હિમપ્રપાત ફોટોડિટેક્ટર (APD ફોટોડિટેક્ટર) ભાગ એકનો સિદ્ધાંત અને વર્તમાન પરિસ્થિતિ

એબ્સ્ટ્રેક્ટ: હિમપ્રપાત ફોટોડિટેક્ટરનું મૂળભૂત માળખું અને કાર્ય સિદ્ધાંત (એપીડી ફોટોડિટેક્ટર) રજૂ કરવામાં આવે છે, ઉપકરણની રચનાની ઉત્ક્રાંતિ પ્રક્રિયાનું વિશ્લેષણ કરવામાં આવે છે, વર્તમાન સંશોધન સ્થિતિનો સારાંશ આપવામાં આવે છે, અને APD ના ભાવિ વિકાસનો સંભવિત અભ્યાસ કરવામાં આવે છે.

1. પરિચય
ફોટોડિટેક્ટર એ એક ઉપકરણ છે જે પ્રકાશ સંકેતોને વિદ્યુત સંકેતોમાં રૂપાંતરિત કરે છે. માં એસેમિકન્ડક્ટર ફોટોડિટેક્ટર, ઘટના ફોટોન દ્વારા ઉત્તેજિત ફોટો-જનરેટ કરેલ વાહક એપ્લાઇડ બાયસ વોલ્ટેજ હેઠળ બાહ્ય સર્કિટમાં પ્રવેશ કરે છે અને એક માપી શકાય તેવું ફોટોકરન્ટ બનાવે છે. મહત્તમ પ્રતિભાવ પર પણ, એક PIN ફોટોોડિયોડ ફક્ત ઇલેક્ટ્રોન-હોલ જોડીની વધુમાં વધુ જોડી બનાવી શકે છે, જે આંતરિક લાભ વિનાનું ઉપકરણ છે. વધુ પ્રતિભાવ માટે, હિમપ્રપાત ફોટોોડિયોડ (APD) નો ઉપયોગ કરી શકાય છે. ફોટોકરન્ટ પર APD ની એમ્પ્લીફિકેશન અસર આયનીકરણ અથડામણ અસર પર આધારિત છે. ચોક્કસ પરિસ્થિતિઓ હેઠળ, પ્રવેગક ઇલેક્ટ્રોન અને છિદ્રો ઇલેક્ટ્રોન-હોલ જોડીની નવી જોડી બનાવવા માટે જાળી સાથે અથડાવા માટે પૂરતી ઊર્જા મેળવી શકે છે. આ પ્રક્રિયા એક સાંકળ પ્રતિક્રિયા છે, જેથી પ્રકાશ શોષણ દ્વારા પેદા થતી ઈલેક્ટ્રોન-હોલ જોડી મોટી સંખ્યામાં ઈલેક્ટ્રોન-હોલ જોડી પેદા કરી શકે છે અને એક વિશાળ ગૌણ ફોટોકરન્ટ બનાવી શકે છે. તેથી, APDમાં ઉચ્ચ પ્રતિભાવ અને આંતરિક લાભ છે, જે ઉપકરણના સિગ્નલ-ટુ-નોઈઝ રેશિયોને સુધારે છે. APD નો ઉપયોગ મુખ્યત્વે લાંબા-અંતરની અથવા નાની ઓપ્ટિકલ ફાઈબર કોમ્યુનિકેશન સિસ્ટમ્સમાં પ્રાપ્ત થયેલ ઓપ્ટિકલ પાવર પર અન્ય મર્યાદાઓ સાથે કરવામાં આવશે. હાલમાં, ઘણા ઓપ્ટિકલ ઉપકરણ નિષ્ણાતો એપીડીની સંભાવનાઓ વિશે ખૂબ આશાવાદી છે, અને માને છે કે સંબંધિત ક્ષેત્રોની આંતરરાષ્ટ્રીય સ્પર્ધાત્મકતા વધારવા માટે એપીડીનું સંશોધન જરૂરી છે.

2. ની તકનીકી વિકાસહિમપ્રપાત ફોટોડિટેક્ટર(APD ફોટોડિટેક્ટર)

2.1 સામગ્રી
(1)ફોટોડિટેક્ટર
Si મટિરિયલ ટેક્નોલોજી એ એક પરિપક્વ તકનીક છે જે માઇક્રોઇલેક્ટ્રોનિક્સના ક્ષેત્રમાં વ્યાપકપણે ઉપયોગમાં લેવાય છે, પરંતુ તે 1.31mm અને 1.55mmની તરંગલંબાઇની શ્રેણીમાં ઉપકરણોની તૈયારી માટે યોગ્ય નથી કે જે સામાન્ય રીતે ઓપ્ટિકલ કમ્યુનિકેશનના ક્ષેત્રમાં સ્વીકારવામાં આવે છે.

(2)જી
જો કે Ge APD નો સ્પેક્ટ્રલ પ્રતિભાવ ઓપ્ટિકલ ફાઈબર ટ્રાન્સમિશનમાં ઓછા નુકશાન અને ઓછા વિક્ષેપની જરૂરિયાતો માટે યોગ્ય છે, તૈયારી પ્રક્રિયામાં મોટી મુશ્કેલીઓ છે. વધુમાં, Ge નો ઇલેક્ટ્રોન અને હોલ આયનાઇઝેશન રેટ રેશિયો () 1 ની નજીક છે, તેથી ઉચ્ચ-પ્રદર્શન APD ઉપકરણો તૈયાર કરવા મુશ્કેલ છે.

