Фотодетектори та граничні довжини хвиль

Фотодетекторита граничні довжини хвиль

Ця стаття зосереджена на матеріалах та принципах роботи фотодетекторів (особливо на механізмі відгуку, заснованому на теорії зон), а також на ключових параметрах та сценаріях застосування різних напівпровідникових матеріалів.
1. Основний принцип: Фотодетектор працює на основі фотоелектричного ефекту. Падаючі фотони повинні нести достатню енергію (більшу за ширину забороненої зони Eg матеріалу) для збудження електронів з валентної зони в зону провідності, формуючи електричний сигнал, який можна виявити. Енергія фотонів обернено пропорційна довжині хвилі, тому детектор має «граничну довжину хвилі» (λc) – максимальну довжину хвилі, на яку може реагувати, за межами якої він не може ефективно реагувати. Граничну довжину хвилі можна оцінити за формулою λc ≈ 1240/Eg (нм), де Eg вимірюється в еВ.
2. Основні напівпровідникові матеріали та їх характеристики:
Кремній (Si): ширина забороненої зони близько 1,12 еВ, гранична довжина хвилі близько 1107 нм. Придатний для детектування на коротких довжинах хвиль, таких як 850 нм, зазвичай використовується для багатомодового волоконно-оптичного з'єднання на короткій відстані (наприклад, у центрах обробки даних).
Арсенід галію (GaAs): ширина забороненої зони 1,42 еВ, гранична довжина хвилі приблизно 873 нм. Придатний для діапазону довжин хвиль 850 нм, може бути інтегрований з джерелами світла VCSEL з того ж матеріалу на одному кристалі.
Арсенід індію-галію (InGaAs): ширина забороненої зони може регулюватися в межах 0,36~1,42 еВ, а гранична довжина хвилі охоплює 873~3542 нм. Це основний матеріал детекторів для вікон оптоволоконного зв'язку 1310 нм та 1550 нм, але вимагає підкладки InP та складно інтегрується з кремнієвими схемами.
Германій (Ge): із шириною забороненої зони приблизно 0,66 еВ та граничною довжиною хвилі приблизно 1879 нм. Він може охоплювати діапазон від 1550 нм до 1625 нм (L-діапазон) та сумісний з кремнієвими підкладками, що робить його можливим рішенням для розширення діапазону довжин.
Кремнієво-германієвий сплав (наприклад, Si0,5Ge0,5): ширина забороненої зони близько 0,96 еВ, гранична довжина хвилі близько 1292 нм. Завдяки легуванню кремнію германієм, довжину хвилі відгуку можна розширити до довших смуг на кремнієвій підкладці.
3. Зв'язок сценаріїв застосування:
Діапазон 850 нм:Кремнієві фотодетекториабо можна використовувати фотодетектори GaAs.
Діапазон 1310/1550 нм:InGaAs фотодетекторив основному використовуються. Фотодетектори з чистого германію або кремнію та германієвих сплавів також можуть охоплювати цей діапазон і мають потенційні переваги в інтеграції на основі кремнію.

Загалом, через основні концепції теорії зон та граничної довжини хвилі, було систематично розглянуто характеристики застосування та діапазон охоплення довжин хвиль різних напівпровідникових матеріалів у фотодетекторах, а також було зазначено тісний зв'язок між вибором матеріалу, вікном довжин хвиль волоконно-оптичного зв'язку та вартістю процесу інтеграції.