အကျဉ်းချုပ်- avalanche photodetector ၏ အခြေခံဖွဲ့စည်းပုံနှင့် အလုပ်လုပ်ပုံနိယာမ (APD အလင်းရှာဖွေကိရိယာ) ကို မိတ်ဆက်ပြီး၊ ကိရိယာဖွဲ့စည်းပုံ၏ ဆင့်ကဲဖြစ်စဉ်ကို ခွဲခြမ်းစိတ်ဖြာပြီး၊ လက်ရှိသုတေသနအခြေအနေကို အကျဉ်းချုပ်ကာ APD ၏ အနာဂတ်ဖွံ့ဖြိုးတိုးတက်မှုကို ရှေ့ရှုလေ့လာသည်။
၁။ မိတ်ဆက်
ဖိုတိုဒတ်တာဆိုသည်မှာ အလင်းအချက်ပြမှုများကို လျှပ်စစ်အချက်ပြမှုများအဖြစ် ပြောင်းလဲပေးသည့် ကိရိယာတစ်ခုဖြစ်သည်။တစ်ပိုင်းလျှပ်ကူးပစ္စည်း အလင်းရှာဖွေစက်၊ အဖြစ်အပျက်ဖိုတွန်မှလှုံ့ဆော်ပေးသော ဓာတ်ပုံထုတ်လုပ်သည့် carrier သည် အသုံးချ bias voltage အောက်တွင် external circuit ထဲသို့ဝင်ရောက်ပြီး တိုင်းတာနိုင်သော photocurrent ကိုဖွဲ့စည်းသည်။ အမြင့်ဆုံးတုံ့ပြန်မှုတွင်ပင် PIN photodiode သည် အများဆုံး electron-hole pair တစ်စုံကိုသာ ထုတ်လုပ်နိုင်ပြီး ၎င်းသည် internal gain မပါဝင်သော device တစ်ခုဖြစ်သည်။ ပိုမိုကောင်းမွန်သောတုံ့ပြန်မှုအတွက် avalanche photodiode (APD) ကို အသုံးပြုနိုင်သည်။ photocurrent ပေါ်တွင် APD ၏ amplification effect သည် ionization collision effect ပေါ်တွင်အခြေခံသည်။ အချို့သောအခြေအနေများတွင်၊ အရှိန်မြှင့်ထားသော electron များနှင့် holes များသည် electron-hole pair တစ်စုံအသစ်ကိုထုတ်လုပ်ရန် lattice နှင့်တိုက်မိရန် လုံလောက်သောစွမ်းအင်ကိုရရှိနိုင်သည်။ ဤလုပ်ငန်းစဉ်သည် chain reaction တစ်ခုဖြစ်သောကြောင့် အလင်းစုပ်ယူမှုမှထုတ်လုပ်သော electron-hole pair တစ်စုံသည် electron-hole pair အများအပြားကိုထုတ်လုပ်နိုင်ပြီး ကြီးမားသော secondary photocurrent ကိုဖွဲ့စည်းနိုင်သည်။ ထို့ကြောင့် APD တွင် responsiveness နှင့် internal gain မြင့်မားပြီး device ၏ signal-to-noise ratio ကိုတိုးတက်စေသည်။ APD ကို အဓိကအားဖြင့် အကွာအဝေးရှည် သို့မဟုတ် သေးငယ်သော optical fiber ဆက်သွယ်ရေးစနစ်များတွင် ရရှိသော optical power တွင် အခြားကန့်သတ်ချက်များရှိသည်။ လက်ရှိတွင်၊ အလင်းပညာကိရိယာကျွမ်းကျင်သူများစွာသည် APD ၏ အလားအလာများအပေါ် အလွန်အကောင်းမြင်နေကြပြီး ဆက်စပ်နယ်ပယ်များ၏ နိုင်ငံတကာယှဉ်ပြိုင်နိုင်စွမ်းကို မြှင့်တင်ရန်အတွက် APD ၏ သုတေသနသည် လိုအပ်သည်ဟု ယုံကြည်ကြသည်။
၂။ နည်းပညာဖွံ့ဖြိုးတိုးတက်မှုနှင်းထုပြိုကျမှု ဓာတ်ပုံထောက်လှမ်းကိရိယာ(APD အလင်းရှာဖွေကိရိယာ)
