ಹಿಮಪಾತದ ಫೋಟೊಡೆಕ್ಟರ್ (APD ಫೋಟೊಡೆಕ್ಟರ್) ಭಾಗ ಒಂದರ ತತ್ವ ಮತ್ತು ಪ್ರಸ್ತುತ ಪರಿಸ್ಥಿತಿ

ಅಮೂರ್ತ: ಅವಲಾಂಚ್ ಫೋಟೊಡೆಕ್ಟರ್‌ನ ಮೂಲ ರಚನೆ ಮತ್ತು ಕೆಲಸದ ತತ್ವ (ಎಪಿಡಿ ಫೋಟೊಡೆಕ್ಟರ್) ಪರಿಚಯಿಸಲಾಗಿದೆ, ಸಾಧನದ ರಚನೆಯ ವಿಕಸನ ಪ್ರಕ್ರಿಯೆಯನ್ನು ವಿಶ್ಲೇಷಿಸಲಾಗುತ್ತದೆ, ಪ್ರಸ್ತುತ ಸಂಶೋಧನಾ ಸ್ಥಿತಿಯನ್ನು ಸಂಕ್ಷಿಪ್ತಗೊಳಿಸಲಾಗಿದೆ ಮತ್ತು APD ಯ ಭವಿಷ್ಯದ ಅಭಿವೃದ್ಧಿಯನ್ನು ನಿರೀಕ್ಷಿತವಾಗಿ ಅಧ್ಯಯನ ಮಾಡಲಾಗುತ್ತದೆ.

