Resumo: A estrutura básica e o principio de funcionamento do fotodetector de avalanchas (Fotodetector APD), analízase o proceso de evolución da estrutura do dispositivo, resúmese o estado actual da investigación e estúdase prospectivamente o desenvolvemento futuro da APD.
1. Introdución
Un fotodetector é un dispositivo que converte os sinais luminosos en sinais eléctricos. Nunhafotodetector de semicondutores, o portador fotoxerado excitado polo fotón incidente entra no circuíto externo baixo a tensión de polarización aplicada e forma unha fotocorrente medible. Incluso coa máxima resposta, un fotodiodo PIN só pode producir un par de pares de electróns-buratos como máximo, que é un dispositivo sen ganancia interna. Para unha maior resposta, pódese utilizar un fotodiodo de avalancha (APD). O efecto de amplificación da APD na fotocorrente baséase no efecto de colisión de ionización. En certas condicións, os electróns e buratos acelerados poden obter enerxía suficiente para chocar coa rede para producir un novo par de pares electrón-buraco. Este proceso é unha reacción en cadea, polo que o par de pares de electróns-buratos xerados pola absorción de luz pode producir un gran número de pares de electróns-buracos e formar unha gran fotocorrente secundaria. Polo tanto, APD ten unha alta capacidade de resposta e ganancia interna, o que mellora a relación sinal-ruído do dispositivo. APD utilizarase principalmente en sistemas de comunicación de fibra óptica de longa distancia ou menores con outras limitacións na potencia óptica recibida. Na actualidade, moitos expertos en dispositivos ópticos son moi optimistas sobre as perspectivas do APD e cren que a investigación do APD é necesaria para mellorar a competitividade internacional dos campos relacionados.
2. Desenvolvemento técnico defotodetector de avalanchas(Fotodetector APD)
2.1 Materiais
(1)Si fotodetector
A tecnoloxía de material Si é unha tecnoloxía madura que se usa amplamente no campo da microelectrónica, pero non é adecuada para a preparación de dispositivos no rango de lonxitudes de onda de 1,31 mm e 1,55 mm que son xeralmente aceptados no campo da comunicación óptica.
(2) Xe
Aínda que a resposta espectral de Ge APD é adecuada para os requisitos de baixa perda e baixa dispersión na transmisión de fibra óptica, hai grandes dificultades no proceso de preparación. Ademais, a relación de taxa de ionización de electróns e buratos de Ge é próxima a () 1, polo que é difícil preparar dispositivos APD de alto rendemento.
(3)In0,53Ga0,47As/InP
É un método eficaz para seleccionar In0.53Ga0.47As como a capa de absorción de luz de APD e InP como a capa multiplicadora. O pico de absorción do material In0.53Ga0.47As é de 1,65 mm, 1,31 mm, 1,55 mm de lonxitude de onda é de aproximadamente 104 cm-1 de alto coeficiente de absorción, que é o material preferido para a capa de absorción do detector de luz na actualidade.
(4)Fotodetector InGaAs/Enfotodetector
Ao seleccionar InGaAsP como capa absorbente de luz e InP como capa multiplicadora, pódese preparar APD cunha lonxitude de onda de resposta de 1-1,4 mm, alta eficiencia cuántica, baixa corrente escura e alta ganancia de avalancha. Ao seleccionar diferentes compoñentes de aliaxe, conséguese o mellor rendemento para lonxitudes de onda específicas.
(5)InGaAs/InAlAs
O material In0,52Al0,48As ten un intervalo de banda (1,47eV) e non absorbe no intervalo de lonxitude de onda de 1,55 mm. Hai evidencias de que a capa epitaxial delgada de In0.52Al0.48As pode obter mellores características de ganancia que o InP como capa multiplicadora baixo a condición de inxección de electróns puros.
(6)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs e InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
A taxa de ionización por impacto dos materiais é un factor importante que afecta o rendemento da APD. Os resultados mostran que a taxa de ionización por colisión da capa multiplicadora pode mellorarse introducindo estruturas superreticulares InGaAs (P)/InAlAs e In (Al) GaAs/InAlAs. Usando a estrutura de superreticular, a enxeñería de bandas pode controlar artificialmente a discontinuidade do bordo asimétrico da banda entre a banda de condución e os valores da banda de valencia, e garantir que a descontinuidade da banda de condución sexa moito maior que a descontinuidade da banda de valencia (ΔEc>>ΔEv). En comparación cos materiais a granel de InGaAs, a taxa de ionización electrónica dos pozos cuánticos de InGaAs/InAlAs (a) aumenta significativamente e os electróns e buratos gañan enerxía extra. Debido a ΔEc>>ΔEv, pódese esperar que a enerxía gañada polos electróns aumente a taxa de ionización electrónica moito máis que a contribución da enerxía do burato á taxa de ionización do burato (b). A relación (k) entre a taxa de ionización electrónica e a taxa de ionización do burato aumenta. Polo tanto, pódese obter un produto de ancho de banda de gran ganancia (GBW) e un rendemento de ruído baixo aplicando estruturas superreticulares. Non obstante, este APD de estrutura de pozo cuántico InGaAs/InAlAs, que pode aumentar o valor k, é difícil de aplicar aos receptores ópticos. Isto débese a que o factor multiplicador que afecta á máxima resposta está limitado pola corrente escura, non polo ruído multiplicador. Nesta estrutura, a corrente escura é causada principalmente polo efecto de túnel da capa do pozo de InGaAs cunha banda estreita, polo que a introdución dunha aliaxe cuaternaria con gap de banda ancha, como InGaAsP ou InAlGaAs, en lugar de InGaAs como capa de pozo. da estrutura do pozo cuántico pode suprimir a corrente escura.
Hora de publicación: 13-nov-2023