ഹിമപാത ഫോട്ടോഡിറ്റക്ടറിന്റെ (APD ഫോട്ടോഡിറ്റക്ടർ) തത്വവും നിലവിലെ സാഹചര്യവും രണ്ടാം ഭാഗം

തത്വവും ഇപ്പോഴത്തെ സാഹചര്യവുംഹിമപാത ഫോട്ടോഡിറ്റക്ടർ (APD ഫോട്ടോഡിറ്റക്ടർ) രണ്ടാം ഭാഗം

2.2 APD ചിപ്പ് ഘടന
ഉയർന്ന പ്രകടന ഉപകരണങ്ങളുടെ അടിസ്ഥാന ഉറപ്പ് ന്യായമായ ചിപ്പ് ഘടനയാണ്. APD യുടെ ഘടനാപരമായ രൂപകൽപ്പന പ്രധാനമായും RC സമയ സ്ഥിരത, ഹെറ്ററോജംഗ്ഷനിലെ ദ്വാരം പിടിച്ചെടുക്കൽ, ശോഷണ മേഖലയിലൂടെയുള്ള കാരിയർ ഗതാഗത സമയം തുടങ്ങിയവയെ പരിഗണിക്കുന്നു. അതിന്റെ ഘടനയുടെ വികസനം ചുവടെ സംഗ്രഹിച്ചിരിക്കുന്നു:

(1) അടിസ്ഥാന ഘടന
ഏറ്റവും ലളിതമായ APD ഘടന PIN ഫോട്ടോഡയോഡിനെ അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ളതാണ്, P മേഖലയും N മേഖലയും വളരെയധികം ഡോപ്പ് ചെയ്യപ്പെടുന്നു, കൂടാതെ പ്രാഥമിക ഫോട്ടോകറന്റിന്റെ ആംപ്ലിഫിക്കേഷൻ സാക്ഷാത്കരിക്കുന്നതിനായി ദ്വിതീയ ഇലക്ട്രോണുകളും ഹോൾ ജോഡികളും സൃഷ്ടിക്കുന്നതിന് അടുത്തുള്ള P മേഖലയിലോ N മേഖലയിലോ N-ടൈപ്പ് അല്ലെങ്കിൽ P-ടൈപ്പ് ഡബിൾ-റിപ്പല്ലന്റ് മേഖല അവതരിപ്പിക്കുന്നു. InP സീരീസ് മെറ്റീരിയലുകൾക്ക്, ഹോൾ ഇംപാക്ട് അയോണൈസേഷൻ കോഫിഫിഷ്യന്റ് ഇലക്ട്രോൺ ഇംപാക്ട് അയോണൈസേഷൻ കോഫിഫിഷ്യന്റിനേക്കാൾ കൂടുതലായതിനാൽ, N-ടൈപ്പ് ഡോപ്പിംഗിന്റെ ഗെയിൻ മേഖല സാധാരണയായി P മേഖലയിൽ സ്ഥാപിക്കുന്നു. ഒരു അനുയോജ്യമായ സാഹചര്യത്തിൽ, ഗെയിൻ മേഖലയിലേക്ക് ദ്വാരങ്ങൾ മാത്രമേ കുത്തിവയ്ക്കൂ, അതിനാൽ ഈ ഘടനയെ ഹോൾ-ഇൻജക്റ്റഡ് ഘടന എന്ന് വിളിക്കുന്നു.

(2) ആഗിരണം, നേട്ടം എന്നിവ വേർതിരിച്ചിരിക്കുന്നു
InP യുടെ വൈഡ് ബാൻഡ് ഗ്യാപ്പ് സവിശേഷതകൾ കാരണം (InP 1.35eV ഉം InGaAs 0.75eV ഉം ആണ്), InP സാധാരണയായി ഗെയിൻ സോൺ മെറ്റീരിയലായും InGaAs അബ്സോർപ്ഷൻ സോൺ മെറ്റീരിയലായും ഉപയോഗിക്കുന്നു.

