Fotodetektorë dhe gjatësi vale prerëse

Fotodetektorëdhe gjatësi vale të prera

Ky artikull përqendrohet në materialet dhe parimet e punës së fotodetektorëve (veçanërisht në mekanizmin e reagimit bazuar në teorinë e brezave), si dhe në parametrat kryesorë dhe skenarët e aplikimit të materialeve të ndryshme gjysmëpërçuese.
1. Parimi thelbësor: Fotodetektori funksionon bazuar në efektin fotoelektrik. Fotonet incidente duhet të mbajnë energji të mjaftueshme (më të madhe se gjerësia e bandës Eg të materialit) për të ngacmuar elektronet nga banda e valencës në bandën e përçueshmërisë, duke formuar një sinjal elektrik të dallueshëm. Energjia e fotonit është në përpjesëtim të zhdrejtë me gjatësinë e valës, kështu që detektori ka një "gjatësi vale prerëse" (λc) - gjatësia maksimale e valës që mund të përgjigjet, përtej së cilës nuk mund të përgjigjet në mënyrë efektive. Gjatësia e valës prerëse mund të vlerësohet duke përdorur formulën λc ≈ 1240/Eg (nm), ku Eg matet në eV.
2. Materialet kryesore gjysmëpërçuese dhe karakteristikat e tyre:
Silic (Si): gjerësia e bandës prej rreth 1.12 eV, gjatësia e valës së prerjes prej rreth 1107 nm. I përshtatshëm për zbulimin e gjatësive të valës së shkurtër si 850 nm, përdoret zakonisht për ndërlidhjen e fibrave optike multimode me rreze të shkurtër (siç janë qendrat e të dhënave).
Arsenid galiumi (GaAs): gjerësi bande prej 1.42 eV, gjatësi vale prerëse prej afërsisht 873 nm. I përshtatshëm për brezin e gjatësisë së valës 850 nm, mund të integrohet me burime drite VCSEL të të njëjtit material në një çip të vetëm.
Arsenid indiumi dhe galiumi (InGaAs): Gjerësia e boshllëkut të brezit mund të rregullohet midis 0.36~1.42 eV, dhe gjatësia e valës së ndërprerjes mbulon 873~3542 nm. Është materiali kryesor i detektorit për dritaret e komunikimit me fibra 1310 nm dhe 1550 nm, por kërkon një substrat InP dhe është kompleks për t'u integruar me qarqet me bazë silikoni.
Germaniumi (Ge): me një gjerësi bande prej afërsisht 0.66 eV dhe një gjatësi vale prerëse prej afërsisht 1879 nm. Mund të mbulojë 1550 nm deri në 1625 nm (brezi L) dhe është i pajtueshëm me substratet e silikonit, duke e bërë atë një zgjidhje të realizueshme për zgjatjen e përgjigjes në breza të gjatë.
Lidhje silici-germaniumi (si p.sh. Si0.5Ge0.5): gjerësia e bandës prej rreth 0.96 eV, gjatësia e valës së prerjes prej rreth 1292 nm. Duke dopuar germaniumin në silikon, gjatësia e valës së përgjigjes mund të zgjatet në breza më të gjatë në substratin e silikonit.
3. Lidhja e skenarit të aplikimit:
Brezi 850 nm:Fotodetektorë silikoniose mund të përdoren fotodetektorë GaAs.
Brezi 1310/1550 nm:Fotodetektorë InGaAspërdoren kryesisht. Fotodetektorët e pastër të germaniumit ose të lidhjeve të germaniumit të silikonit mund ta mbulojnë gjithashtu këtë gamë dhe kanë avantazhe të mundshme në integrimin e bazuar në silikon.

Në përgjithësi, përmes koncepteve thelbësore të teorisë së brezave dhe gjatësisë së valës së prerjes, karakteristikat e aplikimit dhe diapazoni i mbulimit të gjatësisë së valës së materialeve të ndryshme gjysmëpërçuese në fotodetektorë janë shqyrtuar në mënyrë sistematike, dhe është vënë në dukje lidhja e ngushtë midis përzgjedhjes së materialit, dritares së gjatësisë së valës së komunikimit me fibra optike dhe kostos së procesit të integrimit.