ഫോട്ടോഡിറ്റക്ടറുകളും കട്ട്ഓഫ് തരംഗദൈർഘ്യങ്ങളും

ഫോട്ടോ ഡിറ്റക്ടറുകൾകട്ട്ഓഫ് തരംഗദൈർഘ്യങ്ങളും

ഈ ലേഖനം ഫോട്ടോഡിറ്റക്ടറുകളുടെ മെറ്റീരിയലുകളെയും പ്രവർത്തന തത്വങ്ങളെയും (പ്രത്യേകിച്ച് ബാൻഡ് സിദ്ധാന്തത്തെ അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ള പ്രതികരണ സംവിധാനം), അതുപോലെ വ്യത്യസ്ത അർദ്ധചാലക വസ്തുക്കളുടെ പ്രധാന പാരാമീറ്ററുകളെയും പ്രയോഗ സാഹചര്യങ്ങളെയും കേന്ദ്രീകരിക്കുന്നു.
1. കോർ തത്വം: ഫോട്ടോഇലക്ട്രിക് ഇഫക്റ്റിനെ അടിസ്ഥാനമാക്കിയാണ് ഫോട്ടോഡിറ്റക്ടർ പ്രവർത്തിക്കുന്നത്. വാലൻസ് ബാൻഡിൽ നിന്ന് കണ്ടക്ഷൻ ബാൻഡിലേക്ക് ഇലക്ട്രോണുകളെ ഉത്തേജിപ്പിക്കുന്നതിന്, ഇൻസിഡന്റ് ഫോട്ടോണുകൾ ആവശ്യമായ ഊർജ്ജം (പദാർത്ഥത്തിന്റെ ബാൻഡ്‌ഗ്യാപ്പ് വീതി Eg യേക്കാൾ കൂടുതൽ) വഹിക്കേണ്ടതുണ്ട്, ഇത് കണ്ടെത്താവുന്ന ഒരു വൈദ്യുത സിഗ്നൽ സൃഷ്ടിക്കുന്നു. ഫോട്ടോൺ ഊർജ്ജം തരംഗദൈർഘ്യത്തിന് വിപരീത അനുപാതത്തിലാണ്, അതിനാൽ ഡിറ്റക്ടറിന് ഒരു "കട്ട്-ഓഫ് തരംഗദൈർഘ്യം" (λ c) ഉണ്ട് - പ്രതികരിക്കാൻ കഴിയുന്ന പരമാവധി തരംഗദൈർഘ്യം, അതിനപ്പുറം അതിന് ഫലപ്രദമായി പ്രതികരിക്കാൻ കഴിയില്ല. λ c ≈ 1240/Eg (nm) എന്ന ഫോർമുല ഉപയോഗിച്ച് കട്ട്-ഓഫ് തരംഗദൈർഘ്യം കണക്കാക്കാം, ഇവിടെ Eg യേക്കാൾ eV അളക്കുന്നു.
2. പ്രധാന അർദ്ധചാലക വസ്തുക്കളും അവയുടെ സവിശേഷതകളും:
സിലിക്കൺ (Si): ഏകദേശം 1.12 eV ബാൻഡ്‌ഗ്യാപ്പ് വീതി, ഏകദേശം 1107 nm കട്ട്ഓഫ് തരംഗദൈർഘ്യം. 850 nm പോലുള്ള ഹ്രസ്വ തരംഗദൈർഘ്യ കണ്ടെത്തലിന് അനുയോജ്യം, സാധാരണയായി ഹ്രസ്വ-ദൂര മൾട്ടിമോഡ് ഫൈബർ ഒപ്റ്റിക് ഇന്റർകണക്ഷന് (ഡാറ്റ സെന്ററുകൾ പോലുള്ളവ) ഉപയോഗിക്കുന്നു.
ഗാലിയം ആർസെനൈഡ് (GaAs): 1.42 eV ബാൻഡ്‌ഗ്യാപ്പ് വീതി, ഏകദേശം 873 nm കട്ട്ഓഫ് തരംഗദൈർഘ്യം. 850 nm തരംഗദൈർഘ്യ ബാൻഡിന് അനുയോജ്യം, ഇത് ഒരൊറ്റ ചിപ്പിൽ ഒരേ മെറ്റീരിയലിന്റെ VCSEL പ്രകാശ സ്രോതസ്സുകളുമായി സംയോജിപ്പിക്കാൻ കഴിയും.