(3) ആഗിരണം, ഗ്രേഡിയന്റ്, ഗെയിൻ (SAGM) ഘടനകൾ യഥാക്രമം നിർദ്ദേശിക്കപ്പെടുന്നു
നിലവിൽ, മിക്ക വാണിജ്യ APD ഉപകരണങ്ങളും InP/InGaAs മെറ്റീരിയൽ ഉപയോഗിക്കുന്നു, ആഗിരണം പാളിയായി InGaAs, ബ്രേക്ക്ഡൌൺ ഇല്ലാതെ ഉയർന്ന വൈദ്യുത മണ്ഡലത്തിൽ (>5x105V/cm) InP, ഒരു ഗെയിൻ സോൺ മെറ്റീരിയലായി ഉപയോഗിക്കാം. ഈ മെറ്റീരിയലിന്, ഈ APD യുടെ രൂപകൽപ്പന N-തരം InP-യിൽ ദ്വാരങ്ങളുടെ കൂട്ടിയിടിയിലൂടെ അവലാഞ്ച് പ്രക്രിയ രൂപപ്പെടുന്നു എന്നതാണ്. InP യും InGaAs യും തമ്മിലുള്ള ബാൻഡ് വിടവിലെ വലിയ വ്യത്യാസം കണക്കിലെടുക്കുമ്പോൾ, വാലൻസ് ബാൻഡിലെ ഏകദേശം 0.4eV ന്റെ ഊർജ്ജ ലെവൽ വ്യത്യാസം InGaAs ആഗിരണം പാളിയിൽ ഉൽപ്പാദിപ്പിക്കുന്ന ദ്വാരങ്ങളെ InP ഗുണിത പാളിയിൽ എത്തുന്നതിനുമുമ്പ് ഹെറ്ററോജംഗ്ഷൻ എഡ്ജിൽ തടസ്സപ്പെടുത്തുകയും വേഗത വളരെയധികം കുറയുകയും ചെയ്യുന്നു, ഇത് ഈ APD യുടെ ദീർഘമായ പ്രതികരണ സമയത്തിനും ഇടുങ്ങിയ ബാൻഡ്‌വിഡ്ത്തിനും കാരണമാകുന്നു. രണ്ട് മെറ്റീരിയലുകൾക്കിടയിൽ ഒരു InGaAsP സംക്രമണ പാളി ചേർത്തുകൊണ്ട് ഈ പ്രശ്നം പരിഹരിക്കാനാകും.

(4) ആഗിരണം, ഗ്രേഡിയന്റ്, ചാർജ്, ഗെയിൻ (SAGCM) ഘടനകൾ യഥാക്രമം നിർദ്ദേശിക്കപ്പെടുന്നു
ആഗിരണം പാളിയുടെയും ഗെയിൻ പാളിയുടെയും വൈദ്യുത മണ്ഡല വിതരണം കൂടുതൽ ക്രമീകരിക്കുന്നതിന്, ഉപകരണ രൂപകൽപ്പനയിൽ ചാർജ് പാളി അവതരിപ്പിക്കുന്നു, ഇത് ഉപകരണത്തിന്റെ വേഗതയും പ്രതികരണശേഷിയും വളരെയധികം മെച്ചപ്പെടുത്തുന്നു.

(5) റെസൊണേറ്റർ എൻഹാൻസ്ഡ് (RCE) SAGCM ഘടന
പരമ്പരാഗത ഡിറ്റക്ടറുകളുടെ മുകളിൽ പറഞ്ഞ ഒപ്റ്റിമൽ രൂപകൽപ്പനയിൽ, ഉപകരണ വേഗതയ്ക്കും ക്വാണ്ടം കാര്യക്ഷമതയ്ക്കും ആഗിരണം പാളിയുടെ കനം ഒരു വൈരുദ്ധ്യ ഘടകമാണെന്ന വസ്തുത നാം അഭിമുഖീകരിക്കേണ്ടതുണ്ട്. ആഗിരണം ചെയ്യുന്ന പാളിയുടെ നേർത്ത കനം കാരിയർ ട്രാൻസിറ്റ് സമയം കുറയ്ക്കും, അതിനാൽ ഒരു വലിയ ബാൻഡ്‌വിഡ്ത്ത് ലഭിക്കും. എന്നിരുന്നാലും, അതേ സമയം, ഉയർന്ന ക്വാണ്ടം കാര്യക്ഷമത ലഭിക്കുന്നതിന്, ആഗിരണം പാളിക്ക് മതിയായ കനം ഉണ്ടായിരിക്കണം. ഈ പ്രശ്നത്തിനുള്ള പരിഹാരം റെസൊണന്റ് കാവിറ്റി (RCE) ഘടനയായിരിക്കാം, അതായത്, ഡിസ്ട്രിബ്യൂട്ടഡ് ബ്രാഗ് റിഫ്ലക്ടർ (DBR) ഉപകരണത്തിന്റെ അടിയിലും മുകളിലും രൂപകൽപ്പന ചെയ്തിരിക്കുന്നു. കുറഞ്ഞ റിഫ്രാക്റ്റീവ് സൂചികയും ഘടനയിൽ ഉയർന്ന റിഫ്രാക്റ്റീവ് സൂചികയും ഉള്ള രണ്ട് തരം വസ്തുക്കൾ DBR മിററിൽ അടങ്ങിയിരിക്കുന്നു, രണ്ടും മാറിമാറി വളരുന്നു, കൂടാതെ ഓരോ പാളിയുടെയും കനം സെമികണ്ടക്ടറിലെ സംഭവ പ്രകാശ തരംഗദൈർഘ്യം 1/4 പാലിക്കുന്നു. ഡിറ്റക്ടറിന്റെ റെസൊണേറ്റർ ഘടനയ്ക്ക് വേഗത ആവശ്യകതകൾ നിറവേറ്റാൻ കഴിയും, ആഗിരണം പാളിയുടെ കനം വളരെ നേർത്തതാക്കാൻ കഴിയും, കൂടാതെ നിരവധി പ്രതിഫലനങ്ങൾക്ക് ശേഷം ഇലക്ട്രോണിന്റെ ക്വാണ്ടം കാര്യക്ഷമത വർദ്ധിക്കുന്നു.

