העיקרון והמצב הנוכחי של מפולת פוטו -גלאי (APD פוטו -גלאי) חלק שני

העיקרון והמצב הנוכחי שלגלאי פוטו של Avalanche (APD Photodectore) חלק שני

2.2 מבנה שבב APD
מבנה שבבים סביר הוא הערבות הבסיסית למכשירים בעלי ביצועים גבוהים. התכנון המבני של APD מחשיב בעיקר את זמן ה- RC קבוע, לכידת חור בהטרוג'ונקונטינג, זמן מעבר נשא דרך אזור ההידלדלות וכן הלאה. פיתוח המבנה שלו מסכם להלן:

(1) מבנה בסיסי
מבנה ה- APD הפשוט ביותר מבוסס על פוטודיוד ה- PIN, אזור P ואזור N מסוממים בכבדות, ואזור ה- N או מסוג P-Type מוצג באזור ה- P הסמוך או באזור N לייצור אלקטרונים משניים וזוגות חורים, כדי לממש את ההגברה של הצילום הראשי. עבור חומרי סדרת INP, מכיוון שמקדם יינון ההשפעה על החור גדול יותר ממקדם היינון של ההשפעה על האלקטרונים, בדרך כלל אזור הרווח של סמים מסוג N ממוקם בדרך כלל באזור P. במצב אידיאלי, רק חורים מוזרקים לאזור הרווח, ולכן מבנה זה נקרא מבנה שהוזרק על חור.

(2) ספיגה ורווח נבדלים
בשל מאפייני פער הלהקה הרחבים של INP (INP הוא 1.35EV ו- INGAAS הוא 0.75EV), INP משמש בדרך כלל כחומר אזור הרווח ו- IngaAs כחומר אזור הקליטה.

(3) מוצעים מבני הקליטה, שיפוע ורווח (SAGM) בהתאמה
נכון לעכשיו, מרבית מכשירי ה- APD המסחריים משתמשים בחומר INP/INGAAS, אינגאס כשכבת הקליטה, INP תחת שדה חשמלי גבוה (> 5x105V/ס"מ) ללא פירוט, יכול לשמש כחומר אזור רווח. עבור חומר זה, העיצוב של APD זה הוא שתהליך המפולת נוצר ב- INP מסוג N על ידי התנגשות חורים. בהתחשב בהבדל הגדול בפער הלהקה בין INP ל- INGAAS, ההבדל ברמת האנרגיה של כ- 0.4EV ברצועת הערכיות הופך את החורים שנוצרו בשכבת הקליטה של ​​INGAAS שהופעלה בקצה ההטרו -ג'ונקונקטיבי לפני שהם מגיעים לשכבת הכפיל ה- INP והמהירות מופחתת מאוד, וכתוצאה מכך בזמן תגובה ארוכה וזמן פס צרה של APD. ניתן לפתור בעיה זו על ידי הוספת שכבת מעבר של IngaAsp בין שני החומרים.

(4) מוצעים מבני הקליטה, שיפוע, מטען ורווח (SAGCM) בהתאמה
על מנת להתאים עוד יותר את חלוקת השדה החשמלי של שכבת הקליטה ושכבת הרווח, שכבת המטען מוצגת לעיצוב המכשירים, מה שמשפר מאוד את מהירות המכשיר ואת ההיענות.

(5) מהדהד משופר (RCE) מבנה SAGCM
בתכנון האופטימלי לעיל של גלאים מסורתיים, עלינו להתמודד עם העובדה כי עובי שכבת הקליטה הוא גורם סותר למהירות המכשיר ויעילות הקוונטים. העובי הדק של השכבה הסופגת יכול להפחית את זמן מעבר המנשא, כך שניתן להשיג רוחב פס גדול. עם זאת, במקביל, על מנת להשיג יעילות קוונטית גבוהה יותר, שכבת הקליטה צריכה להיות בעובי מספיק. הפיתרון לבעיה זו יכול להיות מבנה חלל התהודה (RCE), כלומר, רפלקטור Bragg המופץ (DBR) מעוצב בתחתית ובחלקו העליון של המכשיר. מראה ה- DBR מורכבת משני סוגים של חומרים עם מדד שבירה נמוך ומדד שבירה גבוה במבנה, והשניים צומחים לסירוגין, והעובי של כל שכבה פוגש את אורך הגל האור האירוע 1/4 במוליך למחצה. מבנה התהודה של הגלאי יכול לעמוד בדרישות המהירות, עובי שכבת הקליטה יכול להיות דק מאוד, והיעילות הקוונטית של האלקטרון מוגברת לאחר מספר השתקפויות.

(6) מבנה גלגלי גל מצומדים בקצה (WG-APD)
פיתרון נוסף לפיתרון הסתירה של השפעות שונות של עובי שכבת הקליטה על מהירות המכשיר ויעילות הקוונטים הוא להציג מבנה גלגלי גל מצומדים קצה. מבנה זה נכנס אור מהצד, מכיוון ששכבת הקליטה ארוכה מאוד, קל להשיג יעילות קוונטית גבוהה, ובו בזמן ניתן להפוך את שכבת הקליטה לדקה מאוד, ולהפחית את זמן מעבר המנשא. לפיכך, מבנה זה פותר את התלות השונה של רוחב פס ויעילות בעובי שכבת הקליטה, וצפוי להשיג קצב גבוה ויעילות קוונטית גבוהה APD. תהליך WG-APD פשוט יותר מזה של RCE APD, המבטל את תהליך ההכנה המסובך של מראה DBR. לכן, ניתן יהיה לבצע יותר בתחום המעשי ומתאים לחיבור אופטי מטוס משותף.

3. מסקנה
פיתוח מפולות מפולתגלאי פוטוחומרים ומכשירים נבדקים. שיעורי היינון של התנגשות אלקטרונים וחור של חומרי INP קרובים לאלה של אינאלאס, מה שמוביל לתהליך הכפול של שני סימביי המנשא, מה שהופך את זמן בניית המפולת ליותר זמן והרעש גדל. בהשוואה לחומרי אינאלאס טהורים, ל- IngaAs (p) /inalas וב- (Al) GaAs /Inalas מבני באר קוונטים הם בעלי יחס מוגבר של מקדמי יינון התנגשות, כך שניתן לשנות את ביצועי הרעש מאוד. מבחינת המבנה, מפותחים מבנה SAGCM משופר (RCE) ומבנה גלגלים מצומדים קצה (WG-APD) על מנת לפתור את הסתירות של השפעות שונות של עובי שכבת הקליטה על מהירות המכשיר ויעילות הקוונטית. בשל מורכבות התהליך, יש לבחון עוד יותר את היישום המעשי המלא של שני מבנים אלה.