Fotodetektorji in mejne valovne dolžine

Fotodetektorjiin mejne valovne dolžine

Ta članek se osredotoča na materiale in načela delovanja fotodetektorjev (zlasti na mehanizem odziva, ki temelji na teoriji pasov), pa tudi na ključne parametre in scenarije uporabe različnih polprevodniških materialov.
1. Osnovno načelo: Fotodetektor deluje na podlagi fotoelektričnega učinka. Vpadni fotoni morajo nositi dovolj energije (večje od širine pasovne reže Eg materiala), da vzbudijo elektrone iz valentnega pasu v prevodni pas in tvorijo zaznaven električni signal. Energija fotona je obratno sorazmerna z valovno dolžino, zato ima detektor "mejno valovno dolžino" (λc) – največjo valovno dolžino, na katero se lahko odzove, preko katere se ne more učinkovito odzvati. Mejno valovno dolžino lahko ocenimo po formuli λc ≈ 1240/Eg (nm), kjer se Eg meri v eV.
2. Ključni polprevodniški materiali in njihove značilnosti:
Silicij (Si): širina pasovne prepustnosti približno 1,12 eV, mejna valovna dolžina približno 1107 nm. Primeren za zaznavanje kratkih valovnih dolžin, kot je 850 nm, se pogosto uporablja za večmodne optične povezave kratkega dosega (kot so podatkovni centri).
Galijev arzenid (GaAs): širina prepustne pasovne širine 1,42 eV, mejna valovna dolžina približno 873 nm. Primeren za valovno dolžino 850 nm, ga je mogoče integrirati z VCSEL svetlobnimi viri iz istega materiala na enem samem čipu.
Indijev galijev arzenid (InGaAs): Širino pasovne reže je mogoče nastaviti med 0,36 in 1,42 eV, mejna valovna dolžina pa zajema 873 in 3542 nm. Je glavni detektorski material za komunikacijska okna z vlakni 1310 nm in 1550 nm, vendar zahteva InP substrat in je zapleten za integracijo s silicijevimi vezji.
Germanij (Ge): s širino prepustne pasovne širine približno 0,66 eV in mejno valovno dolžino približno 1879 nm. Pokriva lahko od 1550 nm do 1625 nm (L-pas) in je združljiv s silicijevimi substrati, zaradi česar je izvedljiva rešitev za podaljšanje odziva na dolge pasove.
Silicijeva germanijeva zlitina (kot je Si0,5Ge0,5): širina prepustne pasovne širine približno 0,96 eV, mejna valovna dolžina približno 1292 nm. Z dopiranjem germanija v siliciju se lahko odzivna valovna dolžina razširi na daljše pasove na silicijevem substratu.
3. Povezava s scenarijem uporabe:
850 nm pas:Silicijevi fotodetektorjiali pa se lahko uporabijo fotodetektorji GaAs.
Pas 1310/1550 nm:InGaAs fotodetektorjise uporabljajo predvsem. Fotodetektorji iz čistega germanija ali silicijeve germanijeve zlitine lahko pokrivajo tudi to območje in imajo potencialne prednosti pri integraciji na osnovi silicija.

Na splošno so bile s pomočjo temeljnih konceptov teorije pasov in mejne valovne dolžine sistematično pregledane značilnosti uporabe in območje pokritosti valovnih dolžin različnih polprevodniških materialov v fotodetektorjih, poudarjena pa je bila tudi tesna povezava med izbiro materiala, oknom valovnih dolžin optične komunikacije in stroški integracijskega procesa.