پورتال جامع دلتا

APDS سيگنال را در طي فرايند آشكارسازي تقويت مي كنند . آنها از يك اصل مشابه با لوله هاي «فوتومولتي پلاير» بكار رفته در آشكارسازي تشعشع هسته اي استفاده مي كنند . در لوله فوتومولتي پلاير : 

1-يك فوتون واحد كه بر روي دستگاه عمل مي كند يك الكترون واحد منتشر مي نمايد . 

2-اين الكترون از طريق يك ميدان الكتريكي شتاب داده مي شود تا اينكه به يك ماده هدف برخورد نمايد .

3-اين برخورد با هدف باعث «فيلتراسيون ضربه اي» مي شود كه الكترون‌هاي متعددي را منتشر مي نمايد . 

4-اين الكترون ها از طريق ميدان شتاب مي گيرند و به هدف ديگر مي‌خورند . 

5-اين امر الكترون بيشتري منتشر مي كند و فرايند تكرار مي شود تا اينكه الكترون ها به يك عنصر جمع آوري كننده برخورد مي كند . لذا ، طي مراحل گوناگون ، يك فوتون به يك جريان از الكترون ها منجر مي شود . 

APD ها با لوله هاي فوتومولتي پلاير فرق دارند . لوله‌هاي‌فوتومولتي‌‌ پلاير‌ 

لوله هاي خلاء با هدف هايي قرار گرفته در طول لوله مي باشند . APD‌ها از همان اصول استفاده مي كنند اما تكثير در داخل خود ماده نيمه هادي صورت مي گيرد . اين فرايند در APD ها منجر به يك تقويت داخلي بين 7 تا 100 برابر مي شود . هر دو الكترون و سوراخ ها (حفره ها) اكنون مي توانند به فرايند تقويت كمك نمايند . با اين حال ، يك مسئله كوچك وجود دارد . با نگاه به   آشكار مي شود كه وقتي يك الكترون يك اتم را يونيزه مي‌كند يك الكترون اضافي و حفره اضافي توليد مي شود . الكترون به طرف چپ عكس حركت مي كند و حفره به سمت راست مي رود . اگر حفره در اتم يونيزه شود يك الكترون (و يك حفره) آزاد مي كند و الكترون به چپ حركت مي كند و دوباره شروع مي نمايد !‌

اگر سوراخ ها و حفره ها داراي فرصت برابر براي يونيزاسيون باشند مي‌توانيم يك بهمن كنترل نشده بدست آوريم كه هرگز متوقف نمي شود ! بنابراين وسايل طوري ساخته مي شوند كه يكي از حاملان بار داراي يك استعداد و آمادگي بيشتري براي يونيزاسيون نسبت به ديگري باشند . 

نتيجه فرايند فوق آن است كه يك فوتون وارد شونده منفرد بتواند منجر به توليد بين 10 تا 100 و يا چندين جفت حفره - الكترون شود . موارد مهم درباره دستگاه فوق الذكر آن است كه ناحيه تكثير خيلي كوچك است و جذب داخل لايه n بجاي نزديك به اتصال رخ دهد . يعني ، جذب و تكثير در نواحي جداگانه اي صورت مي گيرند . شكل 103 را ملاحظه كنيد . دو عامل مهم وجود دارد : 1-استحكام ميدان الكتريكي مورد نياز خيلي بالا است( ) . در حضور چنين ميدان قوي اي ، نقائص در ناحيه تكثير (مثل عدم انطباق هاي شبكه اي ، ناخالصي ها و حتي تغييرات در غلظت دو پانت) مي توانند توليد نواحي كوچكي از تكثير كنترل شده موسوم به «ميكروپلازماسي» نمايند . براي كنترل اين پديده ناحيه تكثير لازم است كوچك باشد . براي ايمني اين امر، حلقه محافظ فوق الذكر نصب شده است . در اطراف لبه هاي ناحيه تكثير شما مي توانيد بي نظمي هايي و نقائصي را در ماده ببينيد . بدون حلقه محافظ اين موارد بصورت محل هايي براي ميكروپلازماس عمل مي كنند . بعلاوه ، براي ايجاد يك ميدان الكتريكي با استحكام لازم ما لازم است يك ولتاژ باياس كاربردي بكار بريم كه با ضخامت ناحيه تكثير افزايش مي يابد . (براي دو برابر ضخامن ناحيه - دو برابر ولتاژ كاربردي مورد نياز خواهد بود ) . دماي ولتاژها (ولتاژهاي بالاتر از 12 ولت) گران قيمت بوده و به سختي در دستگاه‌هاي نيمه هادي كنترل مي شوند و بنابراين سعي مي كنيم ولتاژ كاربردي را حداقل نماييم ) . يك APD يك ديود P-i-n با يك باياس معكوس بسيار بالاست . يك باياس معكوس 50 ولت براي اين دستگاه ها در مقايسه با ديودهاي p-i-n بكار رفته در مورد فوتوكانداكتيو ، مناسب است كه باياس معكوس شده براي حدود 3 ولت است .(يا كمتر) 

