Fotodetektori un robežviļņu garumi

Fotodetektoriun robežviļņu garumi

Šajā rakstā galvenā uzmanība pievērsta fotodetektoru materiāliem un darbības principiem (īpaši reakcijas mehānismam, kas balstīts uz joslu teoriju), kā arī dažādu pusvadītāju materiālu galvenajiem parametriem un pielietojuma scenārijiem.
1. Pamatprincips: Fotodetektors darbojas, pamatojoties uz fotoelektrisko efektu. Iekrītošajiem fotoniem ir jāpārnes pietiekama enerģija (lielāka par materiāla joslas platumu Eg), lai ierosinātu elektronus no valences joslas uz vadītspējas joslu, veidojot detektējamu elektrisko signālu. Fotonu enerģija ir apgriezti proporcionāla viļņa garumam, tāpēc detektoram ir "robežviļņa garums" (λ c) – maksimālais viļņa garums, kas var reaģēt, ārpus kura tas nevar efektīvi reaģēt. Robežviļņa garumu var aprēķināt, izmantojot formulu λ c ≈ 1240/Eg (nm), kur Eg mērīts eV.
2. Galvenie pusvadītāju materiāli un to raksturlielumi:
Silīcijs (Si): joslas platums ir aptuveni 1,12 eV, robežviļņa garums ir aptuveni 1107 nm. Piemērots īsviļņu garuma noteikšanai, piemēram, 850 nm, parasti izmanto īsa darbības rādiusa daudzmodu optisko šķiedru savienošanai (piemēram, datu centros).
Gallija arsenīds (GaAs): joslas platums 1,42 eV, robežviļņa garums aptuveni 873 nm. Piemērots 850 nm viļņu garuma joslai, to var integrēt ar tā paša materiāla VCSEL gaismas avotiem vienā mikroshēmā.
Indija gallija arsenīds (InGaAs): joslas platumu var regulēt no 0,36 līdz 1,42 eV, un robežviļņa garums aptver 873–3542 nm. Tas ir galvenais detektora materiāls 1310 nm un 1550 nm šķiedru sakaru logiem, taču tam ir nepieciešams InP substrāts, un to ir sarežģīti integrēt ar silīcija bāzes shēmām.
Germānijs (Ge): ar joslas platumu aptuveni 0,66 eV un robežviļņa garumu aptuveni 1879 nm. Tas var aptvert 1550 nm līdz 1625 nm (L josla) un ir saderīgs ar silīcija substrātiem, padarot to par iespējamu risinājumu reakcijas pagarināšanai līdz garām joslām.
Silīcija germānija sakausējums (piemēram, Si0.5Ge0.5): joslas platums ir aptuveni 0,96 eV, robežviļņa garums ir aptuveni 1292 nm. Pievienojot germānijam silīciju, atbildes viļņa garumu var pagarināt līdz garākām joslām uz silīcija substrāta.
3. Lietojumprogrammas scenārija saistīšana:
850 nm josla:Silīcija fotodetektorivai var izmantot GaAs fotodetektorus.
1310/1550 nm josla:InGaAs fotodetektorigalvenokārt tiek izmantoti. Tīra germānija vai silīcija germānija sakausējuma fotodetektori var aptvert arī šo diapazonu un tiem ir potenciālas priekšrocības integrācijā uz silīcija bāzes.

Kopumā, izmantojot joslu teorijas un robežviļņu garuma pamatjēdzienus, ir sistemātiski pārskatītas dažādu pusvadītāju materiālu pielietojuma raksturlielumi un viļņu garuma pārklājuma diapazons fotodetektoros, un ir norādīta ciešā saistība starp materiāla izvēli, optiskās šķiedras sakaru viļņu garuma logu un integrācijas procesa izmaksām.