دانلود تحقیق فوتودیودهای آوالانژ (APDS)

APDS سیگنال را در طی فرایند آشکارسازی تقویت می کنند .

آنها از یک اصل مشابه با لوله های «فوتومولتی پلایر» بکار رفته در آشکارسازی تشعشع هسته ای استفاده می کنند .

در لوله فوتومولتی پلایر :

1-یک فوتون واحد که بر روی دستگاه عمل می کند یک الکترون واحد منتشر می نماید .

2-این الکترون از طریق یک میدان الکتریکی شتاب داده می شود تا اینکه به یک ماده هدف برخورد نماید .

3-این برخورد با هدف باعث «فیلتراسیون ضربه ای» می شود که الکترون‌های متعددی را منتشر می نماید .

4-این الکترون ها از طریق میدان شتاب می گیرند و به هدف دیگر می‌خورند .

5-این امر الکترون بیشتری منتشر می کند و فرایند تکرار می شود تا اینکه الکترون ها به یک عنصر جمع آوری کننده برخورد می کند .

لذا ، طی مراحل گوناگون ، یک فوتون به یک جریان از الکترون ها منجر می شود .

APD ها با لوله های فوتومولتی پلایر فرق دارند .

لوله‌های‌فوتومولتی‌‌ پلایر‌

لوله های خلاء با هدف هایی قرار گرفته در طول لوله می باشند .

APD‌ها از همان اصول استفاده می کنند اما تکثیر در داخل خود ماده نیمه هادی صورت می گیرد .

این فرایند در APD ها منجر به یک تقویت داخلی بین 7 تا 100 برابر می شود .

هر دو الکترون و سوراخ ها (حفره ها) اکنون می توانند به فرایند تقویت کمک نمایند .

با این حال ، یک مسئله کوچک وجود دارد .

با نگاه به   آشکار می شود که وقتی یک الکترون یک اتم را یونیزه می‌کند یک الکترون اضافی و حفره اضافی تولید می شود .

الکترون به طرف چپ عکس حرکت می کند و حفره به سمت راست می رود .

اگر حفره در اتم یونیزه شود یک الکترون (و یک حفره) آزاد می کند و الکترون به چپ حرکت می کند و دوباره شروع می نماید !‌

اگر سوراخ ها و حفره ها دارای فرصت برابر برای یونیزاسیون باشند می‌توانیم یک بهمن کنترل نشده بدست آوریم که هرگز متوقف نمی شود !

بنابراین وسایل طوری ساخته می شوند که یکی از حاملان بار دارای یک استعداد و آمادگی بیشتری برای یونیزاسیون نسبت به دیگری باشند .

نتیجه فرایند فوق آن است که یک فوتون وارد شونده منفرد بتواند منجر به تولید بین 10 تا 100 و یا چندین جفت حفره - الکترون شود .

موارد مهم درباره دستگاه فوق الذکر آن است که ناحیه تکثیر خیلی کوچک است و جذب داخل لایه n بجای نزدیک به اتصال رخ دهد .

یعنی ، جذب و تکثیر در نواحی جداگانه ای صورت می گیرند .

شکل 103 را ملاحظه کنید .

دو عامل مهم وجود دارد : 1-استحکام میدان الکتریکی مورد نیاز خیلی بالا است() .

در حضور چنین میدان قوی ای ، نقائص در ناحیه تکثیر (مثل عدم انطباق های شبکه ای ، ناخالصی ها و حتی تغییرات در غلظت دو پانت) می توانند تولید نواحی کوچکی از تکثیر کنترل شده موسوم به «میکروپلازماسی» نمایند .

برای کنترل این پدیده ناحیه تکثیر لازم است کوچک باشد .

برای ایمنی این امر، حلقه محافظ فوق الذکر نصب شده است .

در اطراف لبه های ناحیه تکثیر شما می توانید بی نظمی هایی و نقائصی را در ماده ببینید .

بدون حلقه محافظ این موارد بصورت محل هایی برای میکروپلازماس عمل می کنند .

بعلاوه ، برای ایجاد یک میدان الکتریکی با استحکام لازم ما لازم است یک ولتاژ بایاس کاربردی بکار بریم که با ضخامت ناحیه تکثیر افزایش می یابد .

(برای دو برابر ضخامن ناحیه - دو برابر ولتاژ کاربردی مورد نیاز خواهد بود ) .