1. ಪರಿಚಯ
ಫೋಟೊಡೆಕ್ಟರ್ ಎನ್ನುವುದು ಬೆಳಕಿನ ಸಂಕೇತಗಳನ್ನು ವಿದ್ಯುತ್ ಸಂಕೇತಗಳಾಗಿ ಪರಿವರ್ತಿಸುವ ಸಾಧನವಾಗಿದೆ. ಎಅರೆವಾಹಕ ಫೋಟೊಡೆಕ್ಟರ್, ಘಟನೆಯ ಫೋಟಾನ್‌ನಿಂದ ಉತ್ಸುಕಗೊಂಡ ಫೋಟೋ-ರಚಿಸಿದ ವಾಹಕವು ಅನ್ವಯಿಕ ಪಕ್ಷಪಾತ ವೋಲ್ಟೇಜ್ ಅಡಿಯಲ್ಲಿ ಬಾಹ್ಯ ಸರ್ಕ್ಯೂಟ್‌ಗೆ ಪ್ರವೇಶಿಸುತ್ತದೆ ಮತ್ತು ಅಳೆಯಬಹುದಾದ ಫೋಟೊಕರೆಂಟ್ ಅನ್ನು ರೂಪಿಸುತ್ತದೆ. ಗರಿಷ್ಟ ಪ್ರತಿಕ್ರಿಯಾತ್ಮಕತೆಯಲ್ಲಿಯೂ ಸಹ, PIN ಫೋಟೋಡಿಯೋಡ್ ಒಂದು ಜೋಡಿ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್-ಹೋಲ್ ಜೋಡಿಗಳನ್ನು ಮಾತ್ರ ಉತ್ಪಾದಿಸುತ್ತದೆ, ಇದು ಆಂತರಿಕ ಲಾಭವಿಲ್ಲದ ಸಾಧನವಾಗಿದೆ. ಹೆಚ್ಚಿನ ಪ್ರತಿಕ್ರಿಯೆಗಾಗಿ, ಒಂದು ಅವಲಾಂಚ್ ಫೋಟೋಡಿಯೋಡ್ (APD) ಅನ್ನು ಬಳಸಬಹುದು. ಫೋಟೊಕರೆಂಟ್‌ನಲ್ಲಿ APD ಯ ವರ್ಧನೆಯ ಪರಿಣಾಮವು ಅಯಾನೀಕರಣದ ಘರ್ಷಣೆ ಪರಿಣಾಮವನ್ನು ಆಧರಿಸಿದೆ. ಕೆಲವು ಪರಿಸ್ಥಿತಿಗಳಲ್ಲಿ, ವೇಗವರ್ಧಿತ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್‌ಗಳು ಮತ್ತು ರಂಧ್ರಗಳು ಹೊಸ ಜೋಡಿ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್-ಹೋಲ್ ಜೋಡಿಗಳನ್ನು ಉತ್ಪಾದಿಸಲು ಲ್ಯಾಟಿಸ್‌ನೊಂದಿಗೆ ಡಿಕ್ಕಿ ಹೊಡೆಯಲು ಸಾಕಷ್ಟು ಶಕ್ತಿಯನ್ನು ಪಡೆಯಬಹುದು. ಈ ಪ್ರಕ್ರಿಯೆಯು ಸರಣಿ ಕ್ರಿಯೆಯಾಗಿದೆ, ಆದ್ದರಿಂದ ಬೆಳಕಿನ ಹೀರಿಕೊಳ್ಳುವಿಕೆಯಿಂದ ಉತ್ಪತ್ತಿಯಾಗುವ ಜೋಡಿ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್-ಹೋಲ್ ಜೋಡಿಗಳು ಹೆಚ್ಚಿನ ಸಂಖ್ಯೆಯ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್-ಹೋಲ್ ಜೋಡಿಗಳನ್ನು ಉತ್ಪಾದಿಸಬಹುದು ಮತ್ತು ದೊಡ್ಡ ದ್ವಿತೀಯಕ ದ್ಯುತಿವಿದ್ಯುಜ್ಜನಕವನ್ನು ರೂಪಿಸಬಹುದು. ಆದ್ದರಿಂದ, APD ಹೆಚ್ಚಿನ ಪ್ರತಿಕ್ರಿಯೆ ಮತ್ತು ಆಂತರಿಕ ಲಾಭವನ್ನು ಹೊಂದಿದೆ, ಇದು ಸಾಧನದ ಸಿಗ್ನಲ್-ಟು-ಶಬ್ದ ಅನುಪಾತವನ್ನು ಸುಧಾರಿಸುತ್ತದೆ. ಎಪಿಡಿಯನ್ನು ಮುಖ್ಯವಾಗಿ ದೂರದ ಅಥವಾ ಚಿಕ್ಕ ಆಪ್ಟಿಕಲ್ ಫೈಬರ್ ಸಂವಹನ ವ್ಯವಸ್ಥೆಗಳಲ್ಲಿ ಸ್ವೀಕರಿಸಿದ ಆಪ್ಟಿಕಲ್ ಶಕ್ತಿಯ ಇತರ ಮಿತಿಗಳೊಂದಿಗೆ ಬಳಸಲಾಗುತ್ತದೆ. ಪ್ರಸ್ತುತ, ಅನೇಕ ಆಪ್ಟಿಕಲ್ ಸಾಧನ ತಜ್ಞರು APD ಯ ಭವಿಷ್ಯದ ಬಗ್ಗೆ ಬಹಳ ಆಶಾವಾದಿಗಳಾಗಿದ್ದಾರೆ ಮತ್ತು ಸಂಬಂಧಿತ ಕ್ಷೇತ್ರಗಳ ಅಂತರಾಷ್ಟ್ರೀಯ ಸ್ಪರ್ಧಾತ್ಮಕತೆಯನ್ನು ಹೆಚ್ಚಿಸಲು APD ಯ ಸಂಶೋಧನೆಯು ಅವಶ್ಯಕವಾಗಿದೆ ಎಂದು ನಂಬುತ್ತಾರೆ.

