Fotodetektoriai ir ribiniai bangos ilgiai

Fotodetektoriaiir ribiniai bangos ilgiai

Šiame straipsnyje daugiausia dėmesio skiriama fotodetektorių medžiagoms ir veikimo principams (ypač atsako mechanizmui, pagrįstam juostų teorija), taip pat pagrindiniams skirtingų puslaidininkinių medžiagų parametrams ir taikymo scenarijams.
1. Pagrindinis principas: Fotodetektorius veikia fotoelektrinio efekto pagrindu. Krintantys fotonai turi pernešti pakankamai energijos (didesnės nei medžiagos draudžiamosios juostos plotis Eg), kad sužadintų elektronus iš valentinės juostos į laidumo juostą ir suformuotų aptinkamą elektrinį signalą. Fotonų energija yra atvirkščiai proporcinga bangos ilgiui, todėl detektorius turi „ribinę bangos ilgį“ (λ c) – maksimalų bangos ilgį, kuris gali reaguoti, o virš jo jis negali efektyviai reaguoti. Ribinę bangos ilgį galima apskaičiuoti pagal formulę λ c ≈ 1240/Eg (nm), kur Eg matuojamas eV.
2. Pagrindinės puslaidininkinės medžiagos ir jų charakteristikos:
Silicis (Si): draudžiamosios juostos plotis apie 1,12 eV, ribinis bangos ilgis apie 1107 nm. Tinka trumpų bangų, pvz., 850 nm, aptikimui, dažniausiai naudojamas trumpojo nuotolio daugiamodžiams šviesolaidžių sujungimams (pvz., duomenų centruose).
Galio arsenidas (GaAs): draudžiamosios juostos plotis – 1,42 eV, ribinis bangos ilgis – maždaug 873 nm. Tinka 850 nm bangos ilgio diapazonui, gali būti integruotas su tos pačios medžiagos VCSEL šviesos šaltiniais viename luste.
Indžio galio arsenidas (InGaAs): Drąsos tarpo plotį galima reguliuoti nuo 0,36 iki 1,42 eV, o ribinis bangos ilgis apima 873–3542 nm. Tai pagrindinė detektoriaus medžiaga 1310 nm ir 1550 nm šviesolaidinio ryšio langams, tačiau jai reikalingas InP substratas ir ją sudėtinga integruoti su silicio pagrindu pagamintomis grandinėmis.
Germanis (Ge): draudžiamosios juostos plotis yra maždaug 0,66 eV, o ribinis bangos ilgis – maždaug 1879 nm. Jis gali aprėpti 1550 nm–1625 nm bangos ilgį (L juosta) ir yra suderinamas su silicio pagrindais, todėl tai yra tinkamas sprendimas norint išplėsti atsaką į ilgas juostas.
Silicio ir germanio lydinys (pvz., Si0.5Ge0.5): draudžiamosios juostos plotis apie 0,96 eV, ribinis bangos ilgis apie 1292 nm. Į silicį įdedant germanio, atsako bangos ilgį galima pailginti iki ilgesnių juostų ant silicio padėklo.
3. Taikymo scenarijų susiejimas:
850 nm juosta:Silicio fotodetektoriaiarba galima naudoti GaAs fotodetektorius.
1310/1550 nm juosta:InGaAs fotodetektoriaidaugiausia naudojami. Gryno germanio arba silicio germanio lydinio fotodetektoriai taip pat gali apimti šį diapazoną ir turėti potencialių pranašumų silicio pagrindu integruojant.

Apskritai, remiantis pagrindinėmis juostų teorijos ir ribinio bangos ilgio sąvokomis, buvo sistemingai peržiūrėtos skirtingų puslaidininkinių medžiagų taikymo charakteristikos ir bangos ilgio aprėpties diapazonas fotodetektoriuose, ir atkreiptas dėmesys į glaudų ryšį tarp medžiagų pasirinkimo, šviesolaidinio ryšio bangos ilgio lango ir integravimo proceso sąnaudų.