หลักการและสถานการณ์ปัจจุบันของเครื่องตรวจจับภาพหิมะถล่ม (เครื่องตรวจจับแสง APD) ส่วนที่สอง
2.2 โครงสร้างชิป APD
โครงสร้างชิปที่เหมาะสมคือการรับประกันพื้นฐานของอุปกรณ์ประสิทธิภาพสูง การออกแบบโครงสร้างของ APD ส่วนใหญ่จะพิจารณาค่าคงที่เวลา RC, การจับรูที่ทางแยกเฮเทอโร, เวลาการขนส่งของผู้ให้บริการผ่านบริเวณพร่องและอื่น ๆ การพัฒนาโครงสร้างสรุปได้ดังนี้:
(1) โครงสร้างพื้นฐาน
โครงสร้าง APD ที่ง่ายที่สุดนั้นมีพื้นฐานมาจากโฟโตไดโอด PIN ส่วนบริเวณ P และบริเวณ N นั้นมีการเจืออย่างหนัก และบริเวณชนิด N-type หรือ P-type ที่ขับไล่ได้สองเท่านั้นถูกนำมาใช้ในบริเวณ P หรือบริเวณ N ที่อยู่ติดกันเพื่อสร้างอิเล็กตรอนและรูทุติยภูมิ คู่เพื่อที่จะตระหนักถึงการขยายของโฟโตปัจจุบันหลัก สำหรับวัสดุซีรีส์ InP เนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์ไอออไนเซชันของการกระแทกของรูมีค่ามากกว่าค่าสัมประสิทธิ์ไอออไนเซชันของการกระแทกของอิเล็กตรอน พื้นที่ได้รับของการเติมชนิด N มักจะถูกวางไว้ในภูมิภาค P ในสถานการณ์ที่เหมาะสม เฉพาะรูเท่านั้นที่ถูกฉีดเข้าไปในบริเวณเกน ดังนั้นโครงสร้างนี้จึงเรียกว่าโครงสร้างแบบรูฉีด
(2) การดูดซึมและกำไรมีความโดดเด่น
เนื่องจากคุณลักษณะช่องว่างแถบความถี่กว้างของ InP (InP คือ 1.35eV และ InGaAs คือ 0.75eV) โดยปกติแล้ว InP จะถูกใช้เป็นวัสดุโซนเกนและ InGaAs เป็นวัสดุโซนดูดซับ
(3) มีการเสนอโครงสร้างการดูดซับ การไล่ระดับสี และอัตราขยาย (SAGM) ตามลำดับ
ในปัจจุบัน อุปกรณ์ APD เชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่ใช้วัสดุ InP/InGaAs, InGaAs เป็นชั้นการดูดกลืนแสง, InP ภายใต้สนามไฟฟ้าสูง (>5x105V/cm) โดยไม่มีการแยกส่วน สามารถใช้เป็นวัสดุโซนเกนได้ สำหรับวัสดุนี้ การออกแบบ APD นี้คือกระบวนการหิมะถล่มเกิดขึ้นใน InP ชนิด N โดยการชนกันของรู เมื่อพิจารณาความแตกต่างอย่างมากในช่องว่างแถบระหว่าง InP และ InGaAs ระดับพลังงานที่แตกต่างกันประมาณ 0.4eV ในแถบความจุทำให้รูที่สร้างขึ้นในชั้นการดูดกลืนแสง InGaAs ถูกกีดขวางที่ขอบเฮเทอโรจังก์ชั่นก่อนที่จะถึงชั้นตัวคูณ InP และความเร็วนั้นอย่างมาก ลดลงส่งผลให้เวลาตอบสนองนานและแบนด์วิธที่แคบของ APD นี้ ปัญหานี้สามารถแก้ไขได้โดยการเพิ่มเลเยอร์การเปลี่ยนแปลง InGaAsP ระหว่างวัสดุทั้งสอง
(4) มีการเสนอโครงสร้างการดูดซับ การไล่ระดับสี ประจุ และอัตราขยาย (SAGCM) ตามลำดับ
เพื่อปรับการกระจายสนามไฟฟ้าของชั้นการดูดซับและชั้นเกนเพิ่มเติม ชั้นประจุจึงถูกนำมาใช้ในการออกแบบอุปกรณ์ ซึ่งช่วยเพิ่มความเร็วและการตอบสนองของอุปกรณ์ได้อย่างมาก
(5) โครงสร้าง SAGCM ที่ปรับปรุงด้วยเรโซเนเตอร์ (RCE)
