Fotodetektory a medzné vlnové dĺžky

Fotodetektorya medzné vlnové dĺžky

Tento článok sa zameriava na materiály a princípy fungovania fotodetektorov (najmä na mechanizmus odozvy založený na pásmovej teórii), ako aj na kľúčové parametre a aplikačné scenáre rôznych polovodičových materiálov.
1. Základný princíp: Fotodetektor funguje na základe fotoelektrického javu. Dopadajúce fotóny musia niesť dostatočnú energiu (väčšiu ako šírka zakázaného pásma Eg materiálu) na excitáciu elektrónov z valenčného pásma do vodivostného pásma, čím sa vytvorí detekovateľný elektrický signál. Energia fotónov je nepriamo úmerná vlnovej dĺžke, takže detektor má „hraničnú vlnovú dĺžku“ (λc) – maximálnu vlnovú dĺžku, na ktorú môže reagovať a za ktorou už nemôže efektívne reagovať. Hraničnú vlnovú dĺžku možno odhadnúť pomocou vzorca λc ≈ 1240/Eg (nm), kde Eg sa meria v eV.
2. Kľúčové polovodičové materiály a ich vlastnosti:
Kremík (Si): šírka zakázaného pásma približne 1,12 eV, medzná vlnová dĺžka približne 1107 nm. Vhodný na detekciu krátkych vlnových dĺžok, napríklad 850 nm, bežne používaný na prepojenie optických vlákien s krátkym dosahom (napríklad v dátových centrách).
Arzenid gália (GaAs): šírka zakázaného pásma 1,42 eV, medzná vlnová dĺžka približne 873 nm. Vhodný pre vlnové dĺžky 850 nm, možno ho integrovať so svetelnými zdrojmi VCSEL z rovnakého materiálu na jednom čipe.
Arzenid india a gália (InGaAs): Šírka zakázaného pásma sa dá nastaviť medzi 0,36 až 1,42 eV a hraničná vlnová dĺžka pokrýva 873 až 3542 nm. Je to bežný detektorový materiál pre optické komunikačné okná s vlnovými dĺžkami 1310 nm a 1550 nm, vyžaduje si však substrát InP a jeho integrácia s obvodmi na báze kremíka je zložitá.
Germánium (Ge): so šírkou zakázaného pásma približne 0,66 eV a medznou vlnovou dĺžkou približne 1879 nm. Dokáže pokryť vlnový rozsah od 1550 nm do 1625 nm (pásmo L) a je kompatibilný s kremíkovými substrátmi, čo z neho robí vhodné riešenie na predĺženie odozvy na dlhé pásma.
Zliatina kremíka a germánia (ako napríklad Si0,5Ge0,5): šírka zakázaného pásma približne 0,96 eV, medzná vlnová dĺžka približne 1292 nm. Dopovaním kremíka germániom je možné rozšíriť vlnovú dĺžku odozvy na dlhšie pásma na kremíkovom substráte.
3. Priradenie aplikačného scenára:
Pásmo 850 nm:Kremíkové fotodetektoryalebo je možné použiť fotodetektory GaAs.
Pásmo 1310/1550 nm:InGaAs fotodetektorysa používajú hlavne. Fotodetektory z čistého germánia alebo kremíka a germániovej zliatiny môžu tiež pokryť tento rozsah a majú potenciálne výhody pri integrácii na báze kremíka.

Celkovo boli prostredníctvom základných konceptov teórie pásiem a medznej vlnovej dĺžky systematicky preskúmané aplikačné charakteristiky a rozsah pokrytia vlnových dĺžok rôznych polovodičových materiálov vo fotodetektoroch a bol poukázaný na úzky vzťah medzi výberom materiálu, vlnovým oknom optickej komunikácie a nákladmi na integračný proces.