ഹിമപാത ഫോട്ടോഡിറ്റക്ടറിന്റെ (APD ഫോട്ടോഡിറ്റക്ടർ) തത്വവും നിലവിലെ സാഹചര്യവും ഭാഗം ഒന്ന്

സംഗ്രഹം: അവലാഞ്ച് ഫോട്ടോഡിറ്റക്ടറിന്റെ അടിസ്ഥാന ഘടനയും പ്രവർത്തന തത്വവും (APD ഫോട്ടോഡിറ്റക്ടർ) പരിചയപ്പെടുത്തുന്നു, ഉപകരണ ഘടനയുടെ പരിണാമ പ്രക്രിയ വിശകലനം ചെയ്യുന്നു, നിലവിലെ ഗവേഷണ നില സംഗ്രഹിക്കുന്നു, APD യുടെ ഭാവി വികസനം ഭാവിയിൽ പഠിക്കുന്നു.

1. ആമുഖം
പ്രകാശ സിഗ്നലുകളെ വൈദ്യുത സിഗ്നലുകളാക്കി മാറ്റുന്ന ഒരു ഉപകരണമാണ് ഫോട്ടോഡിറ്റക്ടർ.സെമികണ്ടക്ടർ ഫോട്ടോഡിറ്റക്ടർ, ഇൻസിഡന്റ് ഫോട്ടോണിനാൽ ഉത്തേജിതമായ ഫോട്ടോ-ജനറേറ്റഡ് കാരിയർ പ്രയോഗിച്ച ബയാസ് വോൾട്ടേജിൽ ബാഹ്യ സർക്യൂട്ടിൽ പ്രവേശിക്കുകയും അളക്കാവുന്ന ഒരു ഫോട്ടോകറന്റ് രൂപപ്പെടുത്തുകയും ചെയ്യുന്നു. പരമാവധി പ്രതികരണശേഷിയിൽ പോലും, ഒരു PIN ഫോട്ടോഡയോഡിന് പരമാവധി ഒരു ജോഡി ഇലക്ട്രോൺ-ഹോൾ ജോഡികൾ മാത്രമേ ഉത്പാദിപ്പിക്കാൻ കഴിയൂ, ഇത് ആന്തരിക നേട്ടമില്ലാത്ത ഒരു ഉപകരണമാണ്. കൂടുതൽ പ്രതികരണശേഷിക്ക്, ഒരു അവലാഞ്ച് ഫോട്ടോഡയോഡ് (APD) ഉപയോഗിക്കാൻ കഴിയും. ഫോട്ടോകറന്റിലെ APD യുടെ ആംപ്ലിഫിക്കേഷൻ പ്രഭാവം അയോണൈസേഷൻ കൊളീഷൻ ഇഫക്റ്റിനെ അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ളതാണ്. ചില സാഹചര്യങ്ങളിൽ, ത്വരിതപ്പെടുത്തിയ ഇലക്ട്രോണുകൾക്കും ദ്വാരങ്ങൾക്കും ഒരു പുതിയ ജോഡി ഇലക്ട്രോൺ-ഹോൾ ജോഡികൾ ഉൽപ്പാദിപ്പിക്കുന്നതിന് ലാറ്റിസുമായി കൂട്ടിയിടിക്കാൻ ആവശ്യമായ ഊർജ്ജം ലഭിക്കും. ഈ പ്രക്രിയ ഒരു ചെയിൻ റിയാക്ഷൻ ആണ്, അതിനാൽ പ്രകാശ ആഗിരണം വഴി ഉൽപ്പാദിപ്പിക്കപ്പെടുന്ന ഇലക്ട്രോൺ-ഹോൾ ജോഡികളുടെ ജോഡിക്ക് ധാരാളം ഇലക്ട്രോൺ-ഹോൾ ജോഡികൾ ഉൽപ്പാദിപ്പിക്കാനും ഒരു വലിയ ദ്വിതീയ ഫോട്ടോകറന്റ് രൂപപ്പെടുത്താനും കഴിയും. അതിനാൽ, APD-ക്ക് ഉയർന്ന പ്രതികരണശേഷിയും ആന്തരിക നേട്ടവുമുണ്ട്, ഇത് ഉപകരണത്തിന്റെ സിഗ്നൽ-ടു-നോയ്‌സ് അനുപാതം മെച്ചപ്പെടുത്തുന്നു. ലഭിച്ച ഒപ്റ്റിക്കൽ പവറിൽ മറ്റ് പരിമിതികളുള്ള ദീർഘദൂര അല്ലെങ്കിൽ ചെറിയ ഒപ്റ്റിക്കൽ ഫൈബർ ആശയവിനിമയ സംവിധാനങ്ങളിൽ APD പ്രധാനമായും ഉപയോഗിക്കും. നിലവിൽ, നിരവധി ഒപ്റ്റിക്കൽ ഉപകരണ വിദഗ്ധർ APD യുടെ സാധ്യതകളെക്കുറിച്ച് വളരെ ശുഭാപ്തിവിശ്വാസം പുലർത്തുന്നു, കൂടാതെ അനുബന്ധ മേഖലകളുടെ അന്താരാഷ്ട്ര മത്സരശേഷി വർദ്ധിപ്പിക്കുന്നതിന് APD യുടെ ഗവേഷണം ആവശ്യമാണെന്ന് വിശ്വസിക്കുന്നു.