در گذشته ، APD ها در بازار به باياس معكوس چند صد ولت نياز داشتند اگرچه اخيراً‌ ولتاژهاي كمتري بدست آمده اند . تفاوت ساختاري اصلي بين APD و يك ديود p-i-n در ناحيه «i» است كه نام گذاري مجدد لايه p گرفته است . و بويژه ضخيم تر از يك ناحيه است و دستگاه براي تضمين يك ميدان الكتريكي يكنواخت در كل لايه طراحي مي شود . حلقه محافظ در اين شكل براي جلوگيري از تعامل (اندركش) هاي ناخواسته در طرف لبه هاي ناحيه تكثير مي باشد . دستگاه به اين صورت عمل مي كند : 

فوتون هاي ورودي عمدتاً از اتصال n-p عبور مي كنند (چون خيلي نازك است ) و در لايه ها جذب مي شوند . اين جذب كننده يك الكترون آزاد در نوار باند هادي توليد مي كند و يك حفره در باند والانس (ظرفيت) توليد مي گردد . 

پتانسيل الكتريكي در لايه n براي جذب الكترون ها به طرف يك كنتاكت و حفره به طرف كنتاكت ديگر ، كافي است . در شكل الكترون ها به طرف لايه n+ در بالاي دستگاه جذب مي شوند زيرا وقتي دستگاه باياس معكوس مي‌شود بار مثبت را حمل مي كند . گراديان پتانسيل در لايه n براي حامل هاي كاربرها بار كافي نيست و آنها نمي توانند انرژي كافي براي انجام تكثير را بدست آورند . 

اطراف اتصال بين لايه هاي n+ و p ميدان الكتريكي بقدري شديد است كه حاملان بار (در اين مورد فقط الكترون ها) شتاب سريع مي گيرند و انرژي را بر مي دارند . وقتي اين الكترون ها (در حال حركت با انرژي زياد) با ساير اتم‌ها در شبكه برخورد مي كنند جفت هاي حفره - الكترون جديد توليد مي‌‌كنند . اين فرايند يونيزاسيون ضربه اي نام دارد و حاملان بار منفي كه جديداً آزاد شده اند(الكترون ها و حفره ها هر دو) شتاب مي گيرند (در جهات مخالف) و ممكن است مجدداً برخورد نمايند . 

بدلايل فوق ناحيه اتصال خيلي نازك است و نمي تواند فوتون هاي برخوردي بسياري را جذب نمايد . 

بسياري از APD ها طوري طراحي مي شوند كه لايه تهي سازي در كل ناحيه p تا مرز ناحيه n ادامه مي يابد . مواد مختلفي براي هر كدام از سه نوار باند طول موج مهم بكار برده مي شوند :

nm800  براي باند ميكرون : 

در اين باند سيليكون معمولاً بكار مي رود ، اگرچه ژرمانيوم نيز بطور معقول منطقي و خوب كار مي كند . دستگاه هاي ژرمانيوم سطوح نويز بالاتر از دستگاه هاي سيليكوني توليد مي كنند . سيليكون داراي يك انرژي فاصله باند نسبتاً زياد بوده و فط براي طول موج هاي كمتر از حدود 1 ميكرون بكار مي رود . در عمل ، طول موج هاي كوتاه فقط براي ارتباطات فاصله كوتاه (كمتر از 500 متر) مصرف مي شوند . دقيق سازي در چندين فواصل كوتاهي عموماً براي حصول و بهره برداري از حساسيت يك APD كافي نمي باشد . 

