Ffotosynwyryddion a thonfeddi torri

Ffotosynwyryddiona thonfeddi torri

Mae'r erthygl hon yn canolbwyntio ar ddeunyddiau ac egwyddorion gweithio ffotosynhwyryddion (yn enwedig y mecanwaith ymateb yn seiliedig ar theori band), yn ogystal â'r paramedrau allweddol a senarios cymhwysiad gwahanol ddeunyddiau lled-ddargludyddion.
1. Egwyddor graidd: Mae'r ffotosynhwyrydd yn gweithredu yn seiliedig ar yr effaith ffotodrydanol. Mae angen i'r ffotonau digwyddiadol gario digon o egni (yn fwy na lled bwlch band Eg y deunydd) i gyffroi electronau o'r band falens i'r band dargludiad, gan ffurfio signal trydanol canfyddadwy. Mae egni ffoton yn gymesur yn wrthdro â'r donfedd, felly mae gan y synhwyrydd "donfedd torri" (λ c) - y donfedd uchaf y gall ymateb, y tu hwnt i'r donfedd honno ni all ymateb yn effeithiol. Gellir amcangyfrif y donfedd torri gan ddefnyddio'r fformiwla λ c ≈ 1240/Eg (nm), lle mae Eg yn cael ei fesur mewn eV.
2. Deunyddiau lled-ddargludyddion allweddol a'u nodweddion:
Silicon (Si): lled bwlch band o tua 1.12 eV, tonfedd torri o tua 1107 nm. Addas ar gyfer canfod tonfedd fer fel 850 nm, a ddefnyddir yn gyffredin ar gyfer rhyng-gysylltu ffibr optig amlfodd amrediad byr (megis canolfannau data).
Galliwm arsenid (GaAs): lled bwlch band o 1.42 eV, tonfedd torri o tua 873 nm. Yn addas ar gyfer y band tonfedd 850 nm, gellir ei integreiddio â ffynonellau golau VCSEL o'r un deunydd ar un sglodion.
Indiwm galliwm arsenid (InGaAs): Gellir addasu lled y bwlch band rhwng 0.36 ~ 1.42 eV, ac mae'r donfedd torri yn cwmpasu 873 ~ 3542 nm. Dyma'r deunydd synhwyrydd prif ffrwd ar gyfer ffenestri cyfathrebu ffibr 1310 nm a 1550 nm, ond mae angen swbstrad InP arno ac mae'n gymhleth i'w integreiddio â chylchedau sy'n seiliedig ar silicon.
Germaniwm (Ge): gyda lled bwlch band o tua 0.66 eV a thonfedd torri o tua 1879 nm. Gall gwmpasu 1550 nm i 1625 nm (band-L) ac mae'n gydnaws â swbstradau silicon, gan ei wneud yn ateb ymarferol ar gyfer ymestyn ymateb i fandiau hir.
Aloi germaniwm silicon (fel Si0.5Ge0.5): lled bwlch band o tua 0.96 eV, tonfedd torri o tua 1292 nm. Drwy ddopio germaniwm mewn silicon, gellir ymestyn y donfedd ymateb i fandiau hirach ar y swbstrad silicon.
3. Cysylltiad senario cymhwysiad:
Band 850 nm:Ffotosynhwyryddion siliconneu gellir defnyddio ffotosynhwyryddion GaAs.
Band 1310/1550 nm:Ffotosynhwyryddion InGaAsyn cael eu defnyddio'n bennaf. Gall ffotosynhwyryddion aloi germaniwm pur neu silicon germaniwm hefyd gwmpasu'r ystod hon ac mae ganddynt fanteision posibl mewn integreiddio sy'n seiliedig ar silicon.

At ei gilydd, trwy gysyniadau craidd damcaniaeth band a thonfedd torri, mae nodweddion y cymhwysiad ac ystod gorchudd tonfedd gwahanol ddeunyddiau lled-ddargludyddion mewn ffotosynhwyryddion wedi'u hadolygu'n systematig, ac mae'r berthynas agos rhwng dewis deunydd, ffenestr tonfedd cyfathrebu ffibr optig, a chost y broses integreiddio wedi'i nodi.