Фотодетектори и граничне таласне дужине

Пхотодетецторси граничне таласне дужине

Овај чланак се фокусира на материјале и принципе рада фотодетектора (посебно на механизам одзива заснован на теорији зона), као и на кључне параметре и сценарије примене различитих полупроводничких материјала.
1. Основни принцип: Фотодетектор ради на основу фотоелектричног ефекта. Упадни фотони морају да носе довољну енергију (већу од ширине забрањене зоне Eg материјала) да би побудили електроне из валентне зоне у проводну зону, формирајући детектован електрични сигнал. Енергија фотона је обрнуто пропорционална таласној дужини, тако да детектор има „граничну таласну дужину“ (λc) – максималну таласну дужину коју детектор може да реагује, изван које не може ефикасно да реагује. Гранична таласна дужина може се проценити коришћењем формуле λc ≈ 1240/Eg (nm), где се Eg мери у eV.
2. Кључни полупроводнички материјали и њихове карактеристике:
Силицијум (Si): ширина забрањене зоне од око 1,12 eV, гранична таласна дужина од око 1107 nm. Погодно за детекцију кратких таласних дужина као што је 850 nm, обично се користи за међусобно повезивање оптичких влакана кратког домета (као што су центри података).
Галијум арсенид (GaAs): ширина забрањене зоне од 1,42 eV, гранична таласна дужина од приближно 873 nm. Погодан за таласну дужину од 850 nm, може се интегрисати са VCSEL изворима светлости од истог материјала на једном чипу.
Индиј-галијум-арсенид (InGaAs): Ширина забрањене зоне може се подесити између 0,36~1,42 eV, а гранична таласна дужина покрива 873~3542 nm. То је главни материјал детектора за оптичке комуникационе прозоре од 1310 nm и 1550 nm, али захтева InP подлогу и сложен је за интеграцију са колима на бази силицијума.
Германијум (Ge): са ширином забрањене зоне од приближно 0,66 eV и граничном таласном дужином од приближно 1879 nm. Може да покрије опсег од 1550 nm до 1625 nm (L-опсег) и компатибилан је са силицијумским подлогама, што га чини изводљивим решењем за проширење одзива на дуге опсеге.
Легура силицијума и германијума (као што је Si0.5Ge0.5): ширина забрањене зоне од око 0,96 eV, гранична таласна дужина од око 1292 nm. Допирањем германијума у ​​силицијуму, таласна дужина одзива може се проширити на дуже зоне на силицијумској подлози.
3. Повезивање сценарија апликације:
Опсег од 850 нм:Силицијумски фотодетекториили се могу користити GaAs фотодетектори.
Опсег 1310/1550 нм:InGaAs фотодетекторисе углавном користе. Фотодетектори од чистог германијума или силицијумске германијумске легуре такође могу покрити овај опсег и имају потенцијалне предности у интеграцији на бази силицијума.

Генерално, кроз основне концепте теорије опсега и граничне таласне дужине, систематски су прегледане карактеристике примене и опсег покривености таласних дужина различитих полупроводничких материјала у фотодетекторима, и истакнута је блиска веза између избора материјала, прозора таласне дужине оптичке комуникације и трошкова процеса интеграције.