ຫຼັກການ ແລະ ສະຖານະການໃນປະຈຸບັນຂອງເຄື່ອງກວດຈັບແສງຫິມະຖະຫຼົ່ມ (ເຄື່ອງກວດຈັບແສງ APD) ພາກທີໜຶ່ງ

ບົດຄັດຫຍໍ້: ໂຄງສ້າງພື້ນຖານ ແລະ ຫຼັກການເຮັດວຽກຂອງເຄື່ອງກວດຈັບແສງຫິມະຖະຫຼົ່ມ (ເຄື່ອງກວດຈັບແສງ APD) ຖືກນຳສະເໜີ, ຂະບວນການວິວັດທະນາການຂອງໂຄງສ້າງອຸປະກອນຖືກວິເຄາະ, ສະຖານະພາບການຄົ້ນຄວ້າໃນປະຈຸບັນຖືກສະຫຼຸບ, ແລະ ການພັດທະນາໃນອະນາຄົດຂອງ APD ໄດ້ຖືກສຶກສາແບບລ່ວງໜ້າ.

1. ບົດນໍາ
ເຄື່ອງກວດຈັບແສງແມ່ນອຸປະກອນທີ່ປ່ຽນສັນຍານແສງເປັນສັນຍານໄຟຟ້າ. ໃນເຄື່ອງກວດຈັບແສງເຄິ່ງຕົວນຳ, ຕົວນຳທີ່ສ້າງຂຶ້ນໂດຍຮູບພາບທີ່ຖືກກະຕຸ້ນໂດຍໂຟຕອນທີ່ເກີດເຫດການຈະເຂົ້າສູ່ວົງຈອນພາຍນອກພາຍໃຕ້ແຮງດັນໄບອັດທີ່ໃຊ້ ແລະ ສ້າງກະແສໄຟຟ້າແສງທີ່ສາມາດວັດແທກໄດ້. ເຖິງແມ່ນວ່າຢູ່ທີ່ການຕອບສະໜອງສູງສຸດ, ໂຟໂຕໄດໂອດ PIN ສາມາດຜະລິດຄູ່ຂອງຮູອີເລັກຕຣອນໄດ້ສູງສຸດພຽງຄູ່ດຽວ, ເຊິ່ງເປັນອຸປະກອນທີ່ບໍ່ມີການຂະຫຍາຍພາຍໃນ. ເພື່ອການຕອບສະໜອງທີ່ສູງກວ່າ, ໂຟໂຕໄດໂອດ avalanche (APD) ສາມາດໃຊ້ໄດ້. ຜົນກະທົບຂອງການຂະຫຍາຍຂອງ APD ຕໍ່ກະແສໄຟຟ້າແສງແມ່ນອີງໃສ່ຜົນກະທົບຂອງການປະທະກັນຂອງໄອອອນໄນເຊຊັນ. ພາຍໃຕ້ເງື່ອນໄຂບາງຢ່າງ, ເອເລັກຕຣອນ ແລະ ຮູທີ່ເລັ່ງຂຶ້ນສາມາດໄດ້ຮັບພະລັງງານພຽງພໍທີ່ຈະປະທະກັບໂຄງສ້າງເພື່ອຜະລິດຄູ່ຂອງຮູອີເລັກຕຣອນໃໝ່. ຂະບວນການນີ້ແມ່ນປະຕິກິລິຍາລະບົບຕ່ອງໂສ້, ດັ່ງນັ້ນຄູ່ຂອງຄູ່ຮູອີເລັກຕຣອນທີ່ສ້າງຂຶ້ນໂດຍການດູດຊຶມແສງສາມາດຜະລິດຄູ່ຮູອີເລັກຕຣອນຈຳນວນຫຼວງຫຼາຍ ແລະ ສ້າງກະແສໄຟຟ້າແສງຮອງຂະໜາດໃຫຍ່. ດັ່ງນັ້ນ, APD ມີການຕອບສະໜອງສູງ ແລະ ການຂະຫຍາຍພາຍໃນ, ເຊິ່ງປັບປຸງອັດຕາສ່ວນສັນຍານຕໍ່ສຽງລົບກວນຂອງອຸປະກອນ. APD ສ່ວນໃຫຍ່ຈະຖືກນໍາໃຊ້ໃນລະບົບການສື່ສານເສັ້ນໄຍແກ້ວນໍາແສງໄລຍະທາງໄກ ຫຼື ຂະໜາດນ້ອຍກວ່າທີ່ມີຂໍ້ຈຳກັດອື່ນໆກ່ຽວກັບພະລັງງານແສງທີ່ໄດ້ຮັບ. ໃນປະຈຸບັນ, ຜູ້ຊ່ຽວຊານດ້ານອຸປະກອນທາງດ້ານແສງຫຼາຍຄົນມີຄວາມຄິດໃນແງ່ດີຫຼາຍກ່ຽວກັບຄວາມສົດໃສດ້ານຂອງ APD, ແລະເຊື່ອວ່າການຄົ້ນຄວ້າຂອງ APD ແມ່ນມີຄວາມຈຳເປັນເພື່ອເສີມຂະຫຍາຍການແຂ່ງຂັນໃນລະດັບສາກົນຂອງຂົງເຂດທີ່ກ່ຽວຂ້ອງ.

