హిమపాత ఫోటోడిటెక్టర్ (APD ఫోటోడిటెక్టర్) యొక్క సూత్రం మరియు ప్రస్తుత పరిస్థితి మొదటి భాగం

సారాంశం: హిమపాతం ఫోటోడెటెక్టర్ యొక్క ప్రాథమిక నిర్మాణం మరియు పని సూత్రం (APD ఫోటోడిటెక్టర్) ప్రవేశపెట్టబడ్డాయి, పరికర నిర్మాణం యొక్క పరిణామ ప్రక్రియ విశ్లేషించబడింది, ప్రస్తుత పరిశోధన స్థితిని సంగ్రహించబడింది మరియు APD యొక్క భవిష్యత్తు అభివృద్ధిని ప్రాస్పెక్టివ్‌గా అధ్యయనం చేయబడింది.

1. పరిచయం
ఫోటోడెటెక్టర్ అనేది కాంతి సంకేతాలను విద్యుత్ సంకేతాలుగా మార్చే పరికరం.సెమీకండక్టర్ ఫోటోడిటెక్టర్, సంఘటన ఫోటాన్ ద్వారా ఉత్తేజితమైన ఫోటో-జనరేటెడ్ క్యారియర్ అనువర్తిత బయాస్ వోల్టేజ్ కింద బాహ్య సర్క్యూట్‌లోకి ప్రవేశించి కొలవగల ఫోటోకరెంట్‌ను ఏర్పరుస్తుంది. గరిష్ట ప్రతిస్పందన వద్ద కూడా, PIN ఫోటోడయోడ్ గరిష్టంగా ఒక జత ఎలక్ట్రాన్-హోల్ జతలను మాత్రమే ఉత్పత్తి చేయగలదు, ఇది అంతర్గత లాభం లేని పరికరం. ఎక్కువ ప్రతిస్పందన కోసం, హిమపాతం ఫోటోడయోడ్ (APD)ని ఉపయోగించవచ్చు. ఫోటోకరెంట్‌పై APD యొక్క విస్తరణ ప్రభావం అయనీకరణ తాకిడి ప్రభావంపై ఆధారపడి ఉంటుంది. కొన్ని పరిస్థితులలో, వేగవంతమైన ఎలక్ట్రాన్లు మరియు రంధ్రాలు కొత్త జత ఎలక్ట్రాన్-హోల్ జతలను ఉత్పత్తి చేయడానికి లాటిస్‌తో ఢీకొనడానికి తగినంత శక్తిని పొందగలవు. ఈ ప్రక్రియ ఒక గొలుసు ప్రతిచర్య, తద్వారా కాంతి శోషణ ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన ఎలక్ట్రాన్-హోల్ జతల జత పెద్ద సంఖ్యలో ఎలక్ట్రాన్-హోల్ జతలను ఉత్పత్తి చేస్తుంది మరియు పెద్ద ద్వితీయ ఫోటోకరెంట్‌ను ఏర్పరుస్తుంది. అందువల్ల, APD అధిక ప్రతిస్పందన మరియు అంతర్గత లాభం కలిగి ఉంటుంది, ఇది పరికరం యొక్క సిగ్నల్-టు-శబ్ద నిష్పత్తిని మెరుగుపరుస్తుంది. APD ప్రధానంగా స్వీకరించబడిన ఆప్టికల్ శక్తిపై ఇతర పరిమితులతో సుదూర లేదా చిన్న ఆప్టికల్ ఫైబర్ కమ్యూనికేషన్ వ్యవస్థలలో ఉపయోగించబడుతుంది. ప్రస్తుతం, చాలా మంది ఆప్టికల్ పరికర నిపుణులు APD అవకాశాల గురించి చాలా ఆశాజనకంగా ఉన్నారు మరియు సంబంధిత రంగాల అంతర్జాతీయ పోటీతత్వాన్ని పెంచడానికి APD పరిశోధన అవసరమని విశ్వసిస్తున్నారు.

2. సాంకేతిక అభివృద్ధిహిమపాతం ఫోటోడిటెక్టర్(APD ఫోటోడిటెక్టర్)

2.1 పదార్థాలు
(1)Si ఫోటోడిటెక్టర్
Si మెటీరియల్ టెక్నాలజీ అనేది మైక్రోఎలక్ట్రానిక్స్ రంగంలో విస్తృతంగా ఉపయోగించబడుతున్న ఒక పరిణతి చెందిన టెక్నాలజీ, అయితే ఇది సాధారణంగా ఆప్టికల్ కమ్యూనికేషన్ రంగంలో ఆమోదించబడిన 1.31mm మరియు 1.55mm తరంగదైర్ఘ్యం పరిధిలోని పరికరాల తయారీకి తగినది కాదు.

(2) జీ
Ge APD యొక్క స్పెక్ట్రల్ ప్రతిస్పందన ఆప్టికల్ ఫైబర్ ట్రాన్స్‌మిషన్‌లో తక్కువ నష్టం మరియు తక్కువ వ్యాప్తి అవసరాలకు అనుకూలంగా ఉన్నప్పటికీ, తయారీ ప్రక్రియలో చాలా ఇబ్బందులు ఉన్నాయి. అదనంగా, Ge యొక్క ఎలక్ట్రాన్ మరియు హోల్ అయనీకరణ రేటు నిష్పత్తి () 1 కి దగ్గరగా ఉంటుంది, కాబట్టి అధిక-పనితీరు గల APD పరికరాలను తయారు చేయడం కష్టం.