دمای ولتاژها (ولتاژهای بالاتر از 12 ولت) گران قیمت بوده و به سختی در دستگاه‌های نیمه هادی کنترل می شوند و بنابراین سعی می کنیم ولتاژ کاربردی را حداقل نماییم ) .

یک APD یک دیود P-i-n با یک بایاس معکوس بسیار بالاست .

یک بایاس معکوس 50 ولت برای این دستگاه ها در مقایسه با دیودهای p-i-n بکار رفته در مورد فوتوکانداکتیو ، مناسب است که بایاس معکوس شده برای حدود 3 ولت است .(یا کمتر)

در گذشته ، APD ها در بازار به بایاس معکوس چند صد ولت نیاز داشتند اگرچه اخیراً‌ ولتاژهای کمتری بدست آمده اند .

تفاوت ساختاری اصلی بین APD و یک دیود p-i-n در ناحیه «i» است که نام گذاری مجدد لایه p گرفته است .

و بویژه ضخیم تر از یک ناحیه است و دستگاه برای تضمین یک میدان الکتریکی یکنواخت در کل لایه طراحی می شود .

حلقه محافظ در این شکل برای جلوگیری از تعامل (اندرکش) های ناخواسته در طرف لبه های ناحیه تکثیر می باشد .

دستگاه به این صورت عمل می کند :

فوتون های ورودی عمدتاً از اتصال n-p عبور می کنند (چون خیلی نازک است ) و در لایه ها جذب می شوند .

این جذب کننده یک الکترون آزاد در نوار باند هادی تولید می کند و یک حفره در باند والانس (ظرفیت) تولید می گردد .

پتانسیل الکتریکی در لایه n برای جذب الکترون ها به طرف یک کنتاکت و حفره به طرف کنتاکت دیگر ، کافی است .

در شکل الکترون ها به طرف لایه n+ در بالای دستگاه جذب می شوند زیرا وقتی دستگاه بایاس معکوس می‌شود بار مثبت را حمل می کند .

گرادیان پتانسیل در لایه n برای حامل های کاربرها بار کافی نیست و آنها نمی توانند انرژی کافی برای انجام تکثیر را بدست آورند .

اطراف اتصال بین لایه های n+ و p میدان الکتریکی بقدری شدید است که حاملان بار (در این مورد فقط الکترون ها) شتاب سریع می گیرند و انرژی را بر می دارند .

وقتی این الکترون ها (در حال حرکت با انرژی زیاد) با سایر اتم‌ها در شبکه برخورد می کنند جفت های حفره - الکترون جدید تولید می‌‌کنند .

این فرایند یونیزاسیون ضربه ای نام دارد و حاملان بار منفی که جدیداً آزاد شده اند(الکترون ها و حفره ها هر دو) شتاب می گیرند (در جهات مخالف) و ممکن است مجدداً برخورد نمایند .

بدلایل فوق ناحیه اتصال خیلی نازک است و نمی تواند فوتون های برخوردی بسیاری را جذب نماید .

بسیاری از APD ها طوری طراحی می شوند که لایه تهی سازی در کل ناحیه p تا مرز ناحیه n ادامه می یابد .

مواد مختلفی برای هر کدام از سه نوار باند طول موج مهم بکار برده می شوند :

مواد مختلفی برای هر کدام از سه نوار باند طول موج مهم بکار برده می شوند : nm800 برای باند میکرون : در این باند سیلیکون معمولاً بکار می رود ، اگرچه ژرمانیوم نیز بطور معقول منطقی و خوب کار می کند .

دستگاه های ژرمانیوم سطوح نویز بالاتر از دستگاه های سیلیکونی تولید می کنند .

سیلیکون دارای یک انرژی فاصله باند نسبتاً زیاد بوده و فط برای طول موج های کمتر از حدود 1 میکرون بکار می رود .

در عمل ، طول موج های کوتاه فقط برای ارتباطات فاصله کوتاه (کمتر از 500 متر) مصرف می شوند .

دقیق سازی در چندین فواصل کوتاهی عموماً برای حصول و بهره برداری از حساسیت یک APD کافی نمی باشد .

باند 1310nm : باندی است که با اکثر سیستم های ارتباطات با بعد مسافت طولانی موجود بکار می رود .

