หลักการและสถานการณ์ปัจจุบันของเครื่องตรวจจับหิมะถล่ม (เครื่องตรวจจับภาพ APD) ภาคสอง
2.2 โครงสร้างชิป APD
โครงสร้างชิปที่เหมาะสมเป็นการรับประกันพื้นฐานของอุปกรณ์ประสิทธิภาพสูง การออกแบบโครงสร้างของ APD พิจารณาค่าคงที่ของเวลา RC การจับรูที่เฮเทอโรจันก์ชัน เวลาขนส่งของพาหะผ่านบริเวณการพร่อง เป็นต้น การพัฒนาโครงสร้างสรุปได้ดังนี้:
(1) โครงสร้างพื้นฐาน
โครงสร้าง APD ที่ง่ายที่สุดนั้นใช้ PIN photodiode เป็นพื้นฐาน โดยบริเวณ P และบริเวณ N จะถูกเจือปนอย่างหนัก และบริเวณ N-type หรือ P-type จะถูกใส่เข้าไปในบริเวณ P หรือบริเวณ N ที่อยู่ติดกันเพื่อสร้างอิเล็กตรอนรองและคู่โฮล เพื่อให้สามารถขยายโฟโตเคอร์เรนต์หลักได้ สำหรับวัสดุซีรีส์ InP เนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์การแตกตัวของผลกระทบจากโฮลมีค่ามากกว่าค่าสัมประสิทธิ์การแตกตัวของผลกระทบจากอิเล็กตรอน บริเวณเกนของการเจือปนแบบ N จึงมักจะถูกวางไว้ในบริเวณ P ในสถานการณ์ที่เหมาะสม จะมีการฉีดเฉพาะโฮลเข้าไปในบริเวณเกน ดังนั้นโครงสร้างนี้จึงเรียกว่าโครงสร้างที่ฉีดโฮล
(2) การดูดซึมและการได้รับแตกต่างกัน
เนื่องจากลักษณะแบนด์แก๊ปที่กว้างของ InP (InP คือ 1.35eV และ InGaAs คือ 0.75eV) จึงมักใช้ InP เป็นวัสดุของโซนเกน และใช้ InGaAs เป็นวัสดุของโซนการดูดกลืน
(3) เสนอโครงสร้างการดูดซับ การไล่ระดับ และการขยาย (SAGM) ตามลำดับ
ปัจจุบัน อุปกรณ์ APD เชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่ใช้วัสดุ InP/InGaAs โดย InGaAs เป็นชั้นดูดซับ InP ภายใต้สนามไฟฟ้าแรงสูง (>5x105V/cm) โดยไม่เกิดการพังทลาย สามารถใช้เป็นวัสดุโซนเกนได้ สำหรับวัสดุนี้ การออกแบบ APD นี้คือกระบวนการถล่มเกิดขึ้นใน InP ชนิด N โดยการชนกันของรู เมื่อพิจารณาถึงความแตกต่างอย่างมากในแบนด์แก๊ประหว่าง InP และ InGaAs ความแตกต่างของระดับพลังงานประมาณ 0.4eV ในแบนด์วาเลนซ์ทำให้รูที่เกิดขึ้นในชั้นดูดซับ InGaAs ถูกปิดกั้นที่ขอบเฮเทอโรจันก์ชันก่อนจะไปถึงชั้นตัวคูณ InP และความเร็วจะลดลงอย่างมาก ส่งผลให้เวลาตอบสนองยาวนานและแบนด์วิดท์แคบของ APD นี้ ปัญหานี้สามารถแก้ไขได้โดยการเพิ่มชั้นทรานสิชั่น InGaAsP ระหว่างวัสดุทั้งสอง
(4) เสนอโครงสร้างการดูดซับ การไล่ระดับ การชาร์จ และการขยาย (SAGCM) ตามลำดับ
เพื่อปรับการกระจายสนามไฟฟ้าของชั้นการดูดซับและชั้นเกนให้ดีขึ้นอีก จึงได้นำชั้นประจุเข้าไปในการออกแบบอุปกรณ์ ซึ่งจะช่วยปรับปรุงความเร็วและการตอบสนองของอุปกรณ์ได้อย่างมาก
(5) โครงสร้าง SAGCM ที่ได้รับการปรับปรุงเรโซเนเตอร์ (RCE)
