ಹಿಮಪಾತ ಫೋಟೊಡೆಕ್ಟರ್ (APD ಫೋಟೊಡೆಕ್ಟರ್) ನ ತತ್ವ ಮತ್ತು ಪ್ರಸ್ತುತ ಪರಿಸ್ಥಿತಿ ಭಾಗ ಒಂದು

ಸಾರಾಂಶ: ಹಿಮಪಾತ ಫೋಟೊಡೆಕ್ಟರ್‌ನ ಮೂಲ ರಚನೆ ಮತ್ತು ಕೆಲಸದ ತತ್ವ (APD ಫೋಟೋಡೆಕ್ಟರ್) ಪರಿಚಯಿಸಲಾಗುತ್ತದೆ, ಸಾಧನ ರಚನೆಯ ವಿಕಸನ ಪ್ರಕ್ರಿಯೆಯನ್ನು ವಿಶ್ಲೇಷಿಸಲಾಗುತ್ತದೆ, ಪ್ರಸ್ತುತ ಸಂಶೋಧನಾ ಸ್ಥಿತಿಯನ್ನು ಸಂಕ್ಷೇಪಿಸಲಾಗುತ್ತದೆ ಮತ್ತು APD ಯ ಭವಿಷ್ಯದ ಅಭಿವೃದ್ಧಿಯನ್ನು ಭವಿಷ್ಯತ್ತಿನಲ್ಲಿ ಅಧ್ಯಯನ ಮಾಡಲಾಗುತ್ತದೆ.

