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

સિદ્ધાંત અને વર્તમાન પરિસ્થિતિહિમપ્રપાત ફોટોડિટેક્ટર (APD ફોટોડિટેક્ટર) ભાગ બે

૨.૨ APD ચિપ માળખું
વાજબી ચિપ માળખું એ ઉચ્ચ પ્રદર્શન ઉપકરણોની મૂળભૂત ગેરંટી છે. APD ની માળખાકીય ડિઝાઇન મુખ્યત્વે RC સમય સ્થિરાંક, હેટરોજંક્શન પર છિદ્ર કેપ્ચર, અવક્ષય પ્રદેશ દ્વારા વાહક પરિવહન સમય અને તેથી વધુને ધ્યાનમાં લે છે. તેની રચનાનો વિકાસ નીચે મુજબ છે:

(1) મૂળભૂત માળખું
સૌથી સરળ APD માળખું PIN ફોટોડાયોડ પર આધારિત છે, P પ્રદેશ અને N પ્રદેશ ભારે ડોપ્ડ છે, અને N-પ્રકાર અથવા P-પ્રકાર ડબલ-રિપેલન્ટ પ્રદેશને ગૌણ ઇલેક્ટ્રોન અને છિદ્ર જોડીઓ ઉત્પન્ન કરવા માટે નજીકના P પ્રદેશ અથવા N પ્રદેશમાં રજૂ કરવામાં આવે છે, જેથી પ્રાથમિક ફોટોકરન્ટનું એમ્પ્લીફિકેશન સાકાર થાય. InP શ્રેણી સામગ્રી માટે, કારણ કે છિદ્ર અસર આયનીકરણ ગુણાંક ઇલેક્ટ્રોન અસર આયનીકરણ ગુણાંક કરતા વધારે છે, N-પ્રકાર ડોપિંગનો લાભ ક્ષેત્ર સામાન્ય રીતે P પ્રદેશમાં મૂકવામાં આવે છે. આદર્શ પરિસ્થિતિમાં, ફક્ત છિદ્રો ગેઇન ક્ષેત્રમાં ઇન્જેક્ટ કરવામાં આવે છે, તેથી આ રચનાને છિદ્ર-ઇન્જેક્ટેડ માળખું કહેવામાં આવે છે.

(2) શોષણ અને લાભ અલગ પડે છે
InP ની વિશાળ બેન્ડ ગેપ લાક્ષણિકતાઓને કારણે (InP 1.35eV છે અને InGaAs 0.75eV છે), InP નો ઉપયોગ સામાન્ય રીતે ગેઇન ઝોન મટિરિયલ તરીકે અને InGaAs નો શોષણ ઝોન મટિરિયલ તરીકે થાય છે.

(3) અનુક્રમે શોષણ, ઢાળ અને લાભ (SAGM) માળખાં પ્રસ્તાવિત છે
હાલમાં, મોટાભાગના વાણિજ્યિક APD ઉપકરણો InP/InGaAs સામગ્રીનો ઉપયોગ કરે છે, InGaAs શોષણ સ્તર તરીકે, InP ઉચ્ચ ઇલેક્ટ્રિક ક્ષેત્ર (>5x105V/cm) હેઠળ ભંગાણ વિના, ગેઇન ઝોન સામગ્રી તરીકે ઉપયોગ કરી શકાય છે. આ સામગ્રી માટે, આ APD ની ડિઝાઇન એવી છે કે છિદ્રોની અથડામણ દ્વારા N-ટાઇપ InP માં હિમપ્રપાત પ્રક્રિયા રચાય છે. InP અને InGaAs વચ્ચેના બેન્ડ ગેપમાં મોટા તફાવતને ધ્યાનમાં લેતા, વેલેન્સ બેન્ડમાં લગભગ 0.4eV ના ઉર્જા સ્તરનો તફાવત InGaAs શોષણ સ્તરમાં ઉત્પન્ન થતા છિદ્રોને InP ગુણક સ્તર સુધી પહોંચતા પહેલા હેટરોજંક્શન ધાર પર અવરોધિત કરે છે અને ગતિ ઘણી ઓછી થાય છે, પરિણામે લાંબો પ્રતિભાવ સમય અને આ APD ની સાંકડી બેન્ડવિડ્થ થાય છે. આ સમસ્યા બે સામગ્રી વચ્ચે InGaAsP સંક્રમણ સ્તર ઉમેરીને ઉકેલી શકાય છે.

(૪) શોષણ, ઢાળ, ચાર્જ અને લાભ (SAGCM) માળખાં અનુક્રમે પ્રસ્તાવિત છે
શોષણ સ્તર અને લાભ સ્તરના ઇલેક્ટ્રિક ક્ષેત્ર વિતરણને વધુ સમાયોજિત કરવા માટે, ઉપકરણ ડિઝાઇનમાં ચાર્જ સ્તર દાખલ કરવામાં આવે છે, જે ઉપકરણની ગતિ અને પ્રતિભાવશીલતામાં ઘણો સુધારો કરે છે.

