قار كۆچۈش فوتودېتېكتورىنىڭ (APD فوتودېتېكتورى) پىرىنسىپى ۋە ھازىرقى ئەھۋالى بىرىنچى بۆلۈم

قىسقىچە مەزمۇنى: قار كۆچۈش فوتودېتېكتورىنىڭ ئاساسىي قۇرۇلمىسى ۋە ئىشلەش پىرىنسىپى (APD فوتودېتېكتورى) تونۇشتۇرۇلىدۇ، ئۈسكۈنە قۇرۇلمىسىنىڭ تەرەققىيات جەريانى تەھلىل قىلىنىدۇ، نۆۋەتتىكى تەتقىقات ئەھۋالى خۇلاسىلىنىدۇ ۋە APD نىڭ كەلگۈسى تەرەققىياتى ئالدىن پىلانلانغان ھالدا تەتقىق قىلىنىدۇ.

1. كىرىش سۆز
فوتودېتېكتور نۇر سىگنالىنى ئېلېكتر سىگنالىغا ئايلاندۇرىدىغان ئۈسكۈنە.يېرىم ئۆتكۈزگۈچ فوتودېتېكتور، چۈشكەن فوتون قوزغىغان فوتو ھاسىل قىلغان توشۇغۇچى قوللىنىلغان يانتۇلۇق توك بېسىمى ئاستىدا تاشقى توك يولىغا كىرىپ، ئۆلچىگىلى بولىدىغان فوتو توك ھاسىل قىلىدۇ. ئەڭ يۇقىرى جاۋاب قايتۇرۇش ئىقتىدارىغا ئىگە بولغان تەقدىردىمۇ، PIN فوتودىئود ئەڭ كۆپ بولغاندا بىر جۈپ ئېلېكترون تۆشۈك جۈپلىرىنىلا ئىشلەپچىقىرالايدۇ، بۇ ئىچكى كۈچەيتىش ئىقتىدارى يوق ئۈسكۈنە. تېخىمۇ يۇقىرى جاۋاب قايتۇرۇش ئىقتىدارى ئۈچۈن، قار كۆچۈش فوتودىئودى (APD) ئىشلىتىشكە بولىدۇ. APD نىڭ فوتو توكقا بولغان كۈچەيتىش ئۈنۈمى ئىئونلىشىش سوقۇلۇش ئۈنۈمىگە ئاساسلىنىدۇ. بەزى شارائىتلاردا، تېزلەشتۈرۈلگەن ئېلېكترون ۋە تۆشۈكلەر تور بىلەن سوقۇلۇشۇپ، يېڭى بىر جۈپ ئېلېكترون تۆشۈك جۈپلىرىنى ھاسىل قىلىشقا يېتەرلىك ئېنېرگىيەگە ئېرىشەلەيدۇ. بۇ جەريان زەنجىرسىمان رېئاكسىيە بولۇپ، نۇرنى يۇتۇش ئارقىلىق ھاسىل بولغان ئېلېكترون تۆشۈك جۈپلىرى كۆپ ساندا ئېلېكترون تۆشۈك جۈپلىرىنى ھاسىل قىلىپ، چوڭ ئىككىنچى دەرىجىلىك فوتو توك ھاسىل قىلالايدۇ. شۇڭا، APD يۇقىرى جاۋاب قايتۇرۇش ئىقتىدارى ۋە ئىچكى كۈچەيتىش ئىقتىدارىغا ئىگە، بۇ ئۈسكۈنىنىڭ سىگنال-شاۋقۇن نىسبىتىنى ياخشىلايدۇ. APD ئاساسلىقى ئۇزۇن مۇساپىلىك ياكى كىچىكرەك ئوپتىك تالا ئالاقە سىستېمىلىرىدا ئىشلىتىلىدۇ، قوبۇل قىلىنغان ئوپتىك قۇۋۋەتكە باشقا چەكلىمىلەر بار. ھازىر نۇرغۇن ئوپتىكىلىق ئۈسكۈنە مۇتەخەسسىسلىرى APD نىڭ ئىستىقبالىغا ئىنتايىن ئۈمىدۋار مۇئامىلە قىلىدۇ، ھەمدە APD نى تەتقىق قىلىش مۇناسىۋەتلىك ساھەلەرنىڭ خەلقئارا رىقابەت كۈچىنى ئاشۇرۇش ئۈچۈن زۆرۈر دەپ قارايدۇ.