1. ಪರಿಚಯ
ಫೋಟೊಡೆಕ್ಟರ್ ಎನ್ನುವುದು ಬೆಳಕಿನ ಸಂಕೇತಗಳನ್ನು ವಿದ್ಯುತ್ ಸಂಕೇತಗಳಾಗಿ ಪರಿವರ್ತಿಸುವ ಸಾಧನವಾಗಿದೆ.ಅರೆವಾಹಕ ದ್ಯುತಿಪತ್ತೆಕಾರಕ, ಘಟನೆಯಿಂದ ಉತ್ಸುಕವಾದ ಫೋಟಾನ್ ವಾಹಕವು ಅನ್ವಯಿಕ ಬಯಾಸ್ ವೋಲ್ಟೇಜ್ ಅಡಿಯಲ್ಲಿ ಬಾಹ್ಯ ಸರ್ಕ್ಯೂಟ್‌ಗೆ ಪ್ರವೇಶಿಸುತ್ತದೆ ಮತ್ತು ಅಳೆಯಬಹುದಾದ ದ್ಯುತಿವಿದ್ಯುಜ್ಜನಕವನ್ನು ರೂಪಿಸುತ್ತದೆ. ಗರಿಷ್ಠ ಪ್ರತಿಕ್ರಿಯೆಯಲ್ಲಿಯೂ ಸಹ, PIN ಫೋಟೊಡಿಯೋಡ್ ಗರಿಷ್ಠ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್-ಹೋಲ್ ಜೋಡಿಗಳ ಜೋಡಿಯನ್ನು ಮಾತ್ರ ಉತ್ಪಾದಿಸಬಹುದು, ಇದು ಆಂತರಿಕ ಲಾಭವಿಲ್ಲದ ಸಾಧನವಾಗಿದೆ. ಹೆಚ್ಚಿನ ಪ್ರತಿಕ್ರಿಯೆಗಾಗಿ, ಅವಲಾಂಚೆ ಫೋಟೊಡಿಯೋಡ್ (APD) ಅನ್ನು ಬಳಸಬಹುದು. ಫೋಟೊಕರೆಂಟ್‌ನಲ್ಲಿ APD ಯ ವರ್ಧನೆಯ ಪರಿಣಾಮವು ಅಯಾನೀಕರಣ ಘರ್ಷಣೆಯ ಪರಿಣಾಮವನ್ನು ಆಧರಿಸಿದೆ. ಕೆಲವು ಪರಿಸ್ಥಿತಿಗಳಲ್ಲಿ, ವೇಗವರ್ಧಿತ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್‌ಗಳು ಮತ್ತು ರಂಧ್ರಗಳು ಹೊಸ ಜೋಡಿ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್-ಹೋಲ್ ಜೋಡಿಗಳನ್ನು ಉತ್ಪಾದಿಸಲು ಲ್ಯಾಟಿಸ್‌ನೊಂದಿಗೆ ಡಿಕ್ಕಿ ಹೊಡೆಯಲು ಸಾಕಷ್ಟು ಶಕ್ತಿಯನ್ನು ಪಡೆಯಬಹುದು. ಈ ಪ್ರಕ್ರಿಯೆಯು ಸರಪಳಿ ಕ್ರಿಯೆಯಾಗಿದೆ, ಇದರಿಂದಾಗಿ ಬೆಳಕಿನ ಹೀರಿಕೊಳ್ಳುವಿಕೆಯಿಂದ ಉತ್ಪತ್ತಿಯಾಗುವ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್-ಹೋಲ್ ಜೋಡಿಗಳ ಜೋಡಿಯು ಹೆಚ್ಚಿನ ಸಂಖ್ಯೆಯ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್-ಹೋಲ್ ಜೋಡಿಗಳನ್ನು ಉತ್ಪಾದಿಸುತ್ತದೆ ಮತ್ತು ದೊಡ್ಡ ದ್ವಿತೀಯಕ ದ್ಯುತಿವಿದ್ಯುಜ್ಜನಕವನ್ನು ರೂಪಿಸುತ್ತದೆ. ಆದ್ದರಿಂದ, APD ಹೆಚ್ಚಿನ ಪ್ರತಿಕ್ರಿಯೆ ಮತ್ತು ಆಂತರಿಕ ಲಾಭವನ್ನು ಹೊಂದಿದೆ, ಇದು ಸಾಧನದ ಸಿಗ್ನಲ್-ಟು-ಶಬ್ದ ಅನುಪಾತವನ್ನು ಸುಧಾರಿಸುತ್ತದೆ. APD ಅನ್ನು ಮುಖ್ಯವಾಗಿ ಸ್ವೀಕರಿಸಿದ ಆಪ್ಟಿಕಲ್ ಶಕ್ತಿಯ ಮೇಲೆ ಇತರ ಮಿತಿಗಳೊಂದಿಗೆ ದೀರ್ಘ-ದೂರ ಅಥವಾ ಸಣ್ಣ ಆಪ್ಟಿಕಲ್ ಫೈಬರ್ ಸಂವಹನ ವ್ಯವಸ್ಥೆಗಳಲ್ಲಿ ಬಳಸಲಾಗುತ್ತದೆ. ಪ್ರಸ್ತುತ, ಅನೇಕ ಆಪ್ಟಿಕಲ್ ಸಾಧನ ತಜ್ಞರು APD ಯ ನಿರೀಕ್ಷೆಗಳ ಬಗ್ಗೆ ಬಹಳ ಆಶಾವಾದಿಗಳಾಗಿದ್ದಾರೆ ಮತ್ತು ಸಂಬಂಧಿತ ಕ್ಷೇತ್ರಗಳ ಅಂತರರಾಷ್ಟ್ರೀಯ ಸ್ಪರ್ಧಾತ್ಮಕತೆಯನ್ನು ಹೆಚ್ಚಿಸಲು APD ಯ ಸಂಶೋಧನೆ ಅಗತ್ಯವೆಂದು ನಂಬುತ್ತಾರೆ.

2. ತಾಂತ್ರಿಕ ಅಭಿವೃದ್ಧಿಹಿಮಪಾತ ದ್ಯುತಿಶೋಧಕ(ಎಪಿಡಿ ಫೋಟೋಡೆಕ್ಟರ್)

2.1 ಸಾಮಗ್ರಿಗಳು
(1)Si ಫೋಟೋಡೆಕ್ಟರ್
Si ವಸ್ತು ತಂತ್ರಜ್ಞಾನವು ಮೈಕ್ರೋಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನಿಕ್ಸ್ ಕ್ಷೇತ್ರದಲ್ಲಿ ವ್ಯಾಪಕವಾಗಿ ಬಳಸಲಾಗುವ ಪ್ರಬುದ್ಧ ತಂತ್ರಜ್ಞಾನವಾಗಿದೆ, ಆದರೆ ಇದು ಸಾಮಾನ್ಯವಾಗಿ ಆಪ್ಟಿಕಲ್ ಸಂವಹನ ಕ್ಷೇತ್ರದಲ್ಲಿ ಅಂಗೀಕರಿಸಲ್ಪಟ್ಟ 1.31mm ಮತ್ತು 1.55mm ತರಂಗಾಂತರ ವ್ಯಾಪ್ತಿಯಲ್ಲಿ ಸಾಧನಗಳನ್ನು ತಯಾರಿಸಲು ಸೂಕ್ತವಲ್ಲ.