ในการออกแบบเครื่องตรวจจับแบบดั้งเดิมที่เหมาะสมที่สุดข้างต้น เราต้องเผชิญกับความจริงที่ว่าความหนาของชั้นการดูดซับเป็นปัจจัยที่ขัดแย้งกันสำหรับความเร็วของอุปกรณ์และประสิทธิภาพควอนตัม ความหนาบางของชั้นการดูดซับสามารถลดเวลาการขนส่งของพาหะได้ ดังนั้นจึงสามารถรับแบนด์วิดท์ขนาดใหญ่ได้ อย่างไรก็ตาม ในเวลาเดียวกัน เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพควอนตัมที่สูงขึ้น ชั้นการดูดซับจำเป็นต้องมีความหนาที่เพียงพอ วิธีแก้ปัญหานี้อาจใช้โครงสร้างโพรงเรโซแนนซ์ (RCE) กล่าวคือ ได้มีการออกแบบตัวสะท้อนแสงแบร็กก์แบบกระจาย (DBR) ไว้ที่ด้านล่างและด้านบนของอุปกรณ์ กระจก DBR ประกอบด้วยวัสดุสองชนิดที่มีดัชนีการหักเหแสงต่ำและดัชนีการหักเหแสงสูงในโครงสร้าง และทั้งสองชนิดจะเติบโตสลับกัน และความหนาของแต่ละชั้นจะตรงกับความยาวคลื่นแสงตกกระทบ 1/4 ในเซมิคอนดักเตอร์ โครงสร้างเรโซเนเตอร์ของเครื่องตรวจจับสามารถตอบสนองความต้องการด้านความเร็วได้ ความหนาของชั้นการดูดซับสามารถทำให้บางลงได้มาก และประสิทธิภาพควอนตัมของอิเล็กตรอนจะเพิ่มขึ้นหลังจากการสะท้อนหลายครั้ง
(6) โครงสร้างท่อนำคลื่นแบบเชื่อมขอบ (WG-APD)
วิธีแก้ปัญหาอื่นในการแก้ไขข้อขัดแย้งของผลกระทบที่แตกต่างกันของความหนาของชั้นการดูดซับต่อความเร็วของอุปกรณ์และประสิทธิภาพควอนตัมคือการแนะนำโครงสร้างท่อนำคลื่นแบบจับคู่ขอบ โครงสร้างนี้เข้าสู่แสงจากด้านข้าง เนื่องจากชั้นการดูดซับมีความยาวมาก จึงง่ายต่อการได้รับประสิทธิภาพควอนตัมสูง และในขณะเดียวกัน ชั้นการดูดซับก็สามารถทำให้บางมากได้ ซึ่งจะช่วยลดเวลาการขนส่งของพาหะ ดังนั้น โครงสร้างนี้จึงแก้ปัญหาการพึ่งพาแบนด์วิดท์และประสิทธิภาพที่แตกต่างกันบนความหนาของชั้นการดูดซับ และคาดว่าจะบรรลุอัตราสูงและประสิทธิภาพควอนตัม APD สูง กระบวนการของ WG-APD นั้นง่ายกว่า RCE APD ซึ่งขจัดขั้นตอนการเตรียมกระจก DBR ที่ซับซ้อน ดังนั้นจึงเป็นไปได้มากกว่าในสนามปฏิบัติจริงและเหมาะสำหรับการเชื่อมต่อออปติกระนาบทั่วไป
3. บทสรุป
การพัฒนาของหิมะถล่มเครื่องตรวจจับภาพวัสดุและอุปกรณ์ได้รับการตรวจสอบแล้ว อัตราการแตกตัวเป็นไอออนของการชนกันของอิเล็กตรอนและหลุมของวัสดุ InP นั้นใกล้เคียงกับของ InAlAs ซึ่งนำไปสู่กระบวนการคู่ขนานของซิมไบโอนของพาหะทั้งสอง ซึ่งทำให้เวลาในการสร้างหิมะถล่มนานขึ้นและเสียงรบกวนก็เพิ่มขึ้น เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุ InAlAs บริสุทธิ์ โครงสร้างควอนตัมเวลล์ InGaAs (P) /InAlAs และ In (Al) GaAs/InAlAs จะมีอัตราส่วนของสัมประสิทธิ์การแตกตัวเป็นไอออนของการชนกันที่เพิ่มขึ้น ดังนั้นประสิทธิภาพของเสียงรบกวนจึงเปลี่ยนแปลงไปอย่างมาก ในแง่ของโครงสร้าง โครงสร้าง SAGCM ที่เสริมด้วยเรโซเนเตอร์ (RCE) และโครงสร้างท่อนำคลื่นแบบมีขอบคู่ (WG-APD) ได้รับการพัฒนาเพื่อแก้ปัญหาความขัดแย้งของผลกระทบที่แตกต่างกันของความหนาของชั้นการดูดซับต่อความเร็วของอุปกรณ์และประสิทธิภาพควอนตัม เนื่องจากความซับซ้อนของกระบวนการ จึงจำเป็นต้องศึกษาเพิ่มเติมเกี่ยวกับการใช้งานจริงของโครงสร้างทั้งสองนี้
เวลาโพสต์: 14 พ.ย. 2566