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

העיקרון והמצב הנוכחי שלגלאי פוטו של מפולת שלגים (גלאי פוטו APDחלק שני

2.2 מבנה שבב APD
מבנה שבב סביר הוא הערובה הבסיסית להתקנים בעלי ביצועים גבוהים. התכנון המבני של APD מתחשב בעיקר בקבוע הזמן של RC, לכידת חור בהטרוצומת, זמן מעבר של נושא גלים דרך אזור דלדול וכן הלאה. התפתחות המבנה שלו מסוכמת להלן:

(1) מבנה בסיסי
מבנה ה-APD הפשוט ביותר מבוסס על פוטודיודה PIN, אזור P ואזור N מסוממים בכבדות, ואזור דוחה כפול מסוג N או מסוג P מוכנס לאזור P או לאזור N הסמוך כדי לייצר אלקטרונים משניים וזוגות חורים, על מנת לממש את הגברת הזרם הפוטואלקטרי הראשוני. עבור חומרים מסדרת InP, מכיוון שמקדם יינון פגיעת החורים גדול ממקדם יינון פגיעת האלקטרונים, אזור ההגבר של סימום מסוג N ממוקם בדרך כלל באזור P. במצב אידיאלי, מוזרקים רק חורים לאזור ההגבר, ולכן מבנה זה נקרא מבנה מוזרק חור.

(2) נבדלים בין ספיגה לרווח
בשל מאפייני פער האנרגיה הרחב של InP (InP הוא 1.35eV ו-InGaAs הוא 0.75eV), InP משמש בדרך כלל כחומר לאזור ההגבר ו-InGaAs כחומר לאזור הקליטה.

(3) מוצעים מבני הקליטה, הגרדיאנט וההגבר (SAGM) בהתאמה.
כיום, רוב התקני ה-APD המסחריים משתמשים בחומר InP/InGaAs. InGaAs כשכבת ספיגה, InP תחת שדה חשמלי גבוה (>5x105V/cm) ללא פריצה, יכול לשמש כחומר אזור הגבר. עבור חומר זה, התכנון של APD זה הוא שתהליך המפולת נוצר ב-InP מסוג N על ידי התנגשות חורים. בהתחשב בהבדל הגדול בפער הפסים בין InP ל-InGaAs, הפרש רמת האנרגיה של כ-0.4eV בפס הערכיות גורם לחורים הנוצרים בשכבת הספיגה של InGaAs להיסגר בקצה ההטרוצונקציה לפני שהם מגיעים לשכבת מכפיל InP והמהירות מופחתת במידה ניכרת, וכתוצאה מכך זמן תגובה ארוך ורוחב פס צר של APD זה. ניתן לפתור בעיה זו על ידי הוספת שכבת מעבר InGaAsP בין שני החומרים.

(4) מוצעים מבני ספיגה, גרדיאנט, מטען והגבר (SAGCM) בהתאמה.
על מנת להתאים עוד יותר את פיזור השדה החשמלי של שכבת הקליטה ושכבת ההגבר, שכבת המטען מוכנסת לתכנון המכשיר, מה שמשפר מאוד את מהירות המכשיר ואת יכולת התגובה שלו.

(5) מבנה SAGCM משופר באמצעות מהוד (RCE)
בתכנון האופטימלי הנ"ל של גלאים מסורתיים, עלינו להתמודד עם העובדה שעובי שכבת הקליטה הוא גורם סותר למהירות המכשיר וליעילות הקוונטית. העובי הדק של שכבת הקליטה יכול להפחית את זמן המעבר של הגל הנושא, כך שניתן להשיג רוחב פס גדול. עם זאת, יחד עם זאת, על מנת להשיג יעילות קוונטית גבוהה יותר, שכבת הקליטה צריכה להיות בעלת עובי מספיק. הפתרון לבעיה זו יכול להיות מבנה חלל התהודה (RCE), כלומר, מחזיר בראג מבוזר (DBR) מתוכנן בתחתית ובחלק העליון של המכשיר. מראה ה-DBR מורכבת משני סוגים של חומרים בעלי מקדם שבירה נמוך ומקדם שבירה גבוה במבנה, והשניים גדלים לסירוגין, ועובי כל שכבה עומד באורך גל האור הפוגע 1/4 במוליך למחצה. מבנה התהודה של הגלאי יכול לעמוד בדרישות המהירות, עובי שכבת הקליטה יכול להיות דק מאוד, והיעילות הקוונטית של האלקטרון עולה לאחר מספר השתקפויות.

(6) מבנה מוליך גל מצומד קצה (WG-APD)
פתרון נוסף לפתרון הסתירה בין ההשפעות השונות של עובי שכבת הקליטה על מהירות המכשיר ויעילות הקוונטית הוא הכנסת מבנה מוליך גל מצומד קצה. מבנה זה נכנס לאור מהצד, מכיוון ששכבת הקליטה ארוכה מאוד, קל להשיג יעילות קוונטית גבוהה, ובמקביל, ניתן להפוך את שכבת הקליטה לדקה מאוד, מה שמפחית את זמן המעבר של נושא הגל. לכן, מבנה זה פותר את התלות השונה של רוחב פס ויעילות בעובי שכבת הקליטה, וצפוי להשיג APD בעל קצב גבוה ויעילות קוונטית גבוהה. תהליך WG-APD פשוט יותר מזה של RCE APD, מה שמבטל את תהליך ההכנה המסובך של מראה DBR. לכן, הוא בר ביצוע יותר בתחום המעשי ומתאים לחיבור אופטי במישור משותף.

3. סיכום
התפתחות מפולת שלגיםגלאי אורנסקר חומרים והתקנים. קצב יינון ההתנגשות של אלקטרונים וחורים בחומרי InP קרוב לאלה של InAlAs, מה שמוביל לתהליך כפול של שני סימביוני נושאי מטען, מה שמאריך את זמן בניית המפולת ואת הרעש מוגבר. בהשוואה לחומרי InAlAs טהורים, למבני בארות קוונטיות InGaAs(P)/InAlAs ו-In(Al)GaAs/InAlAs יש יחס מוגבר של מקדמי יינון התנגשות, כך שניתן לשנות באופן משמעותי את ביצועי הרעש. מבחינת מבנה, פותחו מבנה SAGCM משופר מהוד (RCE) ומבנה מוליך גל מצומד קצה (WG-APD) על מנת לפתור את הסתירות של השפעות שונות של עובי שכבת הקליטה על מהירות ההתקן ויעילות הקוונטית. בשל מורכבות התהליך, יש לחקור לעומק את היישום המעשי המלא של שני מבנים אלה.