APD های ژرمانیوم بطور وسیعی بکار می‌روند ولی آلیاژهی نیمکه هادی 7-111 مصرف زیادی دارند که به دلیل سطوح نویز بالا در ژرمانیوم است .

باند 1250nm : APD های 7-111 بطور وسیعی در باند 1550nm استفاده می شوند .

معمولی ترین سیستم مواد مورد استفاده InEaAs/inp است که کاریر اصلی حفره ها هستند (نه الکترون ها) خصوصیات APD : حساسیت ، سرعت عملکرد ، تولید پهنای باند - و سطح نویز آنهاست .

حساسیت APD ها : دلیل اصلی برای استفاده از آنها است .

سرعت عمل کردن : همان عوامل محدود کننده سرعت دیودهای p-i-n بر روی APD ها تاثیر می گذارند .

با این حال ، با APD ها یک عامل دیگر وجود دارد .

«زمان برپایی بهمن» چون هر دو حامل می توانند یونیزاسیون ایجاد کنند یک بهمن مدت طولانی می‌‌تواند دوام داشته باشد .

این امر توسط حرکت پس و پیش الکترون ها و حفره ها ایجاد می شود وقتی که یونیزاسیون ها رخ می دهند .

اگر آمادگی برای یونیزاسیون در حامل بار اقلیت نسبتاً کم باشد ، آوالانژ آهسته خواهد شد و متوقف می گردد .

اما این امر مدتی طول می کشد .

لذا زمان ایجاد برپایی آوالانژ ، سرعت حداکثر APD را محدود می کند .

تولید پهنای باند - عابدی : مقدار قابل قبول «خوبی» یک فوتودتکتور محصول پهنای باند عایدی است.

این امر معمولاً بصورت یک عدد دریافتی بر حسب dB خوب در پهنای باند و دتکتور (آشکارساز) بر حسب Ghz بیان می شود (سریعترین سرعت که می‌تواند آشکار شود ) .

یک APD جریان خوب ممکن است دارای یک تولید پهنای باند دریافتی باشد .

نویز : APD ها عموماً نویزی هستند هنگامی که پدیده تکثیر برای تمام الکترون شامل موارد آزاد شده توسط حرارت محیط بکار می روند .

این امر بویژه یک مشکل در دستگاههای با طول موج بلندتر است .

در جایی که انرژی فاصله باند کم باشد .

در طراحی دستگاه ها باید شیب پتانسیل برای تکثیر کافی باشد ، اما بیشتر از مقدار لازم نباشد .

مقادیر بیشتر بایاس می تواند باعث یونیزاسیون خودبخود گردد .

در فواصل بسیار طولانی ، کاربردهای ناحیه وسیع در جایی که حساسیت مهمتر از سایر عوامل است .

APD معمولاً استفاده می شود .

وقتی سرعت زیاد می شود و سیستم تقویت شده وارد می‌شوند ، نویز تولید شده توسط APD ها یک محدودیت می گردد .

در این سیستم ها مردم از آشکارسازهای p-i-n با تقویت کننده هایی استفاده می کنند تا شما حساسیت بیشتر از یک APD و یک نویز بسیار کمتر را بدست آورید .

فوتودتکتورهای رابط - هترو : از مواد موجود ، APD های تهیه شده با سیلیکون دارای بهترین پاسخ هستند و کمترین نویز را دارند و ودریافتی بالایی بدست می آید .

ولی ، سیلیکون نمی تواند در طول موج های بلندتر از 7 میکرون آشکار می گردد که بدلیل انرژی فاصله باند آن است و نمی تواند نور را در طول موج های بلند جذب کند (اگر می توانستیم به کریستال سیلیکون با چشم های 1500 نانومتری نگاه کنیم چیزی شبیه به یک الماس و شفافیت با یک R1 را می دیدیم ) .

ایده یک APD هتروجانکشن عبارت اند از تعویض ماده سیلیکون لایه tp ماده ای است که نور را در باندهای طول موج زیاد جذب کند.

In Ga As یک چنین ماده ای است .

میدان های الکتریکی در داخل دستگاه طوری نصب می شوند که آشکارسازی در ماده In Ga As رخ دهد ولی تکثیر فقط در لایه i سیلیکون مجاز است (حداقل سازی نویز) درخشندگی می تواند از هر دو طرف باشد اگرچه درخشندگی درون ماده زمینه (سیلیکون) عموماً ترجیح داده می شود .