2. تېخنىكىلىق تەرەققىياتقار كۆچۈش فوتودېتېكتورى(APD فوتودېتېكتورى)

2.1 ماتېرىياللار
(1)Si فوتودېتېكتورى
Si ماتېرىيالى تېخنىكىسى مىكرو ئېلېكترون ساھەسىدە كەڭ قوللىنىلىۋاتقان پىشىپ يېتىلگەن تېخنىكا، ئەمما ئۇ ئوپتىكىلىق ئالاقە ساھەسىدە ئادەتتە قوبۇل قىلىنىدىغان 1.31mm ۋە 1.55mm دولقۇن ئۇزۇنلۇقىدىكى ئۈسكۈنىلەرنى تەييارلاشقا ماس كەلمەيدۇ.

(2) گې
Ge APD نىڭ سپېكترلىق ئىنكاسى ئوپتىك تالا يەتكۈزۈشتىكى تۆۋەن يوقىتىش ۋە تۆۋەن تارقىلىش تەلىپىگە ماس كەلسىمۇ، تەييارلىق جەريانىدا زور قىيىنچىلىقلار بار. بۇنىڭدىن باشقا، Ge نىڭ ئېلېكترون ۋە تۆشۈك ئىئونلىشىش نىسبىتى () 1 گە يېقىن، شۇڭا يۇقىرى ئىقتىدارلىق APD ئۈسكۈنىلىرىنى تەييارلاش تەس.

(3)In0.53Ga0.47As/InP
APD نىڭ نۇر يۇتۇش قەۋىتى سۈپىتىدە In0.53Ga0.47As نى، كۆپەيتكۈچ قەۋىتى سۈپىتىدە InP نى تاللاش ئۈنۈملۈك ئۇسۇل. In0.53Ga0.47As ماتېرىيالىنىڭ يۇتۇش چوققىسى 1.65mm، 1.31mm، 1.55mm دولقۇن ئۇزۇنلۇقى تەخمىنەن 104cm-1 يۇقىرى يۇتۇش كوئېففىتسېنتى بولۇپ، بۇ ھازىر نۇر دېتېكتورىنىڭ يۇتۇش قەۋىتى ئۈچۈن ئەڭ ياخشى ماتېرىيال.

(4)InGaAs فوتودېتېكتورى/ئىچىدەفوتودېتېكتور
نۇرنى سۈمۈرۈش قەۋىتى سۈپىتىدە InGaAsP نى، كۆپەيتكۈچ قەۋىتى سۈپىتىدە InP نى تاللاش ئارقىلىق، دولقۇن ئۇزۇنلۇقى 1-1.4mm بولغان ئىنكاس قايتۇرۇش ئىقتىدارىغا، يۇقىرى كۋانت ئۈنۈمىگە، تۆۋەن قاراڭغۇ توكقا ۋە يۇقىرى قار كۆچۈش ئۈنۈمىگە ئىگە APD تەييارلىغىلى بولىدۇ. ھەر خىل قېتىشما زاپچاسلىرىنى تاللاش ئارقىلىق، مەلۇم دولقۇن ئۇزۇنلۇقى ئۈچۈن ئەڭ ياخشى ئىقتىدارغا ئېرىشكىلى بولىدۇ.

(5) InGaAs/InAlAs
In0.52Al0.48As ماتېرىيالىنىڭ بەلۋاغ بوشلۇقى (1.47eV) بولۇپ، 1.55mm دولقۇن ئۇزۇنلۇقى دائىرىسىدە سۈمۈرۈلمەيدۇ. ساپ ئېلېكترون ئوكۇلى شەرتى ئاستىدا، نېپىز In0.52Al0.48As ئېپىتاكسىيال قەۋىتىنىڭ كۆپەيتىش قەۋىتى سۈپىتىدە InP غا قارىغاندا ياخشىراق كۈچەيتىش خۇسۇسىيىتىگە ئىگە بولىدىغانلىقىغا دائىر دەلىللەر بار.

