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

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

૧. પરિચય
ફોટોડિટેક્ટર એ એક ઉપકરણ છે જે પ્રકાશ સંકેતોને વિદ્યુત સંકેતોમાં રૂપાંતરિત કરે છે. એક માંસેમિકન્ડક્ટર ફોટોડિટેક્ટર, ઘટના ફોટોન દ્વારા ઉત્તેજિત ફોટો-જનરેટેડ કેરિયર લાગુ બાયસ વોલ્ટેજ હેઠળ બાહ્ય સર્કિટમાં પ્રવેશ કરે છે અને માપી શકાય તેવો ફોટોકરન્ટ બનાવે છે. મહત્તમ પ્રતિભાવ પર પણ, PIN ફોટોડાયોડ મહત્તમ માત્ર ઇલેક્ટ્રોન-હોલ જોડીઓની જોડી ઉત્પન્ન કરી શકે છે, જે આંતરિક લાભ વિનાનું ઉપકરણ છે. વધુ પ્રતિભાવ માટે, હિમપ્રપાત ફોટોડાયોડ (APD) નો ઉપયોગ કરી શકાય છે. ફોટોકરન્ટ પર APD ની એમ્પ્લીફિકેશન અસર આયનીકરણ અથડામણ અસર પર આધારિત છે. ચોક્કસ પરિસ્થિતિઓમાં, ત્વરિત ઇલેક્ટ્રોન અને છિદ્રો જાળી સાથે અથડાઈને ઇલેક્ટ્રોન-હોલ જોડીઓની નવી જોડી ઉત્પન્ન કરવા માટે પૂરતી ઊર્જા મેળવી શકે છે. આ પ્રક્રિયા એક સાંકળ પ્રતિક્રિયા છે, જેથી પ્રકાશ શોષણ દ્વારા ઉત્પન્ન થતી ઇલેક્ટ્રોન-હોલ જોડીઓની જોડી મોટી સંખ્યામાં ઇલેક્ટ્રોન-હોલ જોડીઓ ઉત્પન્ન કરી શકે છે અને એક મોટો ગૌણ ફોટોકરન્ટ બનાવી શકે છે. તેથી, APD માં ઉચ્ચ પ્રતિભાવ અને આંતરિક લાભ છે, જે ઉપકરણના સિગ્નલ-થી-અવાજ ગુણોત્તરમાં સુધારો કરે છે. APD મુખ્યત્વે લાંબા-અંતરની અથવા નાની ઓપ્ટિકલ ફાઇબર સંચાર પ્રણાલીઓમાં પ્રાપ્ત ઓપ્ટિકલ પાવર પર અન્ય મર્યાદાઓ સાથે ઉપયોગમાં લેવાશે. હાલમાં, ઘણા ઓપ્ટિકલ ડિવાઇસ નિષ્ણાતો APD ની સંભાવનાઓ વિશે ખૂબ જ આશાવાદી છે, અને માને છે કે સંબંધિત ક્ષેત્રોની આંતરરાષ્ટ્રીય સ્પર્ધાત્મકતા વધારવા માટે APD નું સંશોધન જરૂરી છે.

2. ટેકનિકલ વિકાસહિમપ્રપાત ફોટોડિટેક્ટર(APD ફોટોડિટેક્ટર)

૨.૧ સામગ્રી
(૧)સી ફોટોડિટેક્ટર
Si મટીરીયલ ટેકનોલોજી એ એક પરિપક્વ ટેકનોલોજી છે જેનો ઉપયોગ માઇક્રોઇલેક્ટ્રોનિક્સના ક્ષેત્રમાં વ્યાપકપણે થાય છે, પરંતુ તે 1.31mm અને 1.55mm ની તરંગલંબાઇ શ્રેણીમાં ઉપકરણોની તૈયારી માટે યોગ્ય નથી જે સામાન્ય રીતે ઓપ્ટિકલ કોમ્યુનિકેશનના ક્ષેત્રમાં સ્વીકૃત છે.

(2)જી
જોકે Ge APD નો સ્પેક્ટ્રલ પ્રતિભાવ ઓપ્ટિકલ ફાઇબર ટ્રાન્સમિશનમાં ઓછા નુકશાન અને ઓછા વિક્ષેપની જરૂરિયાતો માટે યોગ્ય છે, તૈયારી પ્રક્રિયામાં ઘણી મુશ્કેલીઓ છે. વધુમાં, Ge નો ઇલેક્ટ્રોન અને છિદ્ર આયનીકરણ દર ગુણોત્તર () 1 ની નજીક છે, તેથી ઉચ્ચ-પ્રદર્શન APD ઉપકરણો તૈયાર કરવા મુશ્કેલ છે.