مشکل بزرگ آن است که چگونه شبکه های لایه i Si و In Ga As را تطبیق دهیم .

این امر با یک فرایند «فیوژن ویفر» انجام شده است .

دستگاه حاصل یک فوتو دتکتور رابط - هترو سیلیکون نام داشته است.(Ship) این ساختار یک تولید پهنای باند - دریافتی بالاتر را با نویز کمتر از APD های موجود فراهم می کند یک تولید 350GHz گزارش شده است .

در حال حاضر این دستگاه ها در تحقیق می باشند اما محصولات تجاری بزودی وارد بازار می شوند .

فوتودتکتورهای موج -در حال حرکت - وقتی شما سعی می کنید یک p-i-n بسازید آشکارساز با سرعت بالا کار می کند و مسائلی جدی بوجود می آید .

حداکثر فرکانش پاسخ توسط زمان جایجایی ، نفوذ حفره ها و الکترون ها در لایه i تعیین می شود .

(جابجایی و نفوذ به مهاجرت یک حامل بار در لایه i کمک می کند ) جایجایی و نفود آهسته هستند و زمان کمی برای دستگاه طول می کشد تا به یک پالس نور پاسخ دهند .

برای سریعتر کار کردن دستگاه ، شما باید ضخامت لایه i را کم کنید .

اما کاهش ضخامت لایه i تاثیرات کاپاستیانس بین لایه p و لایه n را زیاد می کند.

این کاپاتیانس زیاد شده باعث آهسته شدن پاسخ دستگاه می گردد .

برای شمارش کاپاتیانس افزایش یافته شما باید مساحت سطح دستگاه را کم کنید .

لذا وقتی دستگاه سریعتر می شود باید خیلی کوچکتر گردد و وقتی کوچکتر می شود جریان کمتری تولید می کند .

شکل 104 ، تاثیر یک کاهش جدی در راندمان کوانتوم (QE) آشکارسازهای p-i-n در سرعت های بالاتر از ملاحظه می گردد .

این کاهش راندمان علاوه بر کاهش طبیعی در سرعت های بالا است ؛ کاهش «طبیعی» راندمان در سرعت های بالاتر رخ می دهد زیرا یک آشکارساز به یک سری فوتون برای آشکار کردن نیاز دارد .

وقتی سرعت مضاعف می شود تعداد فوتون های لازم یکسان باقی می ماند .

لذا برای حصول همان سطح خروجی از یک آشکارساز هر وقت که سرعت دو برابر می شود ، آشکارساز حساسیت اش نصف می شود!

لذا برای حضول همان BER شما لازم است تا قدرت را در آشکارساز مضاعف نمایید هر زمان که شما سرعت را مضاعف نمایید (سایر موارد ثابت می باشد.) پاسخ به کاهش راندمان کوانتوم ، ایجاد آشکارساز بصورت یک دستگاه انتقال موج است .

اصول این دستگاه در شکل 105 دیده می شود .

تعدادی از آشکارسازهای p-i-n بصورت یک راهنمای موج نوری یکپارچه می شوند طوری که نور جذب شده در یک مورد در مورد دیگر حرکت می کند .

اگر خروجی ها با هم وصل می شوند .

شما بهبود زیادی را بدست می آورید زیرا خروجی در زمان های مختلف می آید که بستگی به زمان رسیدن نور به دستگاه دارد .

در ترکیب بندی Tw ، نور ورودی به راهنمای موج در طرف چپ دستگاه با آشکارسازهای p-i-n یکی پس از دیگری برخورد می کند .

هر آشکارساز دارای یک تقویت کننده یکپارچه ماده در این ترکیب بندی است .

خروجی آشکارسازها بر روی راهنمای موج الکتریکی قرار دارد که بر روی آن سیگنال موج در همان جهت سیگنال نوری حرکت می نماید .

ایده کلی ، انطباق سرعت انتشار نور در راهنمای موج با سرعت انتشار الکتریکی در راهنمای موج الکتریکی است .

لذا ، خروجی ها تمام آشکارسازها اضافه می‌گردد .

هنگکامی که هر آشکارساز ، سیگنال خروجی خودش را بر روی راهنمای موج قرار می دهد .

