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

సారాంశం: అవలాంచ్ ఫోటోడిటెక్టర్ యొక్క ప్రాథమిక నిర్మాణం మరియు పని సూత్రం (APD ఫోటోడిటెక్టర్) పరిచయం చేయబడ్డాయి, పరికర నిర్మాణం యొక్క పరిణామ ప్రక్రియ విశ్లేషించబడింది, ప్రస్తుత పరిశోధన స్థితి సంగ్రహించబడింది మరియు APD యొక్క భవిష్యత్ అభివృద్ధి ముందుచూపుతో అధ్యయనం చేయబడింది.

1. పరిచయం
ఫోటోడిటెక్టర్ అనేది కాంతి సంకేతాలను విద్యుత్ సంకేతాలుగా మార్చే ఒక పరికరం.సెమీకండక్టర్ ఫోటోడిటెక్టర్పతనమయ్యే ఫోటాన్ ద్వారా ఉత్తేజితమైన ఫోటో-జనరేటెడ్ క్యారియర్, అనువర్తిత బయాస్ వోల్టేజ్ కింద బాహ్య సర్క్యూట్‌లోకి ప్రవేశించి, కొలవగల ఫోటోకరెంట్‌ను ఏర్పరుస్తుంది. గరిష్ట ప్రతిస్పందన వద్ద కూడా, ఒక PIN ఫోటోడయోడ్ గరిష్టంగా ఒక జత ఎలక్ట్రాన్-హోల్ జతలను మాత్రమే ఉత్పత్తి చేయగలదు, ఇది అంతర్గత గెయిన్ లేని పరికరం. అధిక ప్రతిస్పందన కోసం, అవలాంచ్ ఫోటోడయోడ్ (APD)ను ఉపయోగించవచ్చు. ఫోటోకరెంట్‌పై APD యొక్క విస్తరణ ప్రభావం అయనీకరణ ఘర్షణ ప్రభావంపై ఆధారపడి ఉంటుంది. కొన్ని పరిస్థితులలో, వేగవంతం చేయబడిన ఎలక్ట్రాన్లు మరియు హోల్స్ లాటిస్‌తో ఢీకొని కొత్త జత ఎలక్ట్రాన్-హోల్ జతలను ఉత్పత్తి చేయడానికి తగినంత శక్తిని పొందగలవు. ఈ ప్రక్రియ ఒక శృంఖల చర్య, తద్వారా కాంతి శోషణ ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన ఎలక్ట్రాన్-హోల్ జతలు పెద్ద సంఖ్యలో ఎలక్ట్రాన్-హోల్ జతలను ఉత్పత్తి చేసి, పెద్ద ద్వితీయ ఫోటోకరెంట్‌ను ఏర్పరుస్తాయి. అందువల్ల, APD అధిక ప్రతిస్పందన మరియు అంతర్గత గెయిన్‌ను కలిగి ఉంటుంది, ఇది పరికరం యొక్క సిగ్నల్-టు-నాయిస్ నిష్పత్తిని మెరుగుపరుస్తుంది. స్వీకరించిన ఆప్టికల్ పవర్‌పై ఇతర పరిమితులు ఉన్న సుదూర లేదా చిన్న ఆప్టికల్ ఫైబర్ కమ్యూనికేషన్ సిస్టమ్‌లలో APD ప్రధానంగా ఉపయోగించబడుతుంది. ప్రస్తుతం, చాలా మంది ఆప్టికల్ పరికరాల నిపుణులు APD యొక్క భవిష్యత్తు అవకాశాల పట్ల చాలా ఆశాజనకంగా ఉన్నారు మరియు సంబంధిత రంగాల అంతర్జాతీయ పోటీతత్వాన్ని పెంపొందించడానికి APD పరిశోధన అవసరమని నమ్ముతున్నారు.

2. సాంకేతిక అభివృద్ధిహిమపాతం ఫోటోడిటెక్టర్(APD ఫోటోడిటెక్టర్)

2.1 పదార్థాలు
(1)Si ఫోటోడిటెక్టర్
Si మెటీరియల్ టెక్నాలజీ అనేది మైక్రోఎలక్ట్రానిక్స్ రంగంలో విస్తృతంగా ఉపయోగించబడే ఒక పరిణతి చెందిన సాంకేతికత, కానీ ఇది ఆప్టికల్ కమ్యూనికేషన్ రంగంలో సాధారణంగా ఆమోదించబడిన 1.31mm మరియు 1.55mm తరంగదైర్ఘ్య పరిధిలోని పరికరాల తయారీకి అనువైనది కాదు.