2. സാങ്കേതിക വികസനംഹിമപാത ഫോട്ടോഡിറ്റക്ടർ(എപിഡി ഫോട്ടോഡിറ്റക്ടർ)

2.1 മെറ്റീരിയലുകൾ
(1)Si ഫോട്ടോഡിറ്റക്ടർ
മൈക്രോ ഇലക്ട്രോണിക്സ് മേഖലയിൽ വ്യാപകമായി ഉപയോഗിക്കുന്ന ഒരു പക്വമായ സാങ്കേതികവിദ്യയാണ് Si മെറ്റീരിയൽ സാങ്കേതികവിദ്യ, എന്നാൽ ഒപ്റ്റിക്കൽ കമ്മ്യൂണിക്കേഷൻ മേഖലയിൽ സാധാരണയായി അംഗീകരിക്കപ്പെടുന്ന 1.31mm, 1.55mm തരംഗദൈർഘ്യ പരിധിയിലുള്ള ഉപകരണങ്ങൾ തയ്യാറാക്കുന്നതിന് ഇത് അനുയോജ്യമല്ല.

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

(3)ഇൻ0.53ഗാ0.47എ/ഇൻപി
APD യുടെ പ്രകാശ ആഗിരണം പാളിയായി In0.53Ga0.47As ഉം ഗുണിത പാളിയായി InP ഉം തിരഞ്ഞെടുക്കുന്നത് ഫലപ്രദമായ ഒരു രീതിയാണ്. In0.53Ga0.47As മെറ്റീരിയലിന്റെ ആഗിരണം കൊടുമുടി 1.65mm, 1.31mm, 1.55mm തരംഗദൈർഘ്യം ഏകദേശം 104cm-1 ഉയർന്ന ആഗിരണം ഗുണകമാണ്, നിലവിൽ ലൈറ്റ് ഡിറ്റക്ടറിന്റെ ആഗിരണം പാളിക്ക് ഇത് മുൻഗണന നൽകുന്ന വസ്തുവാണ്.

(4)InGaAs ഫോട്ടോഡിറ്റക്ടർ/ഇൻഫോട്ടോഡിറ്റക്ടർ
പ്രകാശ ആഗിരണം ചെയ്യുന്ന പാളിയായി InGaAsP ഉം ഗുണിത പാളിയായി InP ഉം തിരഞ്ഞെടുക്കുന്നതിലൂടെ, 1-1.4mm പ്രതികരണ തരംഗദൈർഘ്യം, ഉയർന്ന ക്വാണ്ടം കാര്യക്ഷമത, കുറഞ്ഞ ഡാർക്ക് കറന്റ്, ഉയർന്ന അവലാഞ്ച് ഗെയിൻ എന്നിവയുള്ള APD തയ്യാറാക്കാൻ കഴിയും. വ്യത്യസ്ത അലോയ് ഘടകങ്ങൾ തിരഞ്ഞെടുക്കുന്നതിലൂടെ, നിർദ്ദിഷ്ട തരംഗദൈർഘ്യങ്ങൾക്ക് ഏറ്റവും മികച്ച പ്രകടനം കൈവരിക്കാനാകും.

(5)ഇൻഗഎ/ഇൻഅൽഎ
In0.52Al0.48As പദാർത്ഥത്തിന് ഒരു ബാൻഡ് വിടവ് (1.47eV) ഉണ്ട്, കൂടാതെ 1.55mm തരംഗദൈർഘ്യ പരിധിയിൽ ആഗിരണം ചെയ്യുന്നില്ല. ശുദ്ധമായ ഇലക്ട്രോൺ കുത്തിവയ്പ്പിന്റെ അവസ്ഥയിൽ ഒരു മൾട്ടിപ്ലിക്കേറ്റർ പാളിയായി InP യേക്കാൾ മികച്ച നേട്ട സവിശേഷതകൾ നേടാൻ നേർത്ത In0.52Al0.48As എപ്പിറ്റാക്സിയൽ പാളിക്ക് കഴിയുമെന്നതിന് തെളിവുകളുണ്ട്.