(5) રેઝોનેટર એન્હાન્સ્ડ (RCE) SAGCM માળખું
પરંપરાગત ડિટેક્ટર્સની ઉપરોક્ત શ્રેષ્ઠ ડિઝાઇનમાં, આપણે એ હકીકતનો સામનો કરવો પડશે કે શોષણ સ્તરની જાડાઈ ઉપકરણની ગતિ અને ક્વોન્ટમ કાર્યક્ષમતા માટે એક વિરોધાભાસી પરિબળ છે. શોષક સ્તરની પાતળી જાડાઈ વાહક પરિવહન સમય ઘટાડી શકે છે, તેથી મોટી બેન્ડવિડ્થ મેળવી શકાય છે. જો કે, તે જ સમયે, ઉચ્ચ ક્વોન્ટમ કાર્યક્ષમતા મેળવવા માટે, શોષણ સ્તરની પૂરતી જાડાઈ હોવી જરૂરી છે. આ સમસ્યાનો ઉકેલ રેઝોનન્ટ કેવિટી (RCE) માળખું હોઈ શકે છે, એટલે કે, વિતરિત બ્રેગ રિફ્લેક્ટર (DBR) ઉપકરણના તળિયે અને ટોચ પર ડિઝાઇન કરવામાં આવ્યું છે. DBR મિરરમાં બે પ્રકારની સામગ્રી હોય છે જેમાં ઓછા રીફ્રેક્ટિવ ઇન્ડેક્સ અને ઉચ્ચ રીફ્રેક્ટિવ ઇન્ડેક્સ હોય છે, અને તે બંને એકાંતરે વધે છે, અને દરેક સ્તરની જાડાઈ સેમિકન્ડક્ટરમાં ઘટના પ્રકાશ તરંગલંબાઇ 1/4 ને પૂર્ણ કરે છે. ડિટેક્ટરનું રેઝોનેટર માળખું ગતિની જરૂરિયાતોને પૂર્ણ કરી શકે છે, શોષણ સ્તરની જાડાઈ ખૂબ જ પાતળી બનાવી શકાય છે, અને ઇલેક્ટ્રોનની ક્વોન્ટમ કાર્યક્ષમતા અનેક પ્રતિબિંબ પછી વધે છે.

(6) એજ-કપ્લ્ડ વેવગાઇડ સ્ટ્રક્ચર (WG-APD)
ઉપકરણની ગતિ અને ક્વોન્ટમ કાર્યક્ષમતા પર શોષણ સ્તરની જાડાઈના વિવિધ પ્રભાવોના વિરોધાભાસને ઉકેલવા માટેનો બીજો ઉકેલ એ છે કે ધાર-જોડાણવાળા વેવગાઇડ માળખું રજૂ કરવું. આ માળખું બાજુથી પ્રકાશમાં પ્રવેશ કરે છે, કારણ કે શોષણ સ્તર ખૂબ લાંબુ છે, ઉચ્ચ ક્વોન્ટમ કાર્યક્ષમતા મેળવવાનું સરળ છે, અને તે જ સમયે, શોષણ સ્તરને ખૂબ જ પાતળું બનાવી શકાય છે, જે વાહક પરિવહન સમય ઘટાડે છે. તેથી, આ માળખું શોષણ સ્તરની જાડાઈ પર બેન્ડવિડ્થ અને કાર્યક્ષમતાની વિવિધ નિર્ભરતાને હલ કરે છે, અને ઉચ્ચ દર અને ઉચ્ચ ક્વોન્ટમ કાર્યક્ષમતા APD પ્રાપ્ત કરવાની અપેક્ષા છે. WG-APD ની પ્રક્રિયા RCE APD કરતા સરળ છે, જે DBR મિરરની જટિલ તૈયારી પ્રક્રિયાને દૂર કરે છે. તેથી, તે વ્યવહારિક ક્ષેત્રમાં વધુ શક્ય છે અને સામાન્ય પ્લેન ઓપ્ટિકલ કનેક્શન માટે યોગ્ય છે.

3. નિષ્કર્ષ
હિમપ્રપાતનો વિકાસફોટોડિટેક્ટરસામગ્રી અને ઉપકરણોની સમીક્ષા કરવામાં આવી છે. InP સામગ્રીના ઇલેક્ટ્રોન અને છિદ્ર અથડામણ આયનીકરણ દર InAlAs ની નજીક છે, જે બે વાહક સિમ્બિઓનની બેવડી પ્રક્રિયા તરફ દોરી જાય છે, જેના કારણે હિમપ્રપાત નિર્માણનો સમય લાંબો થાય છે અને અવાજ વધે છે. શુદ્ધ InAlAs સામગ્રીની તુલનામાં, InGaAs (P) /InAlAs અને In (Al) GaAs/InAlAs ક્વોન્ટમ વેલ સ્ટ્રક્ચર્સમાં અથડામણ આયનીકરણ ગુણાંકનો ગુણોત્તર વધારે છે, તેથી અવાજ પ્રદર્શનમાં મોટા પ્રમાણમાં ફેરફાર થઈ શકે છે. માળખાની દ્રષ્ટિએ, ઉપકરણની ગતિ અને ક્વોન્ટમ કાર્યક્ષમતા પર શોષણ સ્તરની જાડાઈના વિવિધ પ્રભાવોના વિરોધાભાસને ઉકેલવા માટે રેઝોનેટર ઉન્નત (RCE) SAGCM માળખું અને ધાર-જોડાણયુક્ત વેવગાઇડ માળખું (WG-APD) વિકસાવવામાં આવ્યા છે. પ્રક્રિયાની જટિલતાને કારણે, આ બે રચનાઓના સંપૂર્ણ વ્યવહારુ ઉપયોગની વધુ શોધ કરવાની જરૂર છે.