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

(3)In0.53Ga0.47As/InP
APD యొక్క కాంతి శోషణ పొరగా In0.53Ga0.47Asను మరియు గుణకార పొరగా InPను ఎంచుకోవడం ఒక సమర్థవంతమైన పద్ధతి. In0.53Ga0.47As పదార్థం యొక్క శోషణ శిఖరం 1.65mm, 1.31mm, 1.55mm తరంగదైర్ఘ్యాల వద్ద సుమారు 104cm-1 అధిక శోషణ గుణకాన్ని కలిగి ఉంటుంది, ఇది ప్రస్తుతం కాంతి డిటెక్టర్ యొక్క శోషణ పొర కోసం ప్రాధాన్యతనిచ్చే పదార్థం.

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

(5)InGaAs/InAlAs
In0.52Al0.48As పదార్థం 1.47eV బ్యాండ్ గ్యాప్‌ను కలిగి ఉంటుంది మరియు 1.55mm తరంగదైర్ఘ్య పరిధిలో శోషించదు. స్వచ్ఛమైన ఎలక్ట్రాన్ ఇంజెక్షన్ పరిస్థితులలో, మల్టిప్లికేటర్ పొరగా InP కంటే పలుచని In0.52Al0.48As ఎపిటాక్సియల్ పొర మెరుగైన గెయిన్ లక్షణాలను పొందగలదని ఆధారాలు ఉన్నాయి.

(6)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs మరియు InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
పదార్థాల తాకిడి అయనీకరణ రేటు APD పనితీరును ప్రభావితం చేసే ఒక ముఖ్యమైన అంశం. InGaAs (P) /InAlAs మరియు In (Al) GaAs/InAlAs సూపర్‌లాటిస్ నిర్మాణాలను ప్రవేశపెట్టడం ద్వారా మల్టిప్లయర్ పొర యొక్క తాకిడి అయనీకరణ రేటును మెరుగుపరచవచ్చని ఫలితాలు చూపిస్తున్నాయి. సూపర్‌లాటిస్ నిర్మాణాన్ని ఉపయోగించడం ద్వారా, బ్యాండ్ ఇంజనీరింగ్ వాహక బ్యాండ్ మరియు వాలెన్స్ బ్యాండ్ విలువల మధ్య అసమాన బ్యాండ్ అంచు అంతరాయాన్ని కృత్రిమంగా నియంత్రించగలదు, మరియు వాహక బ్యాండ్ అంతరాయం వాలెన్స్ బ్యాండ్ అంతరాయం కంటే చాలా ఎక్కువగా ఉండేలా (ΔEc>>ΔEv) నిర్ధారించగలదు. InGaAs బల్క్ పదార్థాలతో పోలిస్తే, InGaAs/InAlAs క్వాంటం వెల్ ఎలక్ట్రాన్ అయనీకరణ రేటు (a) గణనీయంగా పెరిగింది, మరియు ఎలక్ట్రాన్లు మరియు హోల్స్ అదనపు శక్తిని పొందుతాయి. ΔEc>>ΔEv కారణంగా, హోల్ అయనీకరణ రేటుకు హోల్ శక్తి అందించే సహకారం కంటే ఎలక్ట్రాన్లు పొందిన శక్తి ఎలక్ట్రాన్ అయనీకరణ రేటును చాలా ఎక్కువగా పెంచుతుందని ఆశించవచ్చు (b). ఎలక్ట్రాన్ అయనీకరణ రేటుకు మరియు హోల్ అయనీకరణ రేటుకు గల నిష్పత్తి (k) పెరుగుతుంది. అందువల్ల, సూపర్‌లాటిస్ నిర్మాణాలను ఉపయోగించడం ద్వారా అధిక గెయిన్-బ్యాండ్‌విడ్త్ ప్రొడక్ట్ (GBW) మరియు తక్కువ నాయిస్ పనితీరును పొందవచ్చు. అయితే, k విలువను పెంచగల ఈ InGaAs/InAlAs క్వాంటం వెల్ నిర్మాణం APDని ఆప్టికల్ రిసీవర్‌లకు వర్తింపజేయడం కష్టం. ఎందుకంటే, గరిష్ట ప్రతిస్పందనను ప్రభావితం చేసే మల్టిప్లయర్ ఫ్యాక్టర్, మల్టిప్లయర్ నాయిస్ వల్ల కాకుండా డార్క్ కరెంట్ వల్ల పరిమితం అవుతుంది. ఈ నిర్మాణంలో, డార్క్ కరెంట్ ప్రధానంగా తక్కువ బ్యాండ్ గ్యాప్ ఉన్న InGaAs వెల్ లేయర్ యొక్క టన్నెలింగ్ ప్రభావం వల్ల ఏర్పడుతుంది, కాబట్టి క్వాంటం వెల్ నిర్మాణం యొక్క వెల్ లేయర్‌గా InGaAsకు బదులుగా InGaAsP లేదా InAlGaAs వంటి ఎక్కువ బ్యాండ్ గ్యాప్ ఉన్న క్వాటర్నరీ మిశ్రమాన్ని ప్రవేశపెట్టడం ద్వారా డార్క్ కరెంట్‌ను అణచివేయవచ్చు.