(6)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs ۋە InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
ماتېرىياللارنىڭ سوقۇلۇش ئىئونلىشىش سۈرئىتى APD نىڭ ئىقتىدارىغا تەسىر كۆرسىتىدىغان مۇھىم ئامىل. نەتىجىلەر شۇنى كۆرسىتىپ بېرىدۇكى، InGaAs (P) /InAlAs ۋە In (Al) GaAs/InAlAs ئۈستۈنكى تور قۇرۇلمىسىنى كىرگۈزۈش ئارقىلىق كۆپەيتكۈچ قەۋەتنىڭ سوقۇلۇش ئىئونلىشىش سۈرئىتىنى ياخشىلىغىلى بولىدۇ. ئۈستۈنكى تور قۇرۇلمىسىنى ئىشلىتىش ئارقىلىق، تور قۇرۇلمىسىنى لايىھىلەش ئۆتكۈزۈش بەلبېغى بىلەن ۋالېنس بەلبېغى قىممىتى ئوتتۇرىسىدىكى ئاسسىمېترىك تور گىرۋىكىنىڭ ئۈزۈلۈشچانلىقىنى سۈنئىي كونترول قىلالايدۇ ۋە ئۆتكۈزۈش بەلبېغىنىڭ ئۈزۈلۈشچانلىقىنىڭ ۋالېنس بەلبېغىنىڭ ئۈزۈلۈشچانلىقىدىن (ΔEc>>ΔEv) خېلى چوڭ بولۇشىغا كاپالەتلىك قىلالايدۇ. InGaAs كۆپ مىقداردىكى ماتېرىياللارغا سېلىشتۇرغاندا، InGaAs/InAlAs كۋانت قۇدۇقى ئېلېكترون ئىئونلىشىش سۈرئىتى (a) كۆرۈنەرلىك دەرىجىدە ئاشىدۇ، ئېلېكترونلار ۋە تۆشۈكلەر قوشۇمچە ئېنېرگىيەگە ئېرىشىدۇ. ΔEc>>ΔEv سەۋەبىدىن، ئېلېكترونلار ئېرىشكەن ئېنېرگىيە ئېلېكترون ئىئونلىشىش سۈرئىتىنى تۆشۈك ئېنېرگىيەسىنىڭ تۆشۈك ئىئونلىشىش سۈرئىتىگە قوشقان تۆھپىسىدىن (b) خېلىلا كۆپ ئاشۇرىدۇ دەپ مۆلچەرلىگىلى بولىدۇ. ئېلېكترون ئىئونلىشىش سۈرئىتىنىڭ تۆشۈك ئىئونلىشىش سۈرئىتىگە بولغان نىسبىتى (k) ئاشىدۇ. شۇڭلاشقا، يۇقىرى ئۈنۈم-بەلۋاغ كەڭلىكى مەھسۇلاتى (GBW) ۋە تۆۋەن شاۋقۇن ئىقتىدارىغا ئۈستۈنكى تور قۇرۇلمىسىنى قوللىنىش ئارقىلىق ئېرىشكىلى بولىدۇ. قانداقلا بولمىسۇن، k قىممىتىنى ئاشۇرالايدىغان بۇ InGaAs/InAlAs كۋانت قۇدۇق قۇرۇلمىسى APD نى ئوپتىكىلىق قوبۇللىغۇچلارغا قوللىنىش تەس. چۈنكى ئەڭ يۇقىرى جاۋاب قايتۇرۇشقا تەسىر كۆرسىتىدىغان كۆپەيتكۈچ ئامىل كۆپەيتكۈچ شاۋقۇنى بىلەن ئەمەس، بەلكى قاراڭغۇ توك بىلەن چەكلىنىدۇ. بۇ قۇرۇلمىدا، قاراڭغۇ توك ئاساسلىقى تار بەلباغ بوشلۇقىغا ئىگە InGaAs قۇدۇق قەۋىتىنىڭ تونېل تەسىرىدىن كېلىپ چىقىدۇ، شۇڭا كۋانت قۇدۇق قۇرۇلمىسىنىڭ قۇدۇق قەۋىتى سۈپىتىدە InGaAs ئورنىغا InGaAsP ياكى InAlGaAs قاتارلىق كەڭ بەلباغ بوشلۇقى تۆت تەرەپلىك قېتىشمىنى كىرگۈزۈش قاراڭغۇ توكنى باستۇرالايدۇ.