Abstract: ໂຄງສ້າງພື້ນຖານ ແລະ ຫຼັກການການເຮັດວຽກຂອງ avalanche photodetector (ເຄື່ອງກວດຈັບພາບ APD) ຖືກນໍາສະເຫນີ, ຂະບວນການວິວັຖນາການຂອງໂຄງສ້າງອຸປະກອນໄດ້ຖືກວິເຄາະ, ສະຖານະການຄົ້ນຄ້ວາໃນປະຈຸບັນໄດ້ຖືກສະຫຼຸບ, ແລະການພັດທະນາຂອງ APD ໃນອະນາຄົດແມ່ນການສຶກສາໃນອະນາຄົດ.
1. ບົດແນະນຳ
photodetector ເປັນອຸປະກອນທີ່ແປງສັນຍານແສງສະຫວ່າງເປັນສັນຍານໄຟຟ້າ.ຢູ່ໃນເຄື່ອງກວດຈັບແສງ semiconductor, ຜູ້ໃຫ້ບໍລິການສ້າງຮູບພາບທີ່ຕື່ນເຕັ້ນໂດຍ photon ເຫດການເຂົ້າໄປໃນວົງຈອນພາຍນອກພາຍໃຕ້ແຮງດັນທີ່ມີອະຄະຕິທີ່ນໍາໃຊ້ແລະປະກອບເປັນ photocurrent ທີ່ສາມາດວັດແທກໄດ້.ເຖິງແມ່ນວ່າຢູ່ໃນການຕອບສະຫນອງສູງສຸດ, photodiode PIN ພຽງແຕ່ສາມາດຜະລິດຄູ່ຂອງຄູ່ electron-hole ທີ່ສຸດ, ເຊິ່ງເປັນອຸປະກອນທີ່ບໍ່ມີຜົນປະໂຫຍດພາຍໃນ.ສຳລັບການຕອບສະໜອງທີ່ດີຂຶ້ນ, ສາມາດໃຊ້ photodiode avalanche (APD) ໄດ້.ຜົນກະທົບການຂະຫຍາຍຂອງ APD ໃນ photocurrent ແມ່ນອີງໃສ່ຜົນກະທົບຂອງ ionization collision.ພາຍໃຕ້ເງື່ອນໄຂສະເພາະໃດຫນຶ່ງ, ເອເລັກໂຕຣນິກເລັ່ງແລະຮູສາມາດໄດ້ຮັບພະລັງງານພຽງພໍທີ່ຈະ collide ກັບເສັ້ນດ່າງເພື່ອຜະລິດຄູ່ໃຫມ່ຂອງຄູ່ electron-hole.ຂະບວນການນີ້ແມ່ນປະຕິກິລິຢາລະບົບຕ່ອງໂສ້, ດັ່ງນັ້ນຄູ່ຂອງຄູ່ electron-hole ທີ່ຜະລິດໂດຍການດູດຊຶມແສງສະຫວ່າງສາມາດຜະລິດຈໍານວນຂະຫນາດໃຫຍ່ຂອງຄູ່ electron-hole ແລະປະກອບເປັນ photocurrent ມັດທະຍົມຂະຫນາດໃຫຍ່.ດັ່ງນັ້ນ, APD ມີການຕອບສະຫນອງສູງແລະການໄດ້ຮັບພາຍໃນ, ເຊິ່ງປັບປຸງອັດຕາສ່ວນສັນຍານຕໍ່ສຽງຂອງອຸປະກອນ.APD ສ່ວນໃຫຍ່ຈະຖືກນໍາໃຊ້ໃນລະບົບການສື່ສານເສັ້ນໄຍທາງໄກຫຼືຂະຫນາດນ້ອຍກວ່າທີ່ມີຂໍ້ຈໍາກັດອື່ນໆກ່ຽວກັບພະລັງງານ optical ທີ່ໄດ້ຮັບ.ໃນປັດຈຸບັນ, ຜູ້ຊ່ຽວຊານດ້ານອຸປະກອນ optical ຫຼາຍຄົນມີແງ່ດີຫຼາຍກ່ຽວກັບຄວາມສົດໃສດ້ານຂອງ APD, ແລະເຊື່ອວ່າການຄົ້ນຄວ້າຂອງ APD ແມ່ນມີຄວາມຈໍາເປັນເພື່ອເສີມຂະຫຍາຍການແຂ່ງຂັນສາກົນຂອງຂົງເຂດທີ່ກ່ຽວຂ້ອງ.
