Фотодетектори и гранични бранови должини

Фотодетектории гранични бранови должини

Оваа статија се фокусира на материјалите и принципите на работа на фотодетекторите (особено на механизмот на одговор базиран на теоријата на ленти), како и на клучните параметри и сценарија за примена на различни полупроводнички материјали.
1. Основен принцип: Фотодетекторот работи врз основа на фотоелектричниот ефект. Упадните фотони треба да носат доволна енергија (поголема од ширината на енергетскиот јаз Eg на материјалот) за да ги возбудат електроните од валентната лента до спроводната лента, формирајќи детектабилен електричен сигнал. Енергијата на фотонот е обратно пропорционална на брановата должина, па затоа детекторот има „гранична бранова должина“ (λc) - максималната бранова должина што може да одговори, над која не може ефикасно да одговори. Граничната бранова должина може да се процени со помош на формулата λc ≈ 1240/Eg (nm), каде што Eg се мери во eV.
2. Клучни полупроводнички материјали и нивните карактеристики:
Силициум (Si): ширина на енергетскиот јаз од околу 1,12 eV, гранична бранова должина од околу 1107 nm. Погоден за детекција на кратки бранови должини како што се 850 nm, најчесто се користи за краткорочно мултимодно меѓусебно поврзување на оптички влакна (како што се центри за податоци).
Галиум арсенид (GaAs): ширина на енергетскиот јаз од 1,42 eV, гранична бранова должина од приближно 873 nm. Погоден за опсегот на бранова должина од 850 nm, може да се интегрира со VCSEL извори на светлина од истиот материјал на еден чип.
Индиум-галиум арсенид (InGaAs): Ширината на енергетскиот јаз може да се прилагоди помеѓу 0,36~1,42 eV, а граничната бранова должина опфаќа 873~3542 nm. Тоа е материјал за детектори за мејнстрим комуникациски прозорци со оптички влакна од 1310 nm и 1550 nm, но бара InP подлога и е комплексен за интегрирање со кола базирани на силициум.
Германиум (Ge): со ширина на енергетски јаз од приближно 0,66 eV и гранична бранова должина од приближно 1879 nm. Може да покрие од 1550 nm до 1625 nm (L-опсег) и е компатибилен со силиконски подлоги, што го прави изводливо решение за проширување на одговорот на долги опсези.
Легура на силициум-германиум (како што е Si0.5Ge0.5): ширина на енергетскиот јаз од околу 0,96 eV, гранична бранова должина од околу 1292 nm. Со допирање на германиум во силициум, брановата должина на одговорот може да се прошири на подолги опсези на силициумската подлога.
3. Поврзување на сценаријата на апликацијата:
850 nm опсег:Силиконски фотодетекториили може да се користат GaAs фотодетектори.
1310/1550 nm опсег:Фотодетектори InGaAsглавно се користат. Фотодетекторите од чист германиум или силициумски легури на германиум исто така можат да го опфатат овој опсег и имаат потенцијални предности во интеграцијата базирана на силициум.

Генерално, преку основните концепти на теоријата на ленти и граничната бранова должина, систематски се разгледани карактеристиките на примената и опсегот на покриеност на брановата должина на различни полупроводнички материјали во фотодетекторите, а е посочена и тесната врска помеѓу изборот на материјал, прозорецот на бранова должина на комуникацијата со оптички влакна и цената на процесот на интеграција.