2. ತಾಂತ್ರಿಕ ಅಭಿವೃದ್ಧಿಹಿಮಪಾತದ ಫೋಟೊಡೆಕ್ಟರ್(ಎಪಿಡಿ ಫೋಟೊಡೆಕ್ಟರ್)

2.1 ವಸ್ತುಗಳು
(1)ಸಿ ಫೋಟೊಡೆಕ್ಟರ್
Si ವಸ್ತು ತಂತ್ರಜ್ಞಾನವು ಮೈಕ್ರೊಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನಿಕ್ಸ್ ಕ್ಷೇತ್ರದಲ್ಲಿ ವ್ಯಾಪಕವಾಗಿ ಬಳಸಲಾಗುವ ಪ್ರಬುದ್ಧ ತಂತ್ರಜ್ಞಾನವಾಗಿದೆ, ಆದರೆ ಆಪ್ಟಿಕಲ್ ಸಂವಹನ ಕ್ಷೇತ್ರದಲ್ಲಿ ಸಾಮಾನ್ಯವಾಗಿ ಅಂಗೀಕರಿಸಲ್ಪಟ್ಟ 1.31mm ಮತ್ತು 1.55mm ತರಂಗಾಂತರದ ವ್ಯಾಪ್ತಿಯಲ್ಲಿ ಸಾಧನಗಳನ್ನು ತಯಾರಿಸಲು ಇದು ಸೂಕ್ತವಲ್ಲ.

(2) ಜಿ
ಆಪ್ಟಿಕಲ್ ಫೈಬರ್ ಪ್ರಸರಣದಲ್ಲಿ ಕಡಿಮೆ ನಷ್ಟ ಮತ್ತು ಕಡಿಮೆ ಪ್ರಸರಣದ ಅವಶ್ಯಕತೆಗಳಿಗೆ Ge APD ಯ ಸ್ಪೆಕ್ಟ್ರಲ್ ಪ್ರತಿಕ್ರಿಯೆಯು ಸೂಕ್ತವಾಗಿದ್ದರೂ, ತಯಾರಿಕೆಯ ಪ್ರಕ್ರಿಯೆಯಲ್ಲಿ ಹೆಚ್ಚಿನ ತೊಂದರೆಗಳಿವೆ. ಜೊತೆಗೆ, Ge ನ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ ಮತ್ತು ಹೋಲ್ ಅಯಾನೀಕರಣ ದರ ಅನುಪಾತವು () 1 ಕ್ಕೆ ಹತ್ತಿರದಲ್ಲಿದೆ, ಆದ್ದರಿಂದ ಹೆಚ್ಚಿನ ಕಾರ್ಯಕ್ಷಮತೆಯ APD ಸಾಧನಗಳನ್ನು ಸಿದ್ಧಪಡಿಸುವುದು ಕಷ್ಟ.