(3)In0.53Ga0.47As/InP
APD ના પ્રકાશ શોષણ સ્તર તરીકે In0.53Ga0.47A અને ગુણક સ્તર તરીકે InP પસંદ કરવાની તે અસરકારક પદ્ધતિ છે. In0.53Ga0.47A સામગ્રીનું શોષણ શિખર 1.65mm, 1.31mm, 1.55mm તરંગલંબાઇ લગભગ 104cm-1 ઉચ્ચ શોષણ ગુણાંક છે, જે હાલમાં પ્રકાશ ડિટેક્ટરના શોષણ સ્તર માટે પસંદગીની સામગ્રી છે.

(4)InGaAs ફોટોડિટેક્ટર/માંફોટોડિટેક્ટર
પ્રકાશ શોષક સ્તર તરીકે InGaAsP અને ગુણક સ્તર તરીકે InP પસંદ કરીને, 1-1.4mm ની પ્રતિભાવ તરંગલંબાઇ સાથે APD, ઉચ્ચ ક્વોન્ટમ કાર્યક્ષમતા, નીચા શ્યામ પ્રવાહ અને ઉચ્ચ હિમપ્રપાત ગેઇન તૈયાર કરી શકાય છે. વિવિધ એલોય ઘટકો પસંદ કરીને, ચોક્કસ તરંગલંબાઇ માટે શ્રેષ્ઠ પ્રદર્શન પ્રાપ્ત થાય છે.

(5)InGaAs/InAlAs
In0.52Al0.48A સામગ્રીમાં બેન્ડ ગેપ (1.47eV) હોય છે અને તે 1.55mmની તરંગલંબાઇની શ્રેણીમાં શોષી શકતું નથી. એવા પુરાવા છે કે પાતળું In0.52Al0.48 એપિટાક્સિયલ લેયર શુદ્ધ ઈલેક્ટ્રોન ઈન્જેક્શનની સ્થિતિમાં ગુણાકાર સ્તર તરીકે InP કરતાં વધુ સારી ગેઈન લાક્ષણિકતાઓ મેળવી શકે છે.

(6)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs અને InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
સામગ્રીની અસર આયનીકરણ દર એ APD ના પ્રભાવને અસર કરતું એક મહત્વપૂર્ણ પરિબળ છે. પરિણામો દર્શાવે છે કે ગુણક સ્તરના અથડામણના આયનીકરણ દરને InGaAs (P) /InAlAs અને In (Al) GaAs/InAlAs સુપરલેટીસ સ્ટ્રક્ચર્સ રજૂ કરીને સુધારી શકાય છે. સુપરલેટીસ સ્ટ્રક્ચરનો ઉપયોગ કરીને, બેન્ડ એન્જિનિયરિંગ કૃત્રિમ રીતે વહન બેન્ડ અને વેલેન્સ બેન્ડ મૂલ્યો વચ્ચેની અસમપ્રમાણતાવાળા બેન્ડ ધારની વિઘટનને નિયંત્રિત કરી શકે છે, અને ખાતરી કરી શકે છે કે વહન બેન્ડની અસંતુલનતા વેલેન્સ બેન્ડ ડિસકોન્ટિન્યુટી (ΔEc>>ΔEv) કરતાં ઘણી મોટી છે. InGaAs જથ્થાબંધ સામગ્રીની તુલનામાં, InGaAs/InAlAs ક્વોન્ટમ વેલ ઇલેક્ટ્રોન આયનીકરણ દર (a) નોંધપાત્ર રીતે વધે છે, અને ઇલેક્ટ્રોન અને છિદ્રો વધારાની ઊર્જા મેળવે છે. ΔEc>>ΔEv ને કારણે, એવી અપેક્ષા રાખી શકાય છે કે ઇલેક્ટ્રોન દ્વારા મેળવેલી ઊર્જા ઇલેક્ટ્રોન આયનીકરણ દરને છિદ્ર ઊર્જાના છિદ્ર આયનીકરણ દર (b) માં યોગદાન કરતાં વધુ વધારે છે. ઇલેક્ટ્રોન આયનીકરણ દર અને છિદ્ર આયનીકરણ દરનો ગુણોત્તર (k) વધે છે. તેથી, ઉચ્ચ લાભ-બેન્ડવિડ્થ ઉત્પાદન (GBW) અને ઓછા અવાજની કામગીરી સુપરલેટીસ સ્ટ્રક્ચર્સ લાગુ કરીને મેળવી શકાય છે. જો કે, આ InGaAs/InAlAs ક્વોન્ટમ વેલ સ્ટ્રક્ચર APD, જે k મૂલ્યમાં વધારો કરી શકે છે, તે ઓપ્ટિકલ રીસીવરોને લાગુ કરવું મુશ્કેલ છે. આ એટલા માટે છે કારણ કે ગુણક પરિબળ જે મહત્તમ પ્રતિભાવને અસર કરે છે તે શ્યામ પ્રવાહ દ્વારા મર્યાદિત છે, ગુણક અવાજ દ્વારા નહીં. આ બંધારણમાં, અંધારું પ્રવાહ મુખ્યત્વે સાંકડી બેન્ડ ગેપ સાથે InGaAs વેલ લેયરની ટનલીંગ અસરને કારણે થાય છે, તેથી વેલ લેયર તરીકે InGaAs ને બદલે InGaAs ને બદલે વિશાળ-બેન્ડ ગેપ ક્વાટર્નરી એલોય, જેમ કે InGaAsP અથવા InAlGaAs નો પરિચય. ક્વોન્ટમ વેલ સ્ટ્રક્ચર શ્યામ પ્રવાહને દબાવી શકે છે.