Mga photodetector at cutoff wavelength

Mga photodetectorat mga cutoff wavelength

Ang artikulong ito ay nakatuon sa mga materyales at prinsipyo ng paggana ng mga photodetector (lalo na ang mekanismo ng pagtugon batay sa teorya ng banda), pati na rin ang mga pangunahing parametro at mga senaryo ng aplikasyon ng iba't ibang materyales na semiconductor.
1. Pangunahing prinsipyo: Ang photodetector ay gumagana batay sa photoelectric effect. Ang mga incident photon ay kailangang magdala ng sapat na enerhiya (mas malaki kaysa sa lapad ng bandgap na Eg ng materyal) upang ma-excite ang mga electron mula sa valence band patungo sa conduction band, na bumubuo ng isang nade-detect na electrical signal. Ang enerhiya ng photon ay inversely proportional sa wavelength, kaya ang detector ay may "cut-off wavelength" (λc) – ang pinakamataas na wavelength na maaaring tumugon, na lampas dito ay hindi na ito maaaring epektibong tumugon. Ang cutoff wavelength ay maaaring tantyahin gamit ang formula na λc ≈ 1240/Eg (nm), kung saan ang Eg ay sinusukat sa eV.
2. Mga pangunahing materyales na semiconductor at ang kanilang mga katangian:
Silicon (Si): lapad ng bandgap na humigit-kumulang 1.12 eV, cutoff wavelength na humigit-kumulang 1107 nm. Angkop para sa pagtukoy ng maikling wavelength tulad ng 850 nm, karaniwang ginagamit para sa short-range multimode fiber optic interconnection (tulad ng mga data center).
Gallium arsenide (GaAs): lapad ng bandgap na 1.42 eV, cutoff wavelength na humigit-kumulang 873 nm. Angkop para sa 850 nm wavelength band, maaari itong isama sa mga pinagmumulan ng liwanag na VCSEL ng parehong materyal sa isang chip.
Indium gallium arsenide (InGaAs): Ang lapad ng bandgap ay maaaring isaayos sa pagitan ng 0.36~1.42 eV, at ang cutoff wavelength ay sumasaklaw sa 873~3542 nm. Ito ang pangunahing materyal ng detector para sa 1310 nm at 1550 nm fiber communication windows, ngunit nangangailangan ng InP substrate at mahirap i-integrate sa mga silicon-based circuit.
Germanium (Ge): na may lapad ng bandgap na humigit-kumulang 0.66 eV at cutoff wavelength na humigit-kumulang 1879 nm. Maaari itong sumaklaw sa 1550 nm hanggang 1625 nm (L-band) at tugma sa mga silicon substrate, kaya isa itong praktikal na solusyon para sa pagpapahaba ng tugon sa mahahabang banda.
Haluang metal na silicon germanium (tulad ng Si0.5Ge0.5): lapad ng bandgap na humigit-kumulang 0.96 eV, cutoff wavelength na humigit-kumulang 1292 nm. Sa pamamagitan ng paglalagay ng germanium sa silicon, ang response wavelength ay maaaring mapalawak sa mas mahahabang banda sa silicon substrate.
3. Pag-uugnay ng senaryo ng aplikasyon:
850 nm na banda:Mga photodetector ng silikono maaaring gumamit ng mga GaAs photodetector.
1310/1550 nm na banda:Mga photodetector ng InGaAsay pangunahing ginagamit. Maaari ring saklawin ng mga photodetector na purong germanium o silicon germanium alloy ang saklaw na ito at may mga potensyal na bentahe sa integrasyong nakabatay sa silicon.

Sa pangkalahatan, sa pamamagitan ng mga pangunahing konsepto ng band theory at cutoff wavelength, ang mga katangian ng aplikasyon at saklaw ng saklaw ng wavelength ng iba't ibang materyales ng semiconductor sa mga photodetector ay sistematikong sinuri, at ang malapit na ugnayan sa pagitan ng pagpili ng materyal, window ng wavelength ng komunikasyon ng fiber optic, at gastos sa proseso ng integrasyon ay naituro.