെക്കാൾ മികച്ച നേട്ടം നേടാനാകുമെന്നതിന് തെളിവുകളുണ്ട്.

(6)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs, InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
മെറ്റീരിയലുകളുടെ ഇംപാക്ട് അയോണൈസേഷൻ നിരക്ക് APD യുടെ പ്രകടനത്തെ ബാധിക്കുന്ന ഒരു പ്രധാന ഘടകമാണ്. InGaAs (P) /InAlAs, In (Al) GaAs/InAlAs സൂപ്പർലാറ്റിസ് ഘടനകൾ എന്നിവ അവതരിപ്പിക്കുന്നതിലൂടെ മൾട്ടിപ്ലയർ ലെയറിൻ്റെ കൂട്ടിയിടി അയോണൈസേഷൻ നിരക്ക് മെച്ചപ്പെടുത്താൻ കഴിയുമെന്ന് ഫലങ്ങൾ കാണിക്കുന്നു. സൂപ്പർലാറ്റിസ് ഘടന ഉപയോഗിക്കുന്നതിലൂടെ, ബാൻഡ് എഞ്ചിനീയറിംഗിന് ചാലക ബാൻഡിനും വാലൻസ് ബാൻഡ് മൂല്യങ്ങൾക്കും ഇടയിലുള്ള അസമമായ ബാൻഡ് എഡ്ജ് ഡിസ്‌കോൺറ്റിന്യൂറ്റി കൃത്രിമമായി നിയന്ത്രിക്കാൻ കഴിയും, കൂടാതെ ചാലക ബാൻഡ് ഡിസ്‌കോൺറ്റിന്യൂറ്റി വാലൻസ് ബാൻഡ് ഡിസ്‌കോൺറ്റിന്യൂറ്റി (ΔEc>>ΔEv) നേക്കാൾ വളരെ വലുതാണെന്ന് ഉറപ്പാക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. InGaAs ബൾക്ക് മെറ്റീരിയലുകളുമായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോൾ, InGaAs/InAlAs ക്വാണ്ടം വെൽ ഇലക്ട്രോൺ അയോണൈസേഷൻ നിരക്ക് (a) ഗണ്യമായി വർദ്ധിക്കുകയും ഇലക്ട്രോണുകളും ദ്വാരങ്ങളും അധിക ഊർജ്ജം നേടുകയും ചെയ്യുന്നു. ΔEc>>ΔEv കാരണം, ഇലക്ട്രോണുകൾ നേടുന്ന ഊർജ്ജം, ഹോൾ അയോണൈസേഷൻ റേറ്റിലേക്കുള്ള (b) ദ്വാര ഊർജ്ജത്തിൻ്റെ സംഭാവനയേക്കാൾ വളരെ അധികം ഇലക്ട്രോൺ അയോണൈസേഷൻ നിരക്ക് വർദ്ധിപ്പിക്കുമെന്ന് പ്രതീക്ഷിക്കാം. ഇലക്ട്രോൺ അയോണൈസേഷൻ നിരക്കും ദ്വാര അയോണൈസേഷൻ നിരക്കും തമ്മിലുള്ള അനുപാതം (k) വർദ്ധിക്കുന്നു. അതിനാൽ, സൂപ്പർലാറ്റിസ് ഘടനകൾ പ്രയോഗിക്കുന്നതിലൂടെ ഉയർന്ന നേട്ട-ബാൻഡ്‌വിഡ്ത്ത് ഉൽപ്പന്നവും (GBW) കുറഞ്ഞ ശബ്ദ പ്രകടനവും ലഭിക്കും. എന്നിരുന്നാലും, k മൂല്യം വർദ്ധിപ്പിക്കാൻ കഴിയുന്ന ഈ InGaAs/InAlAs ക്വാണ്ടം വെൽ ഘടന APD, ഒപ്റ്റിക്കൽ റിസീവറുകളിൽ പ്രയോഗിക്കാൻ പ്രയാസമാണ്. കാരണം, പരമാവധി പ്രതികരണശേഷിയെ ബാധിക്കുന്ന ഗുണിത ഘടകം പരിമിതപ്പെടുത്തിയിരിക്കുന്നത് ഇരുണ്ട വൈദ്യുതധാരയാണ്, ഗുണിത ശബ്ദമല്ല. ഈ ഘടനയിൽ, ഇരുണ്ട വൈദ്യുതധാര പ്രധാനമായും InGaAs കിണർ പാളിയുടെ ഇടുങ്ങിയ ബാൻഡ് വിടവുള്ള ടണലിംഗ് പ്രഭാവം മൂലമാണ് ഉണ്ടാകുന്നത്, അതിനാൽ InGaAs- ന് പകരം InGaAs അല്ലെങ്കിൽ InAlGaAs പോലുള്ള വൈഡ്-ബാൻഡ് ഗ്യാപ്പ് ക്വാട്ടർനറി അലോയ് അവതരിപ്പിക്കുന്നു. ക്വാണ്ടം കിണറിൻ്റെ ഘടനയ്ക്ക് ഇരുണ്ട വൈദ്യുതധാരയെ അടിച്ചമർത്താൻ കഴിയും.