ಫೋಟೋಡೆಕ್ಟರ್‌ಗಳು ಮತ್ತು ಕಟ್ಆಫ್ ತರಂಗಾಂತರಗಳು

ಫೋಟೋ ಡಿಟೆಕ್ಟರ್‌ಗಳುಮತ್ತು ಕಟ್ಆಫ್ ತರಂಗಾಂತರಗಳು

ಈ ಲೇಖನವು ಫೋಟೊಡೆಕ್ಟರ್‌ಗಳ ವಸ್ತುಗಳು ಮತ್ತು ಕಾರ್ಯ ತತ್ವಗಳ ಮೇಲೆ (ವಿಶೇಷವಾಗಿ ಬ್ಯಾಂಡ್ ಸಿದ್ಧಾಂತವನ್ನು ಆಧರಿಸಿದ ಪ್ರತಿಕ್ರಿಯೆ ಕಾರ್ಯವಿಧಾನ), ಹಾಗೆಯೇ ವಿವಿಧ ಅರೆವಾಹಕ ವಸ್ತುಗಳ ಪ್ರಮುಖ ನಿಯತಾಂಕಗಳು ಮತ್ತು ಅನ್ವಯಿಕ ಸನ್ನಿವೇಶಗಳ ಮೇಲೆ ಕೇಂದ್ರೀಕರಿಸುತ್ತದೆ.
1. ಮೂಲ ತತ್ವ: ದ್ಯುತಿವಿದ್ಯುತ್ ಪರಿಣಾಮವನ್ನು ಆಧರಿಸಿ ದ್ಯುತಿಶೋಧಕವು ಕಾರ್ಯನಿರ್ವಹಿಸುತ್ತದೆ. ಘಟನೆಯ ಫೋಟಾನ್‌ಗಳು ವೇಲೆನ್ಸ್ ಬ್ಯಾಂಡ್‌ನಿಂದ ವಹನ ಬ್ಯಾಂಡ್‌ಗೆ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್‌ಗಳನ್ನು ಪ್ರಚೋದಿಸಲು ಸಾಕಷ್ಟು ಶಕ್ತಿಯನ್ನು (ವಸ್ತುವಿನ ಬ್ಯಾಂಡ್‌ಗ್ಯಾಪ್ ಅಗಲ ಉದಾ. ಗಿಂತ ಹೆಚ್ಚು) ಸಾಗಿಸಬೇಕಾಗುತ್ತದೆ, ಇದು ಪತ್ತೆಹಚ್ಚಬಹುದಾದ ವಿದ್ಯುತ್ ಸಂಕೇತವನ್ನು ರೂಪಿಸುತ್ತದೆ. ಫೋಟಾನ್ ಶಕ್ತಿಯು ತರಂಗಾಂತರಕ್ಕೆ ವಿಲೋಮ ಅನುಪಾತದಲ್ಲಿರುತ್ತದೆ, ಆದ್ದರಿಂದ ಪತ್ತೆಕಾರಕವು "ಕಟ್-ಆಫ್ ತರಂಗಾಂತರ" (λ c) ಅನ್ನು ಹೊಂದಿರುತ್ತದೆ - ಪ್ರತಿಕ್ರಿಯಿಸಬಹುದಾದ ಗರಿಷ್ಠ ತರಂಗಾಂತರ, ಅದನ್ನು ಮೀರಿ ಅದು ಪರಿಣಾಮಕಾರಿಯಾಗಿ ಪ್ರತಿಕ್ರಿಯಿಸಲು ಸಾಧ್ಯವಿಲ್ಲ. λ c ≈ 1240/Eg (nm) ಸೂತ್ರವನ್ನು ಬಳಸಿಕೊಂಡು ಕಟ್‌ಆಫ್ ತರಂಗಾಂತರವನ್ನು ಅಂದಾಜು ಮಾಡಬಹುದು, ಇಲ್ಲಿ ಉದಾ. ಅನ್ನು eV ನಲ್ಲಿ ಅಳೆಯಲಾಗುತ್ತದೆ.