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

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

(5) InGaAs/InAlAs
In0.52Al0.48As ವಸ್ತುವು ಬ್ಯಾಂಡ್ ಅಂತರವನ್ನು (1.47eV) ಹೊಂದಿದೆ ಮತ್ತು 1.55mm ತರಂಗಾಂತರ ವ್ಯಾಪ್ತಿಯಲ್ಲಿ ಹೀರಿಕೊಳ್ಳುವುದಿಲ್ಲ. ತೆಳುವಾದ In0.52Al0.48As ಎಪಿಟಾಕ್ಸಿಯಲ್ ಲೇಯರ್ ಶುದ್ಧ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ ಇಂಜೆಕ್ಷನ್‌ನ ಸ್ಥಿತಿಯ ಅಡಿಯಲ್ಲಿ ಮಲ್ಟಿಪ್ಲಿಕೇಟರ್ ಲೇಯರ್‌ನಂತೆ 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. InGaAs (P) /InAlAs ಮತ್ತು In (Al) GaAs/InAlAs ಸೂಪರ್‌ಲ್ಯಾಟಿಸ್ ರಚನೆಗಳನ್ನು ಪರಿಚಯಿಸುವ ಮೂಲಕ ಗುಣಕ ಪದರದ ಘರ್ಷಣೆ ಅಯಾನೀಕರಣ ದರವನ್ನು ಸುಧಾರಿಸಬಹುದು ಎಂದು ಫಲಿತಾಂಶಗಳು ತೋರಿಸುತ್ತವೆ. 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 ಖಚಿತಪಡಿಸುತ್ತದೆ. InGaAs ಬಲ್ಕ್ 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 ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ ಅಯಾನೀಕರಣದ ದರವನ್ನು ರಂಧ್ರದ ಅಯಾನೀಕರಣ ದರಕ್ಕೆ (b) ಹೋಲ್ ಶಕ್ತಿಯ ಕೊಡುಗೆಗಿಂತ ಹೆಚ್ಚು ಹೆಚ್ಚಿಸುತ್ತದೆ ಎಂದು ನಿರೀಕ್ಷಿಸಬಹುದು. ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ ಅಯಾನೀಕರಣ ದರದ ಅನುಪಾತ (ಕೆ) ರಂಧ್ರದ ಅಯಾನೀಕರಣ ದರ ಹೆಚ್ಚಾಗುತ್ತದೆ. ಆದ್ದರಿಂದ, ಸೂಪರ್‌ಲ್ಯಾಟಿಸ್ ರಚನೆಗಳನ್ನು ಅನ್ವಯಿಸುವ ಮೂಲಕ ಹೆಚ್ಚಿನ ಲಾಭ-ಬ್ಯಾಂಡ್‌ವಿಡ್ತ್ ಉತ್ಪನ್ನ (GBW) ಮತ್ತು ಕಡಿಮೆ ಶಬ್ದ ಕಾರ್ಯಕ್ಷಮತೆಯನ್ನು ಪಡೆಯಬಹುದು. ಆದಾಗ್ಯೂ, ಈ InGaAs/InAlAs ಕ್ವಾಂಟಮ್ ವೆಲ್ ರಚನೆ APD, ಇದು k ಮೌಲ್ಯವನ್ನು ಹೆಚ್ಚಿಸಬಹುದು, ಆಪ್ಟಿಕಲ್ ರಿಸೀವರ್‌ಗಳಿಗೆ ಅನ್ವಯಿಸಲು ಕಷ್ಟವಾಗುತ್ತದೆ. ಏಕೆಂದರೆ ಗರಿಷ್ಟ ಪ್ರತಿಕ್ರಿಯೆಯ ಮೇಲೆ ಪರಿಣಾಮ ಬೀರುವ ಗುಣಕ ಅಂಶವು ಡಾರ್ಕ್ ಕರೆಂಟ್‌ನಿಂದ ಸೀಮಿತವಾಗಿರುತ್ತದೆ, ಗುಣಕ ಶಬ್ದದಿಂದಲ್ಲ. ಈ ರಚನೆಯಲ್ಲಿ, ಡಾರ್ಕ್ ಕರೆಂಟ್ ಮುಖ್ಯವಾಗಿ InGaAs ಬಾವಿ ಪದರದ ಕಿರಿದಾದ ಬ್ಯಾಂಡ್ ಗ್ಯಾಪ್‌ನ ಸುರಂಗ ಪರಿಣಾಮದಿಂದ ಉಂಟಾಗುತ್ತದೆ, ಆದ್ದರಿಂದ InGaAs ಬದಲಿಗೆ InGaAs ನಂತಹ ವಿಶಾಲ-ಬ್ಯಾಂಡ್ ಗ್ಯಾಪ್ ಕ್ವಾಟರ್ನರಿ ಮಿಶ್ರಲೋಹವನ್ನು ಪರಿಚಯಿಸಲಾಗಿದೆ. ಕ್ವಾಂಟಮ್ ಬಾವಿ ರಚನೆಯು ಡಾರ್ಕ್ ಕರೆಂಟ್ ಅನ್ನು ನಿಗ್ರಹಿಸಬಹುದು.