(3)లో0.53Ga0.47As/లోP
APD యొక్క కాంతి శోషణ పొరగా In0.53Ga0.47As మరియు గుణక పొరగా InPని ఎంచుకోవడానికి ఇది ఒక ప్రభావవంతమైన పద్ధతి. In0.53Ga0.47As పదార్థం యొక్క శోషణ శిఖరం 1.65mm, 1.31mm,1.55mm తరంగదైర్ఘ్యం దాదాపు 104cm-1 అధిక శోషణ గుణకం, ఇది ప్రస్తుతం లైట్ డిటెక్టర్ యొక్క శోషణ పొరకు ప్రాధాన్యత కలిగిన పదార్థం.

(4)InGaAs ఫోటోడిటెక్టర్/లోఫోటోడిటెక్టర్
InGaAsP ని కాంతి శోషక పొరగా మరియు InP ని గుణక పొరగా ఎంచుకోవడం ద్వారా, 1-1.4mm ప్రతిస్పందన తరంగదైర్ఘ్యం, అధిక క్వాంటం సామర్థ్యం, ​​తక్కువ డార్క్ కరెంట్ మరియు అధిక హిమపాతం లాభం కలిగిన APD ని తయారు చేయవచ్చు. విభిన్న మిశ్రమలోహ భాగాలను ఎంచుకోవడం ద్వారా, నిర్దిష్ట తరంగదైర్ఘ్యాలకు ఉత్తమ పనితీరును సాధించవచ్చు.

(5)ఇన్‌గాఏలు/ఇన్‌ఆల్‌ఏలు
In0.52Al0.48As పదార్థం బ్యాండ్ గ్యాప్ (1.47eV) కలిగి ఉంటుంది మరియు 1.55mm తరంగదైర్ఘ్యం పరిధిలో గ్రహించదు. స్వచ్ఛమైన ఎలక్ట్రాన్ ఇంజెక్షన్ పరిస్థితిలో మల్టిప్లికేటర్ పొరగా InP కంటే సన్నని In0.52Al0.48As ఎపిటాక్సియల్ పొర మెరుగైన లాభ లక్షణాలను పొందగలదని ఆధారాలు ఉన్నాయి.

(6)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs మరియు InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
పదార్థాల ప్రభావ అయనీకరణ రేటు APD పనితీరును ప్రభావితం చేసే ముఖ్యమైన అంశం. InGaAs (P) /InAlAs మరియు In (Al) GaAs/InAlAs సూపర్‌లాటిస్ నిర్మాణాలను ప్రవేశపెట్టడం ద్వారా గుణక పొర యొక్క తాకిడి అయనీకరణ రేటును మెరుగుపరచవచ్చని ఫలితాలు చూపిస్తున్నాయి. సూపర్‌లాటిస్ నిర్మాణాన్ని ఉపయోగించడం ద్వారా, బ్యాండ్ ఇంజనీరింగ్ కండక్షన్ బ్యాండ్ మరియు వాలెన్స్ బ్యాండ్ విలువల మధ్య అసమాన బ్యాండ్ అంచు నిలిపివేతను కృత్రిమంగా నియంత్రించగలదు మరియు కండక్షన్ బ్యాండ్ నిలిపివేత వాలెన్స్ బ్యాండ్ నిలిపివేత కంటే చాలా పెద్దదిగా ఉండేలా చూసుకుంటుంది (ΔEc>ΔEv). InGaAs బల్క్ మెటీరియల్‌లతో పోలిస్తే, InGaAs/InAlAs క్వాంటం వెల్ ఎలక్ట్రాన్ అయనీకరణ రేటు (a) గణనీయంగా పెరుగుతుంది మరియు ఎలక్ట్రాన్లు మరియు రంధ్రాలు అదనపు శక్తిని పొందుతాయి. ΔEc>ΔEv కారణంగా, ఎలక్ట్రాన్ల ద్వారా పొందిన శక్తి రంధ్ర అయనీకరణ రేటుకు రంధ్ర శక్తి యొక్క సహకారం కంటే చాలా ఎక్కువగా ఎలక్ట్రాన్ అయనీకరణ రేటును పెంచుతుందని అంచనా వేయవచ్చు (b). రంధ్ర అయనీకరణ రేటుకు ఎలక్ట్రాన్ అయనీకరణ రేటు నిష్పత్తి (k) పెరుగుతుంది. అందువల్ల, సూపర్‌లాటిస్ నిర్మాణాలను వర్తింపజేయడం ద్వారా అధిక గెయిన్-బ్యాండ్‌విడ్త్ ఉత్పత్తి (GBW) మరియు తక్కువ శబ్దం పనితీరును పొందవచ్చు. అయితే, k విలువను పెంచగల ఈ InGaAs/InAlAs క్వాంటం బావి నిర్మాణం APD, ఆప్టికల్ రిసీవర్‌లకు వర్తింపజేయడం కష్టం. ఎందుకంటే గరిష్ట ప్రతిస్పందనను ప్రభావితం చేసే గుణక కారకం గుణక శబ్దం ద్వారా కాకుండా డార్క్ కరెంట్ ద్వారా పరిమితం చేయబడింది. ఈ నిర్మాణంలో, డార్క్ కరెంట్ ప్రధానంగా ఇరుకైన బ్యాండ్ గ్యాప్‌తో InGaAs బావి పొర యొక్క టన్నెలింగ్ ప్రభావం వల్ల సంభవిస్తుంది, కాబట్టి క్వాంటం బావి నిర్మాణం యొక్క బావి పొరగా InGaAs లకు బదులుగా InGaAsP లేదా InAlGaAs వంటి వైడ్-బ్యాండ్ గ్యాప్ క్వాటర్నరీ మిశ్రమాన్ని ప్రవేశపెట్టడం వలన డార్క్ కరెంట్‌ను అణచివేయవచ్చు.