၂.၁ ပစ္စည်းများ
(၁)Si ဖိုတိုထောက်လှမ်းကိရိယာ
Si ပစ္စည်းနည်းပညာသည် မိုက်ခရိုအီလက်ထရွန်းနစ်နယ်ပယ်တွင် ကျယ်ကျယ်ပြန့်ပြန့်အသုံးပြုသည့် ရင့်ကျက်သောနည်းပညာတစ်ခုဖြစ်သော်လည်း၊ optical communication နယ်ပယ်တွင် ယေဘုယျအားဖြင့်လက်ခံထားသော 1.31mm နှင့် 1.55mm wavelength အတိုင်းအတာရှိ device များပြင်ဆင်ရန်အတွက် မသင့်တော်ပါ။
(၂) ဂျီ
Ge APD ၏ spectral response သည် optical fiber transmission တွင် ဆုံးရှုံးမှုနည်းပြီး dispersion နည်းသော လိုအပ်ချက်များအတွက် သင့်လျော်သော်လည်း၊ ပြင်ဆင်မှုလုပ်ငန်းစဉ်တွင် အခက်အခဲများစွာရှိပါသည်။ ထို့အပြင်၊ Ge ၏ electron နှင့် hole ionization rate ratio သည် () 1 နှင့် နီးကပ်သောကြောင့် မြင့်မားသော performance APD devices များကို ပြင်ဆင်ရန် ခက်ခဲပါသည်။
(၃)In0.53Ga0.47As/InP
APD ၏ အလင်းစုပ်ယူမှုအလွှာအဖြစ် In0.53Ga0.47As ကို ရွေးချယ်ပြီး မြှောက်ကိန်းအလွှာအဖြစ် InP ကို ရွေးချယ်ခြင်းသည် ထိရောက်သောနည်းလမ်းတစ်ခုဖြစ်သည်။ In0.53Ga0.47As ပစ္စည်း၏ စုပ်ယူမှုအထွတ်အထိပ်သည် 1.65mm၊ 1.31mm၊ 1.55mm လှိုင်းအလျားသည် 104cm-1 မြင့်မားသော စုပ်ယူမှုကိန်းဖြစ်ပြီး လက်ရှိတွင် အလင်းရှာဖွေစက်၏ စုပ်ယူမှုအလွှာအတွက် ဦးစားပေးပစ္စည်းဖြစ်သည်။
(၄)InGaAs အလင်းရှာဖွေကိရိယာ/အတွင်းဓာတ်ပုံရှာဖွေကိရိယာ
InGaAsP ကို အလင်းစုပ်ယူသည့်အလွှာအဖြစ်နှင့် InP ကို မြှောက်ကိန်းအလွှာအဖြစ် ရွေးချယ်ခြင်းဖြင့် 1-1.4mm တုံ့ပြန်မှုလှိုင်းအလျား၊ မြင့်မားသော ကွမ်တမ်ထိရောက်မှု၊ နိမ့်သော မှောင်မိုက်လျှပ်စီးကြောင်းနှင့် မြင့်မားသော avalanche gain ရှိသော APD ကို ပြင်ဆင်နိုင်ပါသည်။ မတူညီသော သတ္တုစပ်အစိတ်အပိုင်းများကို ရွေးချယ်ခြင်းဖြင့် သတ်မှတ်ထားသော လှိုင်းအလျားများအတွက် အကောင်းဆုံးစွမ်းဆောင်ရည်ကို ရရှိစေပါသည်။
(၅) InGaAs/InAlAs
In0.52Al0.48As ပစ္စည်းသည် band gap (1.47 eV) ရှိပြီး 1.55 မီလီမီတာ wavelength အကွာအဝေးတွင် စုပ်ယူခြင်း မရှိပါ။ ပါးလွှာသော In0.52Al0.48As epitaxial အလွှာသည် သန့်စင်သော အီလက်ထရွန်ထိုးသွင်းမှုအခြေအနေတွင် မြှောက်ကိန်းအလွှာအနေဖြင့် InP ထက် ပိုမိုကောင်းမွန်သော gain ဝိသေသလက္ခဏာများကို ရရှိနိုင်ကြောင်း အထောက်အထားများ ရှိပါသည်။
(၆)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs နှင့် InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