2. ການພັດທະນາດ້ານວິຊາການຂອງເຄື່ອງກວດຈັບພາບຫິມະ avalanche(ເຄື່ອງກວດຈັບພາບ APD)
2.1 ວັດສະດຸ
(1)Si photodetector
ເທກໂນໂລຍີວັດສະດຸ Si ເປັນເທກໂນໂລຍີຜູ້ໃຫຍ່ທີ່ຖືກນໍາໃຊ້ຢ່າງກວ້າງຂວາງໃນຂົງເຂດຂອງຈຸນລະພາກ, ແຕ່ມັນບໍ່ເຫມາະສົມສໍາລັບການກະກຽມອຸປະກອນໃນຂອບເຂດຄວາມຍາວຄື່ນຂອງ 1.31mm ແລະ 1.55mm ທີ່ໄດ້ຮັບການຍອມຮັບໂດຍທົ່ວໄປໃນພາກສະຫນາມຂອງການສື່ສານ optical.
(2) ເກ
ເຖິງແມ່ນວ່າການຕອບສະຫນອງ spectral ຂອງ Ge APD ແມ່ນເຫມາະສົມສໍາລັບຄວາມຕ້ອງການຂອງການສູນເສຍຕ່ໍາແລະການກະຈາຍຕ່ໍາໃນສາຍສົ່ງເສັ້ນໄຍ optical, ມີຄວາມຫຍຸ້ງຍາກຫຼາຍໃນຂະບວນການກະກຽມ.ນອກຈາກນັ້ນ, ອັດຕາສ່ວນອັດຕາ ionization ຂອງ electron ແລະ hole ຂອງ Ge ແມ່ນຢູ່ໃກ້ກັບ () 1, ດັ່ງນັ້ນມັນຍາກທີ່ຈະກະກຽມອຸປະກອນ APD ທີ່ມີປະສິດທິພາບສູງ.
(3)In0.53Ga0.47As/InP
ມັນເປັນວິທີທີ່ມີປະສິດທິພາບທີ່ຈະເລືອກເອົາ In0.53Ga0.47As ເປັນຊັ້ນການດູດຊຶມແສງສະຫວ່າງຂອງ APD ແລະ InP ເປັນຊັ້ນຄູນ.ການດູດຊຶມສູງສຸດຂອງ In0.53Ga0.47As ວັດສະດຸແມ່ນ 1.65mm, 1.31mm, 1.55mm ຄວາມຍາວຂອງຄື້ນແມ່ນປະມານ 104cm-1 ຕົວຄູນການດູດຊຶມສູງ, ເຊິ່ງເປັນວັດສະດຸທີ່ຕ້ອງການສໍາລັບຊັ້ນການດູດຊຶມຂອງເຄື່ອງກວດຈັບແສງສະຫວ່າງໃນປະຈຸບັນ.
(4)ເຄື່ອງກວດຈັບພາບ InGaAs/ ໃນເຄື່ອງກວດຈັບພາບ
ໂດຍການເລືອກ InGaAsP ເປັນຊັ້ນດູດແສງສະຫວ່າງແລະ InP ເປັນຊັ້ນຕົວຄູນ, APD ທີ່ມີຄວາມຍາວຄື້ນຕອບສະຫນອງ 1-1.4 ມມ, ປະສິດທິພາບ quantum ສູງ, ປະຈຸບັນຊ້ໍາຕ່ໍາແລະການເພີ່ມ avalanche ສູງສາມາດໄດ້ຮັບການກະກຽມ.ໂດຍການເລືອກອົງປະກອບໂລຫະປະສົມທີ່ແຕກຕ່າງກັນ, ການປະຕິບັດທີ່ດີທີ່ສຸດສໍາລັບຄວາມຍາວຂອງຄື້ນສະເພາະແມ່ນບັນລຸໄດ້.
(5)InGaAs/InAlAs
In0.52Al0.48As ວັດສະດຸມີຊ່ອງຫວ່າງແຖບ (1.47eV) ແລະບໍ່ດູດຊືມໃນລະດັບຄວາມຍາວຄື່ນຂອງ 1.55mm.ມີຫຼັກຖານວ່າ In0.52Al0.48As ຊັ້ນ epitaxial ບາງໆສາມາດໄດ້ຮັບຄຸນລັກສະນະທີ່ດີຂຶ້ນກວ່າ InP ເປັນຊັ້ນຕົວຄູນພາຍໃຕ້ເງື່ອນໄຂຂອງການສີດເອເລັກໂຕຣນິກບໍລິສຸດ.