ในการออกแบบเครื่องตรวจจับแบบดั้งเดิมที่เหมาะสมที่สุดข้างต้น เราต้องเผชิญกับความจริงที่ว่าความหนาของชั้นการดูดซับเป็นปัจจัยที่ขัดแย้งกันสำหรับความเร็วของอุปกรณ์และประสิทธิภาพควอนตัม ความหนาบางของชั้นดูดซับสามารถลดเวลาการขนส่งของผู้ให้บริการได้ ดังนั้นจึงสามารถรับแบนด์วิธขนาดใหญ่ได้ อย่างไรก็ตาม ในเวลาเดียวกัน เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพควอนตัมที่สูงขึ้น ชั้นการดูดซับจำเป็นต้องมีความหนาเพียงพอ วิธีแก้ไขปัญหานี้อาจเป็นโครงสร้างช่องเรโซแนนซ์ (RCE) กล่าวคือ ตัวสะท้อนแสง Bragg แบบกระจาย (DBR) ได้รับการออกแบบที่ด้านล่างและด้านบนของอุปกรณ์ กระจก DBR ประกอบด้วยวัสดุสองประเภทที่มีดัชนีการหักเหของแสงต่ำและดัชนีการหักเหของแสงสูงในโครงสร้าง และทั้งสองชนิดจะเติบโตสลับกัน และความหนาของแต่ละชั้นจะตรงกับความยาวคลื่นแสงตกกระทบ 1/4 ในเซมิคอนดักเตอร์ โครงสร้างเรโซเนเตอร์ของเครื่องตรวจจับสามารถตอบสนองความต้องการความเร็ว ความหนาของชั้นการดูดซับสามารถทำให้บางมาก และประสิทธิภาพควอนตัมของอิเล็กตรอนจะเพิ่มขึ้นหลังจากการสะท้อนกลับหลายครั้ง
(6) โครงสร้างท่อนำคลื่นแบบ Edge-Couple (WG-APD)
วิธีแก้ปัญหาอีกวิธีหนึ่งในการแก้ปัญหาความขัดแย้งของผลกระทบที่แตกต่างกันของความหนาของชั้นการดูดซับต่อความเร็วของอุปกรณ์และประสิทธิภาพควอนตัมคือการแนะนำโครงสร้างท่อนำคลื่นแบบควบคู่กับขอบ โครงสร้างนี้เข้าสู่แสงจากด้านข้าง เนื่องจากชั้นการดูดซับมีความยาวมาก จึงง่ายต่อการได้รับประสิทธิภาพควอนตัมสูง และในขณะเดียวกัน ชั้นการดูดซับก็สามารถทำให้บางมากได้ ซึ่งช่วยลดเวลาการขนส่งของพาหะ ดังนั้น โครงสร้างนี้จะแก้ปัญหาการพึ่งพาแบนด์วิดท์และประสิทธิภาพที่แตกต่างกันกับความหนาของชั้นการดูดซับ และคาดว่าจะได้รับ APD ที่มีอัตราสูงและประสิทธิภาพควอนตัมสูง กระบวนการของ WG-APD นั้นง่ายกว่ากระบวนการของ RCE APD ซึ่งช่วยลดขั้นตอนการเตรียมที่ซับซ้อนของมิเรอร์ DBR ดังนั้นจึงมีความเป็นไปได้มากกว่าในทางปฏิบัติและเหมาะสำหรับการเชื่อมต่อแบบออปติกของระนาบทั่วไป
3. บทสรุป
การพัฒนาหิมะถล่มเครื่องตรวจจับแสงมีการตรวจสอบวัสดุและอุปกรณ์ อัตราการไอออไนเซชันของการชนกันของอิเล็กตรอนและรูของวัสดุ InP ใกล้เคียงกับของ InAlAs ซึ่งนำไปสู่กระบวนการสองเท่าของซิมเบียนตัวพาทั้งสอง ซึ่งทำให้เวลาในการสร้างหิมะถล่มนานขึ้นและเสียงก็ดังขึ้น เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุ InAlAs บริสุทธิ์ โครงสร้างหลุมควอนตัม InGaAs (P) /InAlAs และ In (Al) GaAs/InAlAs มีอัตราส่วนที่เพิ่มขึ้นของสัมประสิทธิ์ไอออไนเซชันการชน ดังนั้นประสิทธิภาพของเสียงจึงสามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างมาก ในแง่ของโครงสร้าง โครงสร้าง SAGCM ที่ปรับปรุงด้วยเรโซเนเตอร์ (RCE) และโครงสร้างท่อนำคลื่นแบบ Edge-Couple (WG-APD) ได้รับการพัฒนาขึ้นเพื่อแก้ปัญหาความขัดแย้งของผลกระทบต่างๆ ของความหนาของชั้นการดูดซับที่มีต่อความเร็วของอุปกรณ์และประสิทธิภาพควอนตัม เนื่องจากความซับซ้อนของกระบวนการ จึงจำเป็นต้องมีการสำรวจการใช้งานจริงของโครงสร้างทั้งสองนี้เพิ่มเติม
เวลาโพสต์: 14 พ.ย.-2023