(3)In0.53Ga0.47A/InP
APD ના પ્રકાશ શોષણ સ્તર તરીકે In0.53Ga0.47A અને ગુણક સ્તર તરીકે InP પસંદ કરવાની 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 શોધનારના શોષણ સ્તર માટે પસંદગીની સામગ્રી છે.

(૪)InGaAs ફોટોડિટેક્ટર/માંફોટોડિટેક્ટર
InGaAsP ને પ્રકાશ શોષક સ્તર તરીકે અને InP ને ગુણક સ્તર તરીકે પસંદ કરીને, 1-1.4mm ની પ્રતિભાવ તરંગલંબાઇ, ઉચ્ચ ક્વોન્ટમ કાર્યક્ષમતા, ઓછો શ્યામ પ્રવાહ અને ઉચ્ચ હિમપ્રપાત ગેઇન સાથે APD 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 1.55mm ની તરંગલંબાઇ શ્રેણીમાં શોષાય નહીં. એવા પુરાવા છે કે પાતળું In0.52Al0.48A એપિટેક્સિયલ સ્તર શુદ્ધ ઇલેક્ટ્રોન ઇન્જેક્શનની સ્થિતિમાં ગુણાકાર સ્તર તરીકે InP કરતાં વધુ સારી ગેઇન લાક્ષણિકતાઓ મેળવી શકે છે.

(6)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs અને InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
સામગ્રીનો અસર આયનીકરણ દર એ APD ના પ્રદર્શનને અસર કરતું એક મહત્વપૂર્ણ પરિબળ છે. પરિણામો દર્શાવે છે કે ગુણક સ્તરના અથડામણ આયનીકરણ દરને InGaAs (P) /InAlAs અને In (Al) GaAs/InAlAs સુપરલેટીસ માળખાં રજૂ કરીને સુધારી શકાય છે. સુપરલેટીસ માળખાનો ઉપયોગ કરીને, બેન્ડ એન્જિનિયરિંગ કૃત્રિમ રીતે વહન બેન્ડ અને વેલેન્સ બેન્ડ મૂલ્યો વચ્ચે અસમપ્રમાણ બેન્ડ ધાર ડિસ્કન્ટિન્યુટીને નિયંત્રિત કરી શકે છે, અને ખાતરી કરી શકે છે કે વહન બેન્ડ ડિસ્કન્ટિન્યુટી વેલેન્સ બેન્ડ ડિસ્કન્ટિન્યુટી (ΔEc>ΔEv) કરતા ઘણી મોટી છે. InGaAs બલ્ક 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 આયનીકરણ દર (b) માં છિદ્ર ઊર્જાના યોગદાન કરતા ઘણી વધારે છે. ઇલેક્ટ્રોન આયનીકરણ દર અને છિદ્ર આયનીકરણ દરનો ગુણોત્તર (k) વધે છે. તેથી, સુપરલેટીસ સ્ટ્રક્ચર્સ લાગુ કરીને ઉચ્ચ ગેઇન-બેન્ડવિડ્થ પ્રોડક્ટ (GBW) અને ઓછો અવાજ પ્રદર્શન મેળવી શકાય છે. જો કે, આ InGaAs/InAlAs ક્વોન્ટમ વેલ સ્ટ્રક્ચર APD, જે k મૂલ્યમાં વધારો કરી શકે છે, તે ઓપ્ટિકલ રીસીવરો પર લાગુ કરવું મુશ્કેલ છે. આનું કારણ એ છે કે મહત્તમ પ્રતિભાવશીલતાને અસર કરતો ગુણક પરિબળ ડાર્ક કરંટ દ્વારા મર્યાદિત છે, ગુણક અવાજ દ્વારા નહીં. આ માળખામાં, ડાર્ક કરંટ મુખ્યત્વે સાંકડા બેન્ડ ગેપ સાથે InGaAs વેલ લેયરની ટનલિંગ અસરને કારણે થાય છે, તેથી ક્વોન્ટમ વેલ સ્ટ્રક્ચરના વેલ લેયર તરીકે InGaAs ને બદલે વાઇડ-બેન્ડ ગેપ ક્વોટર્નરી એલોય, જેમ કે InGaAsP અથવા InAlGaAs નો પરિચય ડાર્ક કરંટને દબાવી શકે છે.