(2) ಜಿಇ
ಆಪ್ಟಿಕಲ್ ಫೈಬರ್ ಪ್ರಸರಣದಲ್ಲಿ ಕಡಿಮೆ ನಷ್ಟ ಮತ್ತು ಕಡಿಮೆ ಪ್ರಸರಣದ ಅವಶ್ಯಕತೆಗಳಿಗೆ Ge APD ಯ ರೋಹಿತದ ಪ್ರತಿಕ್ರಿಯೆಯು ಸೂಕ್ತವಾಗಿದ್ದರೂ, ತಯಾರಿ ಪ್ರಕ್ರಿಯೆಯಲ್ಲಿ ಹೆಚ್ಚಿನ ತೊಂದರೆಗಳಿವೆ. ಇದರ ಜೊತೆಗೆ, Ge ಯ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ ಮತ್ತು ರಂಧ್ರ ಅಯಾನೀಕರಣ ದರ ಅನುಪಾತವು () 1 ಕ್ಕೆ ಹತ್ತಿರದಲ್ಲಿದೆ, ಆದ್ದರಿಂದ ಹೆಚ್ಚಿನ ಕಾರ್ಯಕ್ಷಮತೆಯ APD ಸಾಧನಗಳನ್ನು ತಯಾರಿಸುವುದು ಕಷ್ಟಕರವಾಗಿದೆ.

(3)ಇಂಚು0.53Ga0.47As/ಇಂಚು
APD ಯ ಬೆಳಕಿನ ಹೀರಿಕೊಳ್ಳುವ ಪದರವಾಗಿ In0.53Ga0.47As ಮತ್ತು ಗುಣಕ ಪದರವಾಗಿ InP ಅನ್ನು ಆಯ್ಕೆ ಮಾಡಲು ಇದು ಪರಿಣಾಮಕಾರಿ ವಿಧಾನವಾಗಿದೆ. In0.53Ga0.47As ವಸ್ತುವಿನ ಹೀರಿಕೊಳ್ಳುವ ಗರಿಷ್ಠವು 1.65mm, 1.31mm, 1.55mm ತರಂಗಾಂತರವು ಸುಮಾರು 104cm-1 ಹೆಚ್ಚಿನ ಹೀರಿಕೊಳ್ಳುವ ಗುಣಾಂಕವಾಗಿದೆ, ಇದು ಪ್ರಸ್ತುತ ಬೆಳಕಿನ ಶೋಧಕದ ಹೀರಿಕೊಳ್ಳುವ ಪದರಕ್ಕೆ ಆದ್ಯತೆಯ ವಸ್ತುವಾಗಿದೆ.

(4)InGaAs ಫೋಟೋಡೆಕ್ಟರ್/ಇನ್ಫೋಟೋ ಡಿಟೆಕ್ಟರ್
InGaAsP ಅನ್ನು ಬೆಳಕಿನ ಹೀರಿಕೊಳ್ಳುವ ಪದರವಾಗಿ ಮತ್ತು InP ಅನ್ನು ಗುಣಕ ಪದರವಾಗಿ ಆಯ್ಕೆ ಮಾಡುವ ಮೂಲಕ, 1-1.4mm ಪ್ರತಿಕ್ರಿಯೆ ತರಂಗಾಂತರ, ಹೆಚ್ಚಿನ ಕ್ವಾಂಟಮ್ ದಕ್ಷತೆ, ಕಡಿಮೆ ಡಾರ್ಕ್ ಕರೆಂಟ್ ಮತ್ತು ಹೆಚ್ಚಿನ ಅವಲಾಂಚೆ ಲಾಭದೊಂದಿಗೆ APD ಅನ್ನು ತಯಾರಿಸಬಹುದು. ವಿಭಿನ್ನ ಮಿಶ್ರಲೋಹ ಘಟಕಗಳನ್ನು ಆಯ್ಕೆ ಮಾಡುವ ಮೂಲಕ, ನಿರ್ದಿಷ್ಟ ತರಂಗಾಂತರಗಳಿಗೆ ಉತ್ತಮ ಕಾರ್ಯಕ್ಷಮತೆಯನ್ನು ಸಾಧಿಸಲಾಗುತ್ತದೆ.

