Photodetekteren a Grenzwellenlängten

Fotodetektorenan Ofgrenzungswellenlängten

Dësen Artikel konzentréiert sech op d'Materialien an d'Funktiounsprinzipie vu Photodetekteren (besonnesch de Reaktiounsmechanismus baséiert op der Bandtheorie), souwéi op déi wichtegst Parameteren an Uwendungsszenarie vu verschiddene Hallefleitermaterialien.
1. Kärprinzip: De Photodetektor funktionéiert op Basis vum photoelektreschen Effekt. Déi afalend Photone mussen genuch Energie droen (méi grouss wéi d'Bandlückebreet Eg vum Material), fir Elektronen aus dem Valenzband an d'Leetungsband unzeschalten an doduerch en detektéierbart elektrescht Signal ze bilden. D'Photonenenergie ass ëmgekéiert proportional zur Wellelängt, sou datt den Detektor eng "Grenzwellelängt" (λ c) huet - déi maximal Wellelängt, déi reagéiere kann, iwwer déi e net effektiv reagéiere kann. D'Grenzwellelängt kann mat der Formel λ c ≈ 1240/Eg (nm) geschat ginn, wou Eg an eV gemooss gëtt.
2. Schlëssel Hallefleedermaterialien an hir Charakteristiken:
Silizium (Si): Bandlückebreet vu ronn 1,12 eV, Ofgrenzungswellelängt vu ronn 1107 nm. Gëeegent fir d'Detektioun vu kuerze Wellelängten, wéi z. B. 850 nm, gëtt dacks fir d'Verbindung vu kuerze Multimode-Glasfaseren (wéi z. B. Datenzentren) benotzt.
Galliumarsenid (GaAs): Bandlückebreet vun 1,42 eV, Grenzwellelängt vun ongeféier 873 nm. Gëeegent fir de Wellelängteband vun 850 nm, kann et mat VCSEL-Liichtquellen aus dem selwechte Material op engem eenzege Chip integréiert ginn.
Indium-Galliumarsenid (InGaAs): D'Bandlückebreet kann tëscht 0,36~1,42 eV ugepasst ginn, an d'Grenzwellelängt deckt 873~3542 nm of. Et ass dat Mainstream-Detektormaterial fir 1310 nm an 1550 nm Glasfaserkommunikatiounsfënsteren, awer et erfuerdert en InP-Substrat an ass komplex fir d'Integratioun mat Silizium-baséierte Schaltungen.
Germanium (Ge): mat enger Bandlückebreet vu ronn 0,66 eV an enger Ofgrenzungswellelängt vu ronn 1879 nm. Et kann e Beräich vun 1550 nm bis 1625 nm (L-Band) ofdecken an ass kompatibel mat Siliziumsubstrater, wat et zu enger machbarer Léisung mécht fir d'Reaktioun op laang Bänner ze verlängeren.
Silizium-Germanium-Legierung (wéi Si0.5Ge0.5): Bandlückebreet vu ronn 0,96 eV, Grenzwellelängt vu ronn 1292 nm. Duerch Dotierung vu Germanium a Silizium kann d'Äntwertwellelängt op méi laang Bänner um Siliziumsubstrat verlängert ginn.
3. Associatioun vum Applikatiounsszenario:
850 nm Band:Silizium-Fotodetektorenoder GaAs Photodetektoren kënne benotzt ginn.
1310/1550 nm Band:InGaAs Photodetektorenginn haaptsächlech benotzt. Photodetektoren aus purem Germanium oder Silizium-Germaniumlegierung kënnen och dëse Beräich ofdecken an hunn potenziell Virdeeler an der Integratioun op Siliziumbasis.

Am Allgemengen goufen, duerch d'Kärkonzepter vun der Bandtheorie an der Ofgrenzungswellelängt, d'Applikatiounseigenschaften an de Wellelängteofdeckungsberäich vu verschiddene Hallefleitmaterialien a Photodetekteren systematesch iwwerpréift, an déi enk Bezéiung tëscht der Materialauswiel, der Wellelängtefenster vum Glasfaserkommunikatioun an de Käschte vum Integratiounsprozess gouf ervirgehuewen.