Fotodetectoare și lungimi de undă tăiate

Fotodetectoareși lungimi de undă de tăiere

Acest articol se concentrează pe materialele și principiile de funcționare ale fotodetectorilor (în special mecanismul de răspuns bazat pe teoria benzilor), precum și pe parametrii cheie și scenariile de aplicare ale diferitelor materiale semiconductoare.
1. Principiul de bază: Fotodetectorul funcționează pe baza efectului fotoelectric. Fotonii incidenți trebuie să transporte suficientă energie (mai mare decât lățimea benzii interzise Eg a materialului) pentru a excita electronii din banda de valență în banda de conducție, formând un semnal electric detectabil. Energia fotonilor este invers proporțională cu lungimea de undă, astfel încât detectorul are o „lungime de undă limită” (λc) - lungimea de undă maximă la care poate răspunde, dincolo de care nu poate răspunde eficient. Lungimea de undă limită poate fi estimată folosind formula λc ≈ 1240/Eg (nm), unde Eg se măsoară în eV.
2. Materiale semiconductoare cheie și caracteristicile acestora:
Siliciu (Si): lățime a benzii interzise de aproximativ 1,12 eV, lungime de undă de tăiere de aproximativ 1107 nm. Potrivit pentru detectarea lungimilor de undă scurte, cum ar fi 850 nm, utilizat în mod obișnuit pentru interconectarea multimodă cu fibră optică pe rază scurtă de acțiune (cum ar fi centrele de date).
Arseniură de galiu (GaAs): lățime a benzii interzise de 1,42 eV, lungime de undă limită de aproximativ 873 nm. Potrivită pentru banda de lungimi de undă de 850 nm, poate fi integrată cu surse de lumină VCSEL din același material pe un singur cip.
Arseniură de indiu-galiu (InGaAs): Lățimea benzii interzise poate fi ajustată între 0,36~1,42 eV, iar lungimea de undă de tăiere acoperă 873~3542 nm. Este materialul principal de detector pentru ferestrele de comunicație cu fibră optică de 1310 nm și 1550 nm, dar necesită un substrat InP și este complex de integrat cu circuite pe bază de siliciu.
Germaniu (Ge): cu o lățime a benzii interzise de aproximativ 0,66 eV și o lungime de undă de tăiere de aproximativ 1879 nm. Poate acoperi între 1550 nm și 1625 nm (banda L) și este compatibil cu substraturile de siliciu, ceea ce îl face o soluție fezabilă pentru extinderea răspunsului la benzi lungi.
Aliaj de siliciu-germaniu (cum ar fi Si0.5Ge0.5): lățime a benzii interzise de aproximativ 0,96 eV, lungime de undă de tăiere de aproximativ 1292 nm. Prin doparea germaniului în siliciu, lungimea de undă de răspuns poate fi extinsă la benzi mai lungi pe substratul de siliciu.
3. Asocierea scenariilor de aplicație:
Banda de 850 nm:Fotodetectoare de siliciusau se pot utiliza fotodetectori din GaAs.
Banda 1310/1550 nm:Fotodetectoare InGaAssunt utilizate în principal. Fotodetectoarele din germaniu pur sau aliaj de germaniu și siliciu pot acoperi, de asemenea, acest interval și prezintă avantaje potențiale în integrarea pe bază de siliciu.

În general, prin intermediul conceptelor de bază ale teoriei benzilor și lungimii de undă de tăiere, au fost revizuite sistematic caracteristicile aplicației și intervalul de acoperire a lungimilor de undă ale diferitelor materiale semiconductoare în fotodetectoare și a fost evidențiată relația strânsă dintre selecția materialului, fereastra de lungime de undă a comunicării prin fibră optică și costul procesului de integrare.