2. ການພັດທະນາດ້ານວິຊາການຂອງເຄື່ອງກວດຈັບແສງຫິມະຖະຫຼົ່ມ(ເຄື່ອງກວດຈັບແສງ APD)

2.1 ວັດສະດຸ
(1)ເຄື່ອງກວດຈັບແສງ Si
ເຕັກໂນໂລຊີວັດສະດຸ Si ເປັນເຕັກໂນໂລຊີທີ່ພັດທະນາແລ້ວ ເຊິ່ງຖືກນໍາໃຊ້ຢ່າງກວ້າງຂວາງໃນຂະແໜງການໄມໂຄຣເອເລັກໂຕຣນິກ ແຕ່ມັນບໍ່ເໝາະສົມສໍາລັບການກະກຽມອຸປະກອນໃນລະດັບຄວາມຍາວຄື່ນ 1.31 ມມ ແລະ 1.55 ມມ ທີ່ຍອມຮັບໂດຍທົ່ວໄປໃນຂະແໜງການສື່ສານທາງແສງ.

(2) ເກຣ
ເຖິງແມ່ນວ່າການຕອບສະໜອງທາງສະເປກຕຣຳຂອງ Ge APD ຈະເໝາະສົມກັບຄວາມຕ້ອງການຂອງການສູນເສຍຕ່ຳ ແລະ ການກະຈາຍຕ່ຳໃນການສົ່ງຜ່ານເສັ້ນໄຍແກ້ວນຳແສງ, ແຕ່ກໍ່ຍັງມີຄວາມຫຍຸ້ງຍາກຫຼາຍໃນຂະບວນການກະກຽມ. ນອກຈາກນັ້ນ, ອັດຕາສ່ວນອັດຕາການໄອອອນໄນເຊຊັນຂອງເອເລັກຕຣອນ ແລະ ຮູຂອງ Ge ແມ່ນໃກ້ຄຽງກັບ ()1, ສະນັ້ນມັນຍາກທີ່ຈະກະກຽມອຸປະກອນ APD ປະສິດທິພາບສູງ.

(3)In0.53Ga0.47As/InP
ມັນເປັນວິທີທີ່ມີປະສິດທິພາບໃນການເລືອກ In0.53Ga0.47As ເປັນຊັ້ນດູດຊຶມແສງຂອງ APD ແລະ InP ເປັນຊັ້ນຕົວຄູນ. ຈຸດສູງສຸດຂອງການດູດຊຶມຂອງວັດສະດຸ In0.53Ga0.47As ແມ່ນຄວາມຍາວຄື້ນ 1.65 ມມ, 1.31 ມມ, 1.55 ມມ ແມ່ນປະມານ 104 ຊມ-1 ຄ່າສຳປະສິດການດູດຊຶມສູງ, ເຊິ່ງເປັນວັດສະດຸທີ່ຕ້ອງການສຳລັບຊັ້ນດູດຊຶມຂອງເຄື່ອງກວດຈັບແສງໃນປະຈຸບັນ.

(4)ເຄື່ອງກວດຈັບແສງ InGaAs/ໃນເຄື່ອງກວດຈັບແສງ
ໂດຍການເລືອກ InGaAsP ເປັນຊັ້ນດູດຊຶມແສງ ແລະ InP ເປັນຊັ້ນຕົວຄູນ, APD ທີ່ມີຄວາມຍາວຄື້ນຕອບສະໜອງ 1-1.4 ມມ, ປະສິດທິພາບຄວອນຕຳສູງ, ກະແສມືດຕ່ຳ ແລະ ອັດຕາກຳໄລຫິມະສູງສາມາດກະກຽມໄດ້. ໂດຍການເລືອກອົງປະກອບໂລຫະປະສົມທີ່ແຕກຕ່າງກັນ, ປະສິດທິພາບທີ່ດີທີ່ສຸດສຳລັບຄວາມຍາວຄື້ນສະເພາະຈະບັນລຸໄດ້.

(5)InGaAs/InAlAs
ວັດສະດຸ In0.52Al0.48As ມີຊ່ອງຫວ່າງແຖບ (1.47 eV) ແລະ ບໍ່ດູດຊຶມໃນລະດັບຄວາມຍາວຄື້ນ 1.55 ມມ. ມີຫຼັກຖານວ່າຊັ້ນ epitaxial In0.52Al0.48As ບາງໆສາມາດໄດ້ຮັບລັກສະນະການເພີ່ມຂຶ້ນທີ່ດີກ່ວາ InP ໃນຖານະເປັນຊັ້ນຕົວຄູນພາຍໃຕ້ເງື່ອນໄຂຂອງການສີດເອເລັກຕຣອນບໍລິສຸດ.