APD ၏ စွမ်းဆောင်ရည်ကို ထိခိုက်စေသော အရေးကြီးသော အချက်တစ်ချက်မှာ ပစ္စည်းများ၏ သက်ရောက်မှု ionization rate ဖြစ်သည်။ ရလဒ်များအရ multiplier layer ၏ collision ionization rate ကို InGaAs (P) /InAlAs နှင့် In (Al) GaAs/InAlAs superlattice structures များကို မိတ်ဆက်ပေးခြင်းဖြင့် တိုးတက်ကောင်းမွန်လာနိုင်ကြောင်း ပြသထားသည်။ superlattice structure ကိုအသုံးပြုခြင်းဖြင့် band engineering သည် conduction band နှင့် valence band တန်ဖိုးများအကြား asymmetric band edge discontinuity ကို လူလုပ်နည်းဖြင့် ထိန်းချုပ်နိုင်ပြီး conduction band discontinuity သည် valence band discontinuity (ΔEc>>ΔEv) ထက် များစွာပိုကြီးကြောင်း သေချာစေသည်။ InGaAs bulk materials များနှင့် နှိုင်းယှဉ်ပါက InGaAs/InAlAs quantum well electron ionization rate (a) သည် သိသိသာသာ တိုးလာပြီး electron များနှင့် holes များသည် အပိုစွမ်းအင်များ ရရှိသည်။ ΔEc>>ΔEv ကြောင့် electron များမှ ရရှိသော စွမ်းအင်သည် hole energy ၏ hole ionization rate ပံ့ပိုးမှုထက် electron ionization rate ကို များစွာတိုးစေသည်ဟု မျှော်လင့်နိုင်သည် (b)။ electron ionization rate နှင့် hole ionization rate ၏ ratio (k) တိုးလာသည်။ ထို့ကြောင့် superlattice ဖွဲ့စည်းပုံများကို အသုံးပြုခြင်းဖြင့် မြင့်မားသော gain-bandwidth product (GBW) နှင့် low noise performance ကို ရရှိနိုင်ပါသည်။ သို့သော် k တန်ဖိုးကို မြှင့်တင်ပေးနိုင်သော ဤ InGaAs/InAlAs quantum well structure APD သည် optical receiver များတွင် အသုံးချရန် ခက်ခဲပါသည်။ ၎င်းမှာ အမြင့်ဆုံး responsiveness ကို သက်ရောက်မှုရှိသော multiplier factor သည် multiplier noise မဟုတ်ဘဲ dark current ကြောင့် ကန့်သတ်ထားသောကြောင့် ဖြစ်သည်။ ဤဖွဲ့စည်းပုံတွင် dark current သည် အဓိကအားဖြင့် ကျဉ်းမြောင်းသော band gap ရှိသော InGaAs well layer ၏ tunneling effect ကြောင့် ဖြစ်ပေါ်လာသောကြောင့် quantum well structure ၏ well layer အဖြစ် InGaAs အစား InGaAsP သို့မဟုတ် InAlGaAs ကဲ့သို့သော wide-band gap quaternary alloy ကို မိတ်ဆက်ခြင်းဖြင့် dark current ကို ဖိနှိပ်နိုင်ပါသည်။
ပို့စ်တင်ချိန်: ၂၀၂၃ ခုနှစ်၊ နိုဝင်ဘာလ ၁၃ ရက်