ഇൻഡിയം ഗാലിയം ആർസെനൈഡ് (InGaAs): ബാൻഡ്‌ഗ്യാപ്പ് വീതി 0.36~1.42 eV-യിൽ ക്രമീകരിക്കാം, കൂടാതെ കട്ട്ഓഫ് തരംഗദൈർഘ്യം 873~3542 nm ഉൾക്കൊള്ളുന്നു. 1310 nm, 1550 nm ഫൈബർ കമ്മ്യൂണിക്കേഷൻ വിൻഡോകൾക്കുള്ള മുഖ്യധാരാ ഡിറ്റക്ടർ മെറ്റീരിയലാണിത്, പക്ഷേ ഒരു InP സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റ് ആവശ്യമാണ് കൂടാതെ സിലിക്കൺ അധിഷ്ഠിത സർക്യൂട്ടുകളുമായി സംയോജിപ്പിക്കാൻ സങ്കീർണ്ണവുമാണ്.
ജെർമേനിയം (Ge): ഏകദേശം 0.66 eV ബാൻഡ്‌ഗ്യാപ്പ് വീതിയും ഏകദേശം 1879 nm കട്ട്ഓഫ് തരംഗദൈർഘ്യവുമുള്ള ഇത് 1550 nm മുതൽ 1625 nm (L-band) വരെ ഉൾക്കൊള്ളാൻ കഴിയും കൂടാതെ സിലിക്കൺ സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകളുമായി പൊരുത്തപ്പെടുന്നു, ഇത് നീണ്ട ബാൻഡുകളിലേക്കുള്ള പ്രതികരണം വിപുലീകരിക്കുന്നതിനുള്ള ഒരു പ്രായോഗിക പരിഹാരമാക്കി മാറ്റുന്നു.
സിലിക്കൺ ജെർമേനിയം അലോയ് (Si0.5Ge0.5 പോലുള്ളവ): ഏകദേശം 0.96 eV ബാൻഡ്‌ഗ്യാപ്പ് വീതി, ഏകദേശം 1292 nm കട്ട്ഓഫ് തരംഗദൈർഘ്യം. സിലിക്കണിൽ ജെർമേനിയം ഡോപ്പ് ചെയ്യുന്നതിലൂടെ, പ്രതികരണ തരംഗദൈർഘ്യം സിലിക്കൺ അടിവസ്ത്രത്തിലെ നീളമുള്ള ബാൻഡുകളിലേക്ക് വ്യാപിപ്പിക്കാൻ കഴിയും.
3. ആപ്ലിക്കേഷൻ സാഹചര്യ അസോസിയേഷൻ:
850 nm ബാൻഡ്:സിലിക്കൺ ഫോട്ടോഡിറ്റക്ടറുകൾഅല്ലെങ്കിൽ GaAs ഫോട്ടോഡിറ്റക്ടറുകൾ ഉപയോഗിക്കാം.
1310/1550 nm ബാൻഡ്:InGaAs ഫോട്ടോഡിറ്റക്ടറുകൾപ്രധാനമായും ഉപയോഗിക്കുന്നു. ശുദ്ധമായ ജെർമേനിയം അല്ലെങ്കിൽ സിലിക്കൺ ജെർമേനിയം അലോയ് ഫോട്ടോഡിറ്റക്ടറുകൾക്കും ഈ ശ്രേണി ഉൾക്കൊള്ളാൻ കഴിയും കൂടാതെ സിലിക്കൺ അധിഷ്ഠിത സംയോജനത്തിൽ സാധ്യതയുള്ള ഗുണങ്ങളുമുണ്ട്.

മൊത്തത്തിൽ, ബാൻഡ് സിദ്ധാന്തത്തിന്റെയും കട്ട്ഓഫ് തരംഗദൈർഘ്യത്തിന്റെയും പ്രധാന ആശയങ്ങളിലൂടെ, ഫോട്ടോഡിറ്റക്ടറുകളിലെ വ്യത്യസ്ത അർദ്ധചാലക വസ്തുക്കളുടെ ആപ്ലിക്കേഷൻ സവിശേഷതകളും തരംഗദൈർഘ്യ കവറേജ് ശ്രേണിയും വ്യവസ്ഥാപിതമായി അവലോകനം ചെയ്തിട്ടുണ്ട്, കൂടാതെ മെറ്റീരിയൽ തിരഞ്ഞെടുക്കൽ, ഫൈബർ ഒപ്റ്റിക് കമ്മ്യൂണിക്കേഷൻ തരംഗദൈർഘ്യ വിൻഡോ, സംയോജന പ്രക്രിയ ചെലവ് എന്നിവ തമ്മിലുള്ള അടുത്ത ബന്ധം ചൂണ്ടിക്കാണിച്ചിട്ടുണ്ട്.