یک تلاش طراحی برای انطباق سرعت انتشار الکترونیک با مورد نوری وجود دارد اما می تواند انجام شود .

وسایلی مانند این ، به شما یک راندمان کوانتم خوب بصورت یک دیود p-i-n در سرعتهای پایین تر را نمی دهد .

با این حال ، دستگاه موج در حال حرکت یک اصلاح چشمگیر در QE را نسبت به دیودهای p-i-n در سرعت های بسیار بالا فراهم می نمایند (دو برابر یا سه برابر) فوتودتکتورهای حفره - رزونانت) یک روش دستگاه های موج انتقالی برای حصول راندمان کوانتم بالا در سرعت های بسیار بالا در فوتودتکتور حفره - واریانت (RECAP) در شکل 106 دیده می شود .

یک حفره FP یک حفره رزونانت است و بسیار انتخاب گر طول موج می باشد ، یعنی یک فیلتر انتخابی طول موج می باشد .

بنابراین این نوع از آشکارساز ویژه طول موج می تواند در جایی کانند یکدمولتی پلکسور WDM بکار برود .

دستگاه های برای باند طول موج nm1550 به سختی ساخته می شوند زیرا سیستم Inp/In Ga As باید بکار برود و این امر مراحل کنتراست RI خیلی کم را می دهد که با آن ها آینه ها را بسازند .

مقاله مورتازا 1996 ساختن یک دستگاه RECAP با یک راندمان کوانتم 48% را شرح می دهد .

فوتو ترانزیستورها : این حقیقت که ترانزیستورهای سنتی (ترانزیستورهای دو قطبی یا BJT ها) به نور حساس هستند از زمانی که اختراع شدند معروف بوده است .

این یکی از دلایلی است که آنها معمولاً در قوطی های محکم و سبک آب بندی می شوند ، زیرا نور ناخواسته یک منبع نویز است .

فوتوترانزیستورها خیلی شبیه به BJT های معمولی هستند .

بغیر از اینکه آنها برای استفاده بصورت‌ آشکارساز طراحی می شوند .

ترانزیستورها تقویت کننده هایی هستند و در یک فوتوترانزیستور دریافتی تقویت کننده توسط مقدار نوری که به دستگاه برخورد می نماید کنترل می‌شود .

عمل یک BJT در A.1.7 شرح داده می شود (ترانزیستور BJT صفحه 557) .

نوری که وارد دستگاه می شود ، جذب می گردد و زوج های حامل بار را در محل های متفاوت تولید می کند .

عمل متفاوت است و بستگی به این دارد که در کجا زوج های حامل بار ایجاد شوند .

با این حال ، در یک فوتوترانزیستور ، جذب در ناحیه تهی سازی بین امیتر و بیس رخ می دهد .

ایجاد حامل های بار در اینجا باعث یک جریان در مدار E-B می شود که سپس توسط عمل ترانزیستور دستگاه تقویت می شود .

اینها نویز کمتر و خروجی بالاتر APD دارند ، اما پاسخ دهی کمتر از APD یا دیودهای p-i-n دارند .

مشکل عمده با فوتوترانزیستورها ، مواد است ما علاقه داریم که از سیلیکون یا گالیوم آرسیند استفاده کنیم اما اینها دارای انرژی فاصله باند بسیار زیاد بوده و به آشکارسازی طول موج های کوتاهتر از حدود 1 میکرون محدود می‌شوند .

ژرمانیوم در باند قابل کاربرد است .

اما در حالیکه ایجاد ترانزیستورها با مواد فاصله باند کوچکتر امکان پذیر است (مثل p 100) هیچ فن آوری تثبیت شده ای چنین کاری انجام نمی دهد .

این امر از مزیت هزینه بالقوه در ناحیه 1550 بهره مند می باشد .

کاربرد عمده فوتوترانزیستورها در کاربردهای غیرارتباطات با استفاده از نور مرئی است .

سیستم های هشدار دهنده و کنترل از راه دور برار مجموعه های TV و اتومبیل ها کاربرد متداول دارند .فوتوترانزیستورها معمولاً به صورت بخشی از یک مدار یکپارچه ساخته می شوند .

در این ترکیب بندی آنها به آشکارسازهای پیش تقویت کننده یکپارچه معروف هستند (IPD ها).