(5)ಇನ್‌ಗಾಆಸ್‌ಗಳು/ಇನ್‌ಆಲ್‌ಆಸ್‌ಗಳು
In0.52Al0.48As ವಸ್ತುವು ಬ್ಯಾಂಡ್ ಅಂತರವನ್ನು (1.47eV) ಹೊಂದಿದೆ ಮತ್ತು 1.55mm ತರಂಗಾಂತರ ವ್ಯಾಪ್ತಿಯಲ್ಲಿ ಹೀರಿಕೊಳ್ಳುವುದಿಲ್ಲ. ತೆಳುವಾದ In0.52Al0.48As ಎಪಿಟಾಕ್ಸಿಯಲ್ ಪದರವು ಶುದ್ಧ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ ಇಂಜೆಕ್ಷನ್ ಸ್ಥಿತಿಯಲ್ಲಿ ಗುಣಕ ಪದರವಾಗಿ InP ಗಿಂತ ಉತ್ತಮ ಲಾಭದ ಗುಣಲಕ್ಷಣಗಳನ್ನು ಪಡೆಯಬಹುದು ಎಂಬುದಕ್ಕೆ ಪುರಾವೆಗಳಿವೆ.

(6)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs ಮತ್ತು InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
ವಸ್ತುಗಳ ಪ್ರಭಾವದ ಅಯಾನೀಕರಣ ದರವು APD ಯ ಕಾರ್ಯಕ್ಷಮತೆಯ ಮೇಲೆ ಪರಿಣಾಮ ಬೀರುವ ಪ್ರಮುಖ ಅಂಶವಾಗಿದೆ. ಫಲಿತಾಂಶಗಳು ಗುಣಕ ಪದರದ ಘರ್ಷಣೆ ಅಯಾನೀಕರಣ ದರವನ್ನು InGaAs (P) /InAlAs ಮತ್ತು In (Al) GaAs/InAlAs ಸೂಪರ್‌ಲ್ಯಾಟಿಸ್ ರಚನೆಗಳನ್ನು ಪರಿಚಯಿಸುವ ಮೂಲಕ ಸುಧಾರಿಸಬಹುದು ಎಂದು ತೋರಿಸುತ್ತದೆ. ಸೂಪರ್‌ಲ್ಯಾಟಿಸ್ ರಚನೆಯನ್ನು ಬಳಸುವ ಮೂಲಕ, ಬ್ಯಾಂಡ್ ಎಂಜಿನಿಯರಿಂಗ್ ವಹನ ಬ್ಯಾಂಡ್ ಮತ್ತು ವೇಲೆನ್ಸ್ ಬ್ಯಾಂಡ್ ಮೌಲ್ಯಗಳ ನಡುವಿನ ಅಸಮಪಾರ್ಶ್ವದ ಬ್ಯಾಂಡ್ ಅಂಚಿನ ಸ್ಥಗಿತವನ್ನು ಕೃತಕವಾಗಿ ನಿಯಂತ್ರಿಸಬಹುದು ಮತ್ತು ವಹನ ಬ್ಯಾಂಡ್ ಸ್ಥಗಿತವು ವೇಲೆನ್ಸ್ ಬ್ಯಾಂಡ್ ಸ್ಥಗಿತಕ್ಕಿಂತ (ΔEc>ΔEv) ಹೆಚ್ಚು ದೊಡ್ಡದಾಗಿದೆ ಎಂದು ಖಚಿತಪಡಿಸಿಕೊಳ್ಳಬಹುದು. InGaAs ಬೃಹತ್ ವಸ್ತುಗಳೊಂದಿಗೆ ಹೋಲಿಸಿದರೆ, InGaAs/InAlAs ಕ್ವಾಂಟಮ್ ವೆಲ್ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ ಅಯಾನೀಕರಣ ದರ (a) ಗಮನಾರ್ಹವಾಗಿ ಹೆಚ್ಚಾಗುತ್ತದೆ ಮತ್ತು ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್‌ಗಳು ಮತ್ತು ರಂಧ್ರಗಳು ಹೆಚ್ಚುವರಿ ಶಕ್ತಿಯನ್ನು ಪಡೆಯುತ್ತವೆ. ΔEc>ΔEv ಕಾರಣದಿಂದಾಗಿ, ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್‌ಗಳಿಂದ ಪಡೆದ ಶಕ್ತಿಯು ರಂಧ್ರ ಅಯಾನೀಕರಣ ದರಕ್ಕೆ ರಂಧ್ರ ಶಕ್ತಿಯ ಕೊಡುಗೆಗಿಂತ (b) ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ ಅಯಾನೀಕರಣ ದರವನ್ನು ಹೆಚ್ಚಿಸುತ್ತದೆ ಎಂದು ನಿರೀಕ್ಷಿಸಬಹುದು. ರಂಧ್ರ ಅಯಾನೀಕರಣ ದರಕ್ಕೆ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ ಅಯಾನೀಕರಣ ದರದ ಅನುಪಾತ (k) ಹೆಚ್ಚಾಗುತ್ತದೆ. ಆದ್ದರಿಂದ, ಸೂಪರ್‌ಲ್ಯಾಟಿಸ್ ರಚನೆಗಳನ್ನು ಅನ್ವಯಿಸುವ ಮೂಲಕ ಹೆಚ್ಚಿನ ಗಳಿಕೆ-ಬ್ಯಾಂಡ್‌ವಿಡ್ತ್ ಉತ್ಪನ್ನ (GBW) ಮತ್ತು ಕಡಿಮೆ ಶಬ್ದ ಕಾರ್ಯಕ್ಷಮತೆಯನ್ನು ಪಡೆಯಬಹುದು. ಆದಾಗ್ಯೂ, k ಮೌಲ್ಯವನ್ನು ಹೆಚ್ಚಿಸಬಹುದಾದ ಈ InGaAs/InAlAs ಕ್ವಾಂಟಮ್ ಬಾವಿ ರಚನೆ APD ಅನ್ನು ಆಪ್ಟಿಕಲ್ ರಿಸೀವರ್‌ಗಳಿಗೆ ಅನ್ವಯಿಸುವುದು ಕಷ್ಟ. ಏಕೆಂದರೆ ಗರಿಷ್ಠ ಪ್ರತಿಕ್ರಿಯೆಯ ಮೇಲೆ ಪರಿಣಾಮ ಬೀರುವ ಗುಣಕ ಅಂಶವು ಗುಣಕ ಶಬ್ದದಿಂದಲ್ಲ, ಡಾರ್ಕ್ ಕರೆಂಟ್‌ನಿಂದ ಸೀಮಿತವಾಗಿರುತ್ತದೆ. ಈ ರಚನೆಯಲ್ಲಿ, ಡಾರ್ಕ್ ಕರೆಂಟ್ ಮುಖ್ಯವಾಗಿ ಕಿರಿದಾದ ಬ್ಯಾಂಡ್ ಅಂತರವನ್ನು ಹೊಂದಿರುವ InGaAs ಬಾವಿ ಪದರದ ಸುರಂಗ ಮಾರ್ಗ ಪರಿಣಾಮದಿಂದ ಉಂಟಾಗುತ್ತದೆ, ಆದ್ದರಿಂದ ಕ್ವಾಂಟಮ್ ಬಾವಿ ರಚನೆಯ ಬಾವಿ ಪದರವಾಗಿ InGaAs ಬದಲಿಗೆ InGaAsP ಅಥವಾ InAlGaAs ನಂತಹ ವೈಡ್-ಬ್ಯಾಂಡ್ ಅಂತರದ ಕ್ವಾಟರ್ನರಿ ಮಿಶ್ರಲೋಹವನ್ನು ಪರಿಚಯಿಸುವುದರಿಂದ ಡಾರ್ಕ್ ಪ್ರವಾಹವನ್ನು ನಿಗ್ರಹಿಸಬಹುದು.