2. ಪ್ರಮುಖ ಅರೆವಾಹಕ ವಸ್ತುಗಳು ಮತ್ತು ಅವುಗಳ ಗುಣಲಕ್ಷಣಗಳು:
ಸಿಲಿಕಾನ್ (Si): ಸುಮಾರು 1.12 eV ಬ್ಯಾಂಡ್‌ಗ್ಯಾಪ್ ಅಗಲ, ಸುಮಾರು 1107 nm ಕಟ್‌ಆಫ್ ತರಂಗಾಂತರ. 850 nm ನಂತಹ ಕಡಿಮೆ ತರಂಗಾಂತರ ಪತ್ತೆಗೆ ಸೂಕ್ತವಾಗಿದೆ, ಇದನ್ನು ಸಾಮಾನ್ಯವಾಗಿ ಕಡಿಮೆ-ಶ್ರೇಣಿಯ ಮಲ್ಟಿಮೋಡ್ ಫೈಬರ್ ಆಪ್ಟಿಕ್ ಇಂಟರ್‌ಕನೆಕ್ಷನ್‌ಗೆ (ಡೇಟಾ ಸೆಂಟರ್‌ಗಳಂತಹವು) ಬಳಸಲಾಗುತ್ತದೆ.
ಗ್ಯಾಲಿಯಮ್ ಆರ್ಸೆನೈಡ್ (GaAs): 1.42 eV ಬ್ಯಾಂಡ್‌ಗ್ಯಾಪ್ ಅಗಲ, ಸರಿಸುಮಾರು 873 nm ಕಟ್‌ಆಫ್ ತರಂಗಾಂತರ. 850 nm ತರಂಗಾಂತರ ಬ್ಯಾಂಡ್‌ಗೆ ಸೂಕ್ತವಾದ ಇದನ್ನು ಒಂದೇ ಚಿಪ್‌ನಲ್ಲಿ ಅದೇ ವಸ್ತುವಿನ VCSEL ಬೆಳಕಿನ ಮೂಲಗಳೊಂದಿಗೆ ಸಂಯೋಜಿಸಬಹುದು.
ಇಂಡಿಯಮ್ ಗ್ಯಾಲಿಯಮ್ ಆರ್ಸೆನೈಡ್ (InGaAs): ಬ್ಯಾಂಡ್‌ಗ್ಯಾಪ್ ಅಗಲವನ್ನು 0.36~1.42 eV ನಡುವೆ ಸರಿಹೊಂದಿಸಬಹುದು ಮತ್ತು ಕಟ್‌ಆಫ್ ತರಂಗಾಂತರವು 873~3542 nm ಅನ್ನು ಒಳಗೊಂಡಿದೆ. ಇದು 1310 nm ಮತ್ತು 1550 nm ಫೈಬರ್ ಸಂವಹನ ವಿಂಡೋಗಳಿಗೆ ಮುಖ್ಯವಾಹಿನಿಯ ಡಿಟೆಕ್ಟರ್ ವಸ್ತುವಾಗಿದೆ, ಆದರೆ InP ತಲಾಧಾರದ ಅಗತ್ಯವಿರುತ್ತದೆ ಮತ್ತು ಸಿಲಿಕಾನ್-ಆಧಾರಿತ ಸರ್ಕ್ಯೂಟ್‌ಗಳೊಂದಿಗೆ ಸಂಯೋಜಿಸಲು ಸಂಕೀರ್ಣವಾಗಿದೆ.
ಜರ್ಮೇನಿಯಮ್ (Ge): ಸರಿಸುಮಾರು 0.66 eV ಬ್ಯಾಂಡ್‌ಗ್ಯಾಪ್ ಅಗಲ ಮತ್ತು ಸರಿಸುಮಾರು 1879 nm ಕಟ್‌ಆಫ್ ತರಂಗಾಂತರದೊಂದಿಗೆ. ಇದು 1550 nm ನಿಂದ 1625 nm (L-ಬ್ಯಾಂಡ್) ವರೆಗೆ ಆವರಿಸಬಲ್ಲದು ಮತ್ತು ಸಿಲಿಕಾನ್ ತಲಾಧಾರಗಳೊಂದಿಗೆ ಹೊಂದಿಕೊಳ್ಳುತ್ತದೆ, ಇದು ದೀರ್ಘ ಬ್ಯಾಂಡ್‌ಗಳಿಗೆ ಪ್ರತಿಕ್ರಿಯೆಯನ್ನು ವಿಸ್ತರಿಸಲು ಒಂದು ಕಾರ್ಯಸಾಧ್ಯ ಪರಿಹಾರವಾಗಿದೆ.
