Fotodetektori i granične talasne dužine

Fotodetektorii granične talasne dužine

Ovaj članak se fokusira na materijale i principe rada fotodetektora (posebno mehanizam odziva zasnovan na teoriji pojaseva), kao i na ključne parametre i scenarije primjene različitih poluprovodničkih materijala.
1. Osnovni princip: Fotodetektor radi na osnovu fotoelektričnog efekta. Upadni fotoni moraju nositi dovoljno energije (veće od širine zabranjene zone Eg materijala) da pobude elektrone iz valentne zone u provodnu zonu, formirajući detektabilni električni signal. Energija fotona je obrnuto proporcionalna talasnoj dužini, tako da detektor ima "graničnu talasnu dužinu" (λc) - maksimalnu talasnu dužinu koja može da reaguje, iznad koje ne može efikasno da reaguje. Granična talasna dužina se može procijeniti pomoću formule λc ≈ 1240/Eg (nm), gdje se Eg mjeri u eV.
2. Ključni poluprovodnički materijali i njihove karakteristike:
Silicij (Si): širina zabranjene zone od oko 1,12 eV, granična talasna dužina od oko 1107 nm. Pogodno za detekciju kratkih talasnih dužina kao što je 850 nm, obično se koristi za međusobno povezivanje optičkih vlakana kratkog dometa (kao što su centri podataka).
Galijum arsenid (GaAs): širina zabranjene zone od 1,42 eV, granična talasna dužina od približno 873 nm. Pogodan za talasnu dužinu od 850 nm, može se integrisati sa VCSEL izvorima svjetlosti od istog materijala na jednom čipu.
Indij-galijum-arsenid (InGaAs): Širina zabranjene zone može se podesiti između 0,36~1,42 eV, a granična talasna dužina pokriva 873~3542 nm. To je glavni detektorski materijal za optičke komunikacijske prozore od 1310 nm i 1550 nm, ali zahtijeva InP supstrat i složen je za integraciju sa kolima na bazi silicija.
Germanij (Ge): sa širinom zabranjene zone od približno 0,66 eV i graničnom talasnom dužinom od približno 1879 nm. Može pokriti od 1550 nm do 1625 nm (L-pojas) i kompatibilan je sa silicijumskim podlogama, što ga čini izvodljivim rješenjem za proširenje odziva na duge pojaseve.
Silicijum-germanijumska legura (kao što je Si0.5Ge0.5): širina zabranjene zone od oko 0.96 eV, granična talasna dužina od oko 1292 nm. Dopiranjem germanijuma u silicijumu, talasna dužina odziva može se proširiti na duže zone na silicijumskoj podlozi.
3. Povezivanje scenarija aplikacije:
Opseg od 850 nm:Silicijumski fotodetektoriili se mogu koristiti GaAs fotodetektori.
Opseg 1310/1550 nm:InGaAs fotodetektorise uglavnom koriste. Fotodetektori od čistog germanijuma ili legure silicijuma i germanijuma također mogu pokriti ovaj raspon i imaju potencijalne prednosti u integraciji na bazi silicijuma.

Sveukupno, kroz osnovne koncepte teorije pojaseva i granične talasne dužine, sistematski su pregledane karakteristike primjene i opseg pokrivanja talasnih dužina različitih poluprovodničkih materijala u fotodetektorima, a istaknuta je i bliska veza između izbora materijala, prozora talasnih dužina komunikacije optičkim vlaknima i troškova procesa integracije.