(6) എഡ്ജ്-കപ്പിൾഡ് വേവ്ഗൈഡ് ഘടന (WG-APD)
ഉപകരണ വേഗതയിലും ക്വാണ്ടം കാര്യക്ഷമതയിലും ആഗിരണം പാളി കനത്തിന്റെ വ്യത്യസ്ത ഫലങ്ങളുടെ വൈരുദ്ധ്യം പരിഹരിക്കുന്നതിനുള്ള മറ്റൊരു പരിഹാരം എഡ്ജ്-കപ്പിൾഡ് വേവ്ഗൈഡ് ഘടന അവതരിപ്പിക്കുക എന്നതാണ്. ഈ ഘടന വശത്ത് നിന്ന് പ്രകാശത്തിലേക്ക് പ്രവേശിക്കുന്നു, കാരണം ആഗിരണം പാളി വളരെ നീളമുള്ളതാണ്, ഉയർന്ന ക്വാണ്ടം കാര്യക്ഷമത നേടാൻ എളുപ്പമാണ്, അതേസമയം, ആഗിരണം പാളി വളരെ നേർത്തതാക്കാൻ കഴിയും, ഇത് കാരിയർ ട്രാൻസിറ്റ് സമയം കുറയ്ക്കുന്നു. അതിനാൽ, ആഗിരണം പാളിയുടെ കനം ബാൻഡ്‌വിഡ്ത്തിന്റെയും കാര്യക്ഷമതയുടെയും വ്യത്യസ്ത ആശ്രിതത്വത്തെ ഈ ഘടന പരിഹരിക്കുന്നു, കൂടാതെ ഉയർന്ന നിരക്കും ഉയർന്ന ക്വാണ്ടം കാര്യക്ഷമത APDയും കൈവരിക്കുമെന്ന് പ്രതീക്ഷിക്കുന്നു. WG-APD യുടെ പ്രക്രിയ RCE APD യെക്കാൾ ലളിതമാണ്, ഇത് DBR മിററിന്റെ സങ്കീർണ്ണമായ തയ്യാറെടുപ്പ് പ്രക്രിയയെ ഇല്ലാതാക്കുന്നു. അതിനാൽ, പ്രായോഗിക മേഖലയിൽ ഇത് കൂടുതൽ പ്രായോഗികവും സാധാരണ തലം ഒപ്റ്റിക്കൽ കണക്ഷന് അനുയോജ്യവുമാണ്.

3. ഉപസംഹാരം
ഹിമപാതത്തിന്റെ വികസനംഫോട്ടോഡിറ്റക്ടർമെറ്റീരിയലുകളും ഉപകരണങ്ങളും അവലോകനം ചെയ്തിരിക്കുന്നു. InP മെറ്റീരിയലുകളുടെ ഇലക്ട്രോൺ, ഹോൾ കൊളീഷൻ അയോണൈസേഷൻ നിരക്കുകൾ InAlAs-ന് സമാനമാണ്, ഇത് രണ്ട് കാരിയർ സിംബിയണുകളുടെ ഇരട്ട പ്രക്രിയയിലേക്ക് നയിക്കുന്നു, ഇത് ഹിമപാത നിർമ്മാണ സമയം വർദ്ധിപ്പിക്കുകയും ശബ്ദം വർദ്ധിപ്പിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. ശുദ്ധമായ InAlAs മെറ്റീരിയലുകളുമായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോൾ, InGaAs (P) /InAlAs, In (Al) GaAs/InAlAs ക്വാണ്ടം വെൽ ഘടനകൾക്ക് കൊളീഷൻ അയോണൈസേഷൻ ഗുണകങ്ങളുടെ വർദ്ധിച്ച അനുപാതമുണ്ട്, അതിനാൽ ശബ്ദ പ്രകടനം വളരെയധികം മാറ്റാൻ കഴിയും. ഘടനയുടെ കാര്യത്തിൽ, റെസൊണേറ്റർ എൻഹാൻസ്ഡ് (RCE) SAGCM ഘടനയും എഡ്ജ്-കപ്പിൾഡ് വേവ്ഗൈഡ് ഘടനയും (WG-APD) വികസിപ്പിച്ചെടുത്തിട്ടുണ്ട്, ഇത് ഉപകരണ വേഗതയിലും ക്വാണ്ടം കാര്യക്ഷമതയിലും ആഗിരണം പാളി കനത്തിന്റെ വ്യത്യസ്ത ഫലങ്ങളുടെ വൈരുദ്ധ്യങ്ങൾ പരിഹരിക്കുന്നതിന്. പ്രക്രിയയുടെ സങ്കീർണ്ണത കാരണം, ഈ രണ്ട് ഘടനകളുടെയും പൂർണ്ണമായ പ്രായോഗിക പ്രയോഗം കൂടുതൽ പര്യവേക്ഷണം ചെയ്യേണ്ടതുണ്ട്.