ಸಿಲಿಕಾನ್ ಜರ್ಮೇನಿಯಮ್ ಮಿಶ್ರಲೋಹ (Si0.5Ge0.5 ನಂತಹವು): ಸುಮಾರು 0.96 eV ಬ್ಯಾಂಡ್‌ಗ್ಯಾಪ್ ಅಗಲ, ಸುಮಾರು 1292 nm ಕಟ್‌ಆಫ್ ತರಂಗಾಂತರ. ಸಿಲಿಕಾನ್‌ನಲ್ಲಿ ಜರ್ಮೇನಿಯಮ್ ಅನ್ನು ಡೋಪಿಂಗ್ ಮಾಡುವ ಮೂಲಕ, ಪ್ರತಿಕ್ರಿಯೆ ತರಂಗಾಂತರವನ್ನು ಸಿಲಿಕಾನ್ ತಲಾಧಾರದ ಮೇಲಿನ ಉದ್ದವಾದ ಬ್ಯಾಂಡ್‌ಗಳಿಗೆ ವಿಸ್ತರಿಸಬಹುದು.
3. ಅಪ್ಲಿಕೇಶನ್ ಸನ್ನಿವೇಶ ಸಂಯೋಜನೆ:
850 nm ಬ್ಯಾಂಡ್:ಸಿಲಿಕಾನ್ ಫೋಟೋಡೆಕ್ಟರ್‌ಗಳುಅಥವಾ GaAs ಫೋಟೊಡೆಕ್ಟರ್‌ಗಳನ್ನು ಬಳಸಬಹುದು.
1310/1550 nm ಬ್ಯಾಂಡ್:InGaAs ಫೋಟೋಡಿಟೆಕ್ಟರ್‌ಗಳುಮುಖ್ಯವಾಗಿ ಬಳಸಲಾಗುತ್ತದೆ. ಶುದ್ಧ ಜರ್ಮೇನಿಯಂ ಅಥವಾ ಸಿಲಿಕಾನ್ ಜರ್ಮೇನಿಯಂ ಮಿಶ್ರಲೋಹ ಫೋಟೊಡೆಕ್ಟರ್‌ಗಳು ಈ ಶ್ರೇಣಿಯನ್ನು ಸಹ ಒಳಗೊಳ್ಳಬಹುದು ಮತ್ತು ಸಿಲಿಕಾನ್-ಆಧಾರಿತ ಏಕೀಕರಣದಲ್ಲಿ ಸಂಭಾವ್ಯ ಪ್ರಯೋಜನಗಳನ್ನು ಹೊಂದಿವೆ.

ಒಟ್ಟಾರೆಯಾಗಿ, ಬ್ಯಾಂಡ್ ಸಿದ್ಧಾಂತ ಮತ್ತು ಕಟ್ಆಫ್ ತರಂಗಾಂತರದ ಮೂಲ ಪರಿಕಲ್ಪನೆಗಳ ಮೂಲಕ, ಫೋಟೋಡೆಕ್ಟರ್‌ಗಳಲ್ಲಿನ ವಿವಿಧ ಸೆಮಿಕಂಡಕ್ಟರ್ ವಸ್ತುಗಳ ಅನ್ವಯ ಗುಣಲಕ್ಷಣಗಳು ಮತ್ತು ತರಂಗಾಂತರ ವ್ಯಾಪ್ತಿಯ ಶ್ರೇಣಿಯನ್ನು ವ್ಯವಸ್ಥಿತವಾಗಿ ಪರಿಶೀಲಿಸಲಾಗಿದೆ ಮತ್ತು ವಸ್ತುಗಳ ಆಯ್ಕೆ, ಫೈಬರ್ ಆಪ್ಟಿಕ್ ಸಂವಹನ ತರಂಗಾಂತರ ವಿಂಡೋ ಮತ್ತು ಏಕೀಕರಣ ಪ್ರಕ್ರಿಯೆಯ ವೆಚ್ಚದ ನಡುವಿನ ನಿಕಟ ಸಂಬಂಧವನ್ನು ಎತ್ತಿ ತೋರಿಸಲಾಗಿದೆ.