(6)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs ແລະ InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
ອັດຕາການກະທົບກະເທືອນຂອງວັດສະດຸແມ່ນປັດໄຈສຳຄັນທີ່ສົ່ງຜົນກະທົບຕໍ່ປະສິດທິພາບຂອງ APD. ຜົນໄດ້ຮັບສະແດງໃຫ້ເຫັນວ່າອັດຕາການປະທະກັນຂອງຊັ້ນຕົວຄູນສາມາດປັບປຸງໄດ້ໂດຍການນຳສະເໜີໂຄງສ້າງ Superlattice ຂອງ InGaAs (P) /InAlAs ແລະ In (Al) GaAs/InAlAs. ໂດຍການນຳໃຊ້ໂຄງສ້າງ Superlattice, ວິສະວະກຳແຖບສາມາດຄວບຄຸມຄວາມບໍ່ຕໍ່ເນື່ອງຂອງຂອບແຖບທີ່ບໍ່ສະເໝີພາບລະຫວ່າງແຖບການນຳໄຟຟ້າ ແລະ ຄ່າແຖບວາເລນສ໌ໄດ້, ແລະຮັບປະກັນວ່າຄວາມບໍ່ຕໍ່ເນື່ອງຂອງແຖບການນຳໄຟຟ້າມີຂະໜາດໃຫຍ່ກວ່າຄວາມບໍ່ຕໍ່ເນື່ອງຂອງແຖບວາເລນສ໌ (ΔEc>>ΔEv). ເມື່ອປຽບທຽບກັບວັດສະດຸຂະໜາດໃຫຍ່ຂອງ InGaAs, ອັດຕາການໄອອອນຂອງເອເລັກຕຣອນໃນບໍ່ຄວອນຕຳຂອງ InGaAs/InAlAs (a) ເພີ່ມຂຶ້ນຢ່າງຫຼວງຫຼາຍ, ແລະ ເອເລັກຕຣອນ ແລະ ຮູໄດ້ຮັບພະລັງງານພິເສດ. ເນື່ອງຈາກ ΔEc>>ΔEv, ສາມາດຄາດຫວັງໄດ້ວ່າພະລັງງານທີ່ໄດ້ຮັບຈາກເອເລັກຕຣອນຈະເພີ່ມອັດຕາການໄອອອນຂອງເອເລັກຕຣອນຫຼາຍກວ່າການປະກອບສ່ວນຂອງພະລັງງານຮູຕໍ່ອັດຕາການໄອອອນຂອງຮູ (b). ອັດຕາສ່ວນ (k) ຂອງອັດຕາການໄອອອນຂອງເອເລັກຕຣອນຕໍ່ອັດຕາການໄອອອນຂອງຮູເພີ່ມຂຶ້ນ. ດັ່ງນັ້ນ, ຜົນຜະລິດແບນວິດທີ່ໄດ້ຮັບສູງ (GBW) ແລະ ປະສິດທິພາບສຽງລົບກວນຕໍ່າສາມາດໄດ້ຮັບໂດຍການນຳໃຊ້ໂຄງສ້າງ superlattice. ຢ່າງໃດກໍຕາມ, ໂຄງສ້າງບໍ່ quantum InGaAs/InAlAs ນີ້ APD, ເຊິ່ງສາມາດເພີ່ມຄ່າ k, ແມ່ນຍາກທີ່ຈະນຳໃຊ້ກັບເຄື່ອງຮັບແສງ. ນີ້ແມ່ນຍ້ອນວ່າປັດໄຈຕົວຄູນທີ່ສົ່ງຜົນກະທົບຕໍ່ການຕອບສະໜອງສູງສຸດແມ່ນຖືກຈຳກັດໂດຍກະແສມືດ, ບໍ່ແມ່ນສຽງລົບກວນຕົວຄູນ. ໃນໂຄງສ້າງນີ້, ກະແສມືດສ່ວນໃຫຍ່ແມ່ນເກີດຈາກຜົນກະທົບຂອງການຂຸດອຸໂມງຂອງຊັ້ນບໍ່ InGaAs ທີ່ມີຊ່ອງຫວ່າງແຖບແຄບ, ສະນັ້ນການນຳສະເໜີໂລຫະປະສົມ quaternary ຊ່ອງຫວ່າງແຖບກວ້າງ, ເຊັ່ນ InGaAsP ຫຼື InAlGaAs, ແທນທີ່ຈະເປັນ InGaAs ເປັນຊັ້ນບໍ່ຂອງໂຄງສ້າງບໍ່ quantum ສາມາດສະກັດກັ້ນກະແສມືດໄດ້.