(6) InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs ແລະ InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
ອັດຕາການ ionization ຜົນກະທົບຂອງວັດສະດຸແມ່ນປັດໃຈສໍາຄັນທີ່ມີຜົນກະທົບຕໍ່ການປະຕິບັດຂອງ APD.ຜົນໄດ້ຮັບສະແດງໃຫ້ເຫັນວ່າອັດຕາການ ionization collision ຂອງຊັ້ນຕົວຄູນສາມາດໄດ້ຮັບການປັບປຸງໂດຍການນໍາສະເຫນີໂຄງສ້າງ InGaAs (P) /InAlAs ແລະໃນ (Al) GaAs / InAlAs superlattice ໂຄງສ້າງ.ໂດຍການນໍາໃຊ້ໂຄງສ້າງຂອງ superlattice, ວິສະວະກໍາແຖບສາມາດຄວບຄຸມຄວາມຜິດປົກກະຕິຂອງແຖບ asymmetric ລະຫວ່າງແຖບ conduction ແລະມູນຄ່າແຖບ valence, ແລະໃຫ້ແນ່ໃຈວ່າຄວາມບໍ່ຕໍ່ເນື່ອງຂອງແຖບ conduction ແມ່ນໃຫຍ່ກວ່າຄວາມບໍ່ຕໍ່ເນື່ອງຂອງແຖບ valence (ΔEc>>ΔEv).ເມື່ອປຽບທຽບກັບວັດສະດຸຫຼາຍຂອງ InGaAs, InGaAs/InAlAs ອັດຕາການ ionization ຂອງເອເລັກໂຕຣນິກ quantum ດີ (a) ແມ່ນເພີ່ມຂຶ້ນຢ່າງຫຼວງຫຼາຍ, ແລະເອເລັກໂຕຣນິກແລະຮູໄດ້ຮັບພະລັງງານພິເສດ.ເນື່ອງຈາກ ΔEc>> ΔEv, ມັນສາມາດຄາດຫວັງໄດ້ວ່າພະລັງງານທີ່ໄດ້ຮັບໂດຍເອເລັກໂຕຣນິກຈະເພີ່ມອັດຕາການ ionization ຂອງເອເລັກໂຕຣນິກຫຼາຍກ່ວາການປະກອບສ່ວນຂອງພະລັງງານຂຸມກັບອັດຕາການ ionization ຂອງຂຸມ (b).ອັດຕາສ່ວນ (k) ຂອງອັດຕາ ionization ເອເລັກໂຕຣນິກກັບອັດຕາ ionization ຂຸມເພີ່ມຂຶ້ນ.ດັ່ງນັ້ນ, ຜະລິດຕະພັນທີ່ມີແບນວິດສູງ (GBW) ແລະປະສິດທິພາບສຽງຕ່ໍາສາມາດໄດ້ຮັບໂດຍການໃຊ້ໂຄງສ້າງ superlattice.ຢ່າງໃດກໍຕາມ, ໂຄງສ້າງທີ່ດີຂອງ InGaAs / InAlAs APD, ເຊິ່ງສາມາດເພີ່ມມູນຄ່າ k, ແມ່ນຍາກທີ່ຈະນໍາໃຊ້ກັບເຄື່ອງຮັບ optical.ນີ້ແມ່ນຍ້ອນວ່າປັດໄຈຕົວຄູນທີ່ສົ່ງຜົນກະທົບຕໍ່ການຕອບສະຫນອງສູງສຸດແມ່ນຖືກຈໍາກັດໂດຍກະແສຊ້ໍາ, ບໍ່ແມ່ນສຽງຂອງຕົວຄູນ.ໃນໂຄງສ້າງນີ້, ກະແສໄຟຟ້າຊ້ໍາສ່ວນໃຫຍ່ແມ່ນເກີດມາຈາກຜົນກະທົບຂອງ tunneling ຂອງຊັ້ນ InGaAs ດີທີ່ມີຊ່ອງຫວ່າງແຖບແຄບ, ດັ່ງນັ້ນການນໍາສະເຫນີຂອງໂລຫະປະສົມ quaternary ຊ່ອງຫວ່າງກ້ວາງວົງ, ເຊັ່ນ InGaAsP ຫຼື InAlGaAs, ແທນທີ່ຈະເປັນ InGaAs ເປັນຊັ້ນດີ. ໂຄງສ້າງຂອງ quantum ດີສາມາດສະກັດກັ້ນກະແສຊ້ໍາ.
ເວລາປະກາດ: 13-11-2023