Fotodetektory a mezní vlnové délky

Fotodetektorya mezní vlnové délky

Tento článek se zaměřuje na materiály a principy fungování fotodetektorů (zejména na mechanismus odezvy založený na pásové teorii), jakož i na klíčové parametry a aplikační scénáře různých polovodičových materiálů.
1. Základní princip: Fotodetektor funguje na základě fotoelektrického jevu. Dopadající fotony musí nést dostatečnou energii (větší než šířka zakázaného pásu Eg materiálu) k excitaci elektronů z valenčního pásma do vodivostního pásma a vytvoření detekovatelného elektrického signálu. Energie fotonů je nepřímo úměrná vlnové délce, takže detektor má „mezní vlnovou délku“ (λc) – maximální vlnovou délku, na kterou může reagovat, za níž již nemůže efektivně reagovat. Mezní vlnovou délku lze odhadnout pomocí vzorce λc ≈ 1240/Eg (nm), kde Eg se měří v eV.
2. Klíčové polovodičové materiály a jejich vlastnosti:
Křemík (Si): šířka zakázaného pásma přibližně 1,12 eV, mezní vlnová délka přibližně 1107 nm. Vhodný pro detekci krátkých vlnových délek, například 850 nm, běžně používaný pro propojení vícevidových optických vláken s krátkým dosahem (například v datových centrech).
Arsenid galia (GaAs): šířka zakázaného pásma 1,42 eV, mezní vlnová délka přibližně 873 nm. Vhodný pro vlnové délky 850 nm, lze jej integrovat se světelnými zdroji VCSEL ze stejného materiálu na jednom čipu.
Arsenid india a galia (InGaAs): Šířku zakázaného pásma lze nastavit v rozmezí 0,36–1,42 eV a mezní vlnová délka pokrývá 873–3542 nm. Je to hlavní detektorový materiál pro optická komunikační okna s vlnovými délkami 1310 nm a 1550 nm, ale vyžaduje substrát InP a jeho integrace s obvody na bázi křemíku je složitá.
Germanium (Ge): s šířkou zakázaného pásma přibližně 0,66 eV a mezní vlnovou délkou přibližně 1879 nm. Může pokrývat 1550 nm až 1625 nm (pásmo L) a je kompatibilní s křemíkovými substráty, což z něj činí proveditelné řešení pro prodloužení odezvy na dlouhá pásma.
Slitina křemíku a germania (například Si0,5Ge0,5): šířka zakázaného pásma přibližně 0,96 eV, mezní vlnová délka přibližně 1292 nm. Dopováním germania do křemíku lze vlnovou délku odezvy rozšířit na delší pásma na křemíkovém substrátu.
3. Asociace aplikačních scénářů:
Pásmo 850 nm:Křemíkové fotodetektorynebo lze použít fotodetektory GaAs.
Pásmo 1310/1550 nm:InGaAs fotodetektoryse používají hlavně. Fotodetektory z čistého germania nebo křemíkové germániové slitiny mohou také pokrýt tento rozsah a mají potenciální výhody při integraci na bázi křemíku.

Celkově byly prostřednictvím základních konceptů teorie pásem a mezní vlnové délky systematicky zhodnoceny aplikační charakteristiky a rozsah pokrytí vlnových délek různých polovodičových materiálů ve fotodetektorech a byl zdůrazněn úzký vztah mezi výběrem materiálu, vlnovým délkovým oknem optické komunikace a náklady na integrační proces.