(6)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs ഉം InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs ഉം
APD യുടെ പ്രകടനത്തെ ബാധിക്കുന്ന ഒരു പ്രധാന ഘടകമാണ് വസ്തുക്കളുടെ ആഘാത അയോണൈസേഷൻ നിരക്ക്. InGaAs (P) /InAlAs, In (Al) GaAs/InAlAs സൂപ്പർലാറ്റിസ് ഘടനകൾ എന്നിവ അവതരിപ്പിക്കുന്നതിലൂടെ ഗുണിത പാളിയുടെ കൂട്ടിയിടി അയോണൈസേഷൻ നിരക്ക് മെച്ചപ്പെടുത്താൻ കഴിയുമെന്ന് ഫലങ്ങൾ കാണിക്കുന്നു. സൂപ്പർലാറ്റിസ് ഘടന ഉപയോഗിക്കുന്നതിലൂടെ, ബാൻഡ് എഞ്ചിനീയറിംഗിന് കണ്ടക്ഷൻ ബാൻഡിനും വാലൻസ് ബാൻഡ് മൂല്യങ്ങൾക്കും ഇടയിലുള്ള അസമമായ ബാൻഡ് എഡ്ജ് ഡിസ്കണ്ടിന്യുറ്റി കൃത്രിമമായി നിയന്ത്രിക്കാനും കണ്ടക്ഷൻ ബാൻഡ് ഡിസ്കണ്ടിന്യുറ്റി വാലൻസ് ബാൻഡ് ഡിസ്കണ്ടിന്യുറ്റിയേക്കാൾ വളരെ വലുതാണെന്ന് ഉറപ്പാക്കാനും കഴിയും (ΔEc>ΔEv). 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 നിരക്കിലേക്കുള്ള ഹോൾ എനർജിയുടെ സംഭാവനയേക്കാൾ വളരെ കൂടുതലായി ഇലക്ട്രോൺ അയോണൈസേഷൻ നിരക്ക് വർദ്ധിപ്പിക്കുമെന്ന് പ്രതീക്ഷിക്കാം (b). ഇലക്ട്രോൺ അയോണൈസേഷൻ നിരക്കും ഹോൾ അയോണൈസേഷൻ നിരക്കും തമ്മിലുള്ള അനുപാതം (k) വർദ്ധിക്കുന്നു. അതിനാൽ, സൂപ്പർലാറ്റിസ് ഘടനകൾ പ്രയോഗിച്ചുകൊണ്ട് ഉയർന്ന ഗെയിൻ-ബാൻഡ്‌വിഡ്ത്ത് ഉൽപ്പന്നവും (GBW) കുറഞ്ഞ ശബ്ദ പ്രകടനവും നേടാൻ കഴിയും. എന്നിരുന്നാലും, k മൂല്യം വർദ്ധിപ്പിക്കാൻ കഴിയുന്ന ഈ InGaAs/InAlAs ക്വാണ്ടം വെൽ ഘടന APD, ഒപ്റ്റിക്കൽ റിസീവറുകളിൽ പ്രയോഗിക്കാൻ പ്രയാസമാണ്. കാരണം, പരമാവധി പ്രതികരണശേഷിയെ ബാധിക്കുന്ന ഗുണിത ഘടകം ഗുണിത ശബ്ദമല്ല, ഇരുണ്ട വൈദ്യുതധാരയാൽ പരിമിതപ്പെടുത്തിയിരിക്കുന്നു. ഈ ഘടനയിൽ, ഇരുണ്ട വൈദ്യുതധാര പ്രധാനമായും ഒരു ഇടുങ്ങിയ ബാൻഡ് വിടവുള്ള InGaAs വെൽ പാളിയുടെ ടണലിംഗ് പ്രഭാവം മൂലമാണ് ഉണ്ടാകുന്നത്, അതിനാൽ ക്വാണ്ടം വെൽ ഘടനയുടെ കിണർ പാളിയായി InGaAs-ന് പകരം InGaAsP അല്ലെങ്കിൽ InAlGaAs പോലുള്ള ഒരു വൈഡ്-ബാൻഡ് വിടവ് ക്വാട്ടേണറി അലോയ് അവതരിപ്പിക്കുന്നത് ഇരുണ്ട വൈദ്യുതധാരയെ അടിച്ചമർത്താൻ കഴിയും.