باند 1310nm : باندي است كه با اكثر سيستم هاي ارتباطات با بعد مسافت طولاني موجود بكار مي رود . APD هاي ژرمانيوم بطور وسيعي بكار مي‌روند ولي آلياژهي نيمكه هادي 7-111 مصرف زيادي دارند كه به دليل سطوح نويز بالا در ژرمانيوم است . 

باند 1250nm : APD هاي 7-111 بطور وسيعي در باند 1550nm استفاده مي شوند . معمولي ترين سيستم مواد مورد استفاده InEaAs/inp   است كه كارير اصلي حفره ها هستند (نه الكترون ها) 

خصوصيات APD : حساسيت ، سرعت عملكرد ، توليد پهناي باند - و سطح نويز آنهاست . 

حساسيت APD ها : دليل اصلي براي استفاده از آنها است . 

سرعت عمل كردن : همان عوامل محدود كننده سرعت ديودهاي p-i-n  بر روي APD ها تاثير مي گذارند . 

با اين حال ، با APD ها يك عامل ديگر وجود دارد . «زمان برپايي بهمن» چون هر دو حامل مي توانند يونيزاسيون ايجاد كنند يك بهمن مدت طولاني مي‌‌تواند دوام داشته باشد . اين امر توسط حركت پس و پيش الكترون ها و حفره ها ايجاد مي شود وقتي كه يونيزاسيون ها رخ مي دهند . اگر آمادگي براي يونيزاسيون در حامل بار اقليت نسبتاً كم باشد ، آوالانژ آهسته خواهد شد و متوقف مي گردد . اما اين امر مدتي طول مي كشد . لذا زمان ايجاد برپايي آوالانژ ، سرعت حداكثر APD را محدود مي كند . 

توليد پهناي باند - عابدي : 

مقدار قابل قبول «خوبي» يك فوتودتكتور محصول پهناي باند عايدي است. اين امر معمولاً بصورت يك عدد دريافتي بر حسب dB خوب در پهناي باند و دتكتور (آشكارساز) بر حسب Ghz بيان مي شود (سريعترين سرعت كه مي‌تواند آشكار شود ) . يك APD جريان خوب ممكن است داراي يك توليد پهناي باند دريافتي   باشد . 

نويز : APD ها عموماً نويزي هستند هنگامي كه پديده تكثير براي تمام الكترون شامل موارد آزاد شده توسط حرارت محيط بكار مي روند . اين امر بويژه يك مشكل در دستگاههاي با طول موج بلندتر است . در جايي كه انرژي فاصله باند كم باشد . در طراحي دستگاه ها بايد شيب پتانسيل براي تكثير كافي باشد ، اما بيشتر از مقدار لازم نباشد . مقادير بيشتر باياس مي تواند باعث يونيزاسيون خودبخود گردد . در فواصل بسيار طولاني ، كاربردهاي ناحيه وسيع در جايي كه حساسيت مهمتر از ساير عوامل است . APD معمولاً استفاده مي شود . وقتي سرعت زياد مي شود و سيستم تقويت شده وارد مي‌شوند ، نويز توليد شده توسط APD ها يك محدوديت مي گردد . در اين سيستم ها مردم از آشكارسازهاي p-i-n با تقويت كننده هايي استفاده مي كنند تا شما حساسيت بيشتر از يك APD و يك نويز بسيار كمتر را بدست آوريد . 

فوتودتكتورهاي رابط - هترو : از مواد موجود ، APD هاي تهيه شده با سيليكون داراي بهترين پاسخ هستند و كمترين نويز را دارند و ودريافتي بالايي بدست مي آيد . ولي ، سيليكون نمي تواند در طول موج هاي بلندتر از 7 ميكرون آشكار مي گردد كه بدليل انرژي فاصله باند آن است و نمي تواند نور را در طول موج هاي بلند جذب كند (اگر مي توانستيم به كريستال سيليكون با چشم هاي 1500 نانومتري نگاه كنيم چيزي شبيه به يك الماس و شفافيت با يك R1 را مي ديديم ) . ايده يك APD هتروجانكشن عبارت اند از تعويض ماده سيليكون لايه tp ماده اي است كه نور را در باندهاي طول موج زياد جذب كند. In Ga As يك چنين ماده اي است . ميدان هاي الكتريكي در داخل دستگاه طوري نصب مي شوند كه آشكارسازي در ماده In Ga As رخ دهد ولي تكثير فقط در لايه i سيليكون مجاز است (حداقل سازي نويز) درخشندگي مي تواند از هر دو طرف باشد اگرچه درخشندگي درون ماده زمينه (سيليكون) عموماً ترجيح داده مي شود . مشكل بزرگ آن است كه چگونه شبكه هاي لايه i    Si و In Ga As را تطبيق دهيم . اين امر با يك فرايند «فيوژن ويفر» انجام شده است . دستگاه حاصل يك فوتو دتكتور رابط - هترو سيليكون نام داشته است.(Ship) اين ساختار يك توليد پهناي باند - دريافتي بالاتر را با نويز كمتر از APD هاي موجود فراهم مي كند يك توليد 350GHz گزارش شده است . در حال حاضر اين دستگاه ها در تحقيق مي باشند اما محصولات تجاري بزودي وارد بازار مي شوند . فوتودتكتورهاي موج -در حال حركت - وقتي شما سعي مي كنيد يك p-i-n بسازيد آشكارساز با سرعت بالا كار مي كند و مسائلي جدي بوجود مي آيد . حداكثر فركانش پاسخ توسط زمان جايجايي ، نفوذ حفره ها و الكترون ها در لايه i تعيين مي شود . (جابجايي و نفوذ به مهاجرت يك حامل بار در لايه i كمك مي كند ) جايجايي و نفود آهسته هستند و زمان كمي براي دستگاه طول مي كشد تا به يك پالس نور پاسخ دهند . براي سريعتر كار كردن دستگاه ، شما بايد ضخامت لايه i را كم كنيد . اما كاهش ضخامت لايه i  تاثيرات كاپاستيانس بين لايه p و لايه n را زياد مي كند. اين كاپاتيانس زياد شده باعث آهسته شدن پاسخ دستگاه مي گردد . براي شمارش كاپاتيانس افزايش يافته شما بايد مساحت سطح دستگاه را كم كنيد . لذا وقتي دستگاه سريعتر مي شود بايد خيلي كوچكتر گردد و وقتي كوچكتر مي شود جريان كمتري توليد مي كند . شكل 104 ، تاثير يك كاهش جدي در راندمان كوانتوم (QE) آشكارسازهاي p-i-n در سرعت هاي بالاتر از   ملاحظه مي گردد . اين كاهش راندمان علاوه بر كاهش طبيعي در سرعت هاي بالا است ؛ كاهش «طبيعي» راندمان در سرعت هاي بالاتر رخ مي دهد زيرا يك آشكارساز به يك سري فوتون براي آشكار كردن نياز دارد . وقتي سرعت مضاعف مي شود تعداد فوتون هاي لازم يكسان باقي مي ماند . لذا براي حصول همان سطح خروجي از يك آشكارساز هر وقت كه سرعت دو برابر مي شود ، آشكارساز حساسيت اش نصف مي شود! لذا براي حضول همان BER شما لازم است تا قدرت را در آشكارساز مضاعف نماييد هر زمان كه شما سرعت را مضاعف نماييد (ساير موارد ثابت مي باشد.) پاسخ به كاهش راندمان كوانتوم ، ايجاد آشكارساز بصورت يك دستگاه انتقال موج است . 

اصول اين دستگاه  در شكل 105 ديده مي شود . تعدادي از آشكارسازهاي p-i-n بصورت يك راهنماي موج نوري يكپارچه مي شوند طوري كه نور جذب شده در يك مورد در مورد ديگر حركت مي كند . اگر خروجي ها با هم وصل مي شوند . شما بهبود زيادي را بدست مي آوريد زيرا خروجي در زمان هاي مختلف مي آيد كه بستگي به زمان رسيدن نور به دستگاه دارد . در تركيب بندي Tw ، نور ورودي به راهنماي موج در طرف چپ دستگاه با آشكارسازهاي p-i-n يكي پس از ديگري برخورد مي كند . هر آشكارساز داراي يك تقويت كننده يكپارچه ماده در اين تركيب بندي است . خروجي آشكارسازها بر روي راهنماي موج الكتريكي قرار دارد كه بر روي آن سيگنال موج در همان جهت سيگنال نوري حركت مي نمايد . ايده كلي ، انطباق سرعت انتشار نور در راهنماي موج با سرعت انتشار الكتريكي در راهنماي موج الكتريكي است . لذا ، خروجي ها تمام آشكارسازها اضافه مي‌گردد . هنگكامي كه هر آشكارساز ، سيگنال خروجي خودش را بر روي راهنماي موج قرار مي دهد . 

يك تلاش طراحي براي انطباق سرعت انتشار الكترونيك با مورد نوري وجود دارد اما مي تواند انجام شود . وسايلي مانند اين ، به شما يك راندمان كوانتم خوب بصورت يك ديود p-i-n در سرعتهاي پايين تر را نمي دهد . با اين حال ، دستگاه موج در حال حركت يك اصلاح چشمگير در QE را نسبت به ديودهاي p-i-n در سرعت هاي بسيار بالا فراهم مي نمايند (دو برابر يا سه برابر) فوتودتكتورهاي حفره - رزونانت) يك روش دستگاه هاي موج انتقالي براي حصول راندمان كوانتم بالا در سرعت هاي بسيار بالا در فوتودتكتور حفره - واريانت (RECAP) در شكل 106 ديده مي شود . يك حفره FP يك حفره رزونانت است و بسيار انتخاب گر طول موج مي باشد ، يعني يك فيلتر انتخابي طول موج مي باشد . بنابراين اين نوع از آشكارساز ويژه طول موج مي تواند در جايي كانند يكدمولتي پلكسور WDM بكار برود . دستگاه هاي براي باند طول موج nm1550 به سختي ساخته مي شوند زيرا سيستم Inp/In Ga As بايد بكار برود و اين امر مراحل كنتراست RI  خيلي كم را مي دهد كه با آن ها آينه ها را بسازند . مقاله مورتازا 1996 ساختن يك دستگاه RECAP با يك راندمان كوانتم 48% را شرح مي دهد . 

فوتو ترانزيستورها : اين حقيقت كه ترانزيستورهاي سنتي (ترانزيستورهاي دو قطبي يا BJT ها) به نور حساس هستند از زماني كه اختراع شدند معروف بوده است . اين يكي از دلايلي است كه آنها معمولاً در قوطي هاي محكم و سبك آب بندي مي شوند ، زيرا نور ناخواسته يك منبع نويز است . فوتوترانزيستورها خيلي شبيه به BJT هاي معمولي هستند . بغير از اينكه آنها براي استفاده بصورت‌ آشكارساز طراحي مي شوند . ترانزيستورها تقويت كننده هايي هستند و در يك فوتوترانزيستور دريافتي تقويت كننده توسط مقدار نوري كه به دستگاه برخورد مي نمايد كنترل مي‌شود . عمل يك BJT در A.1.7 شرح داده مي شود (ترانزيستور BJT صفحه 557) . نوري كه وارد دستگاه مي شود ، جذب مي گردد و زوج هاي حامل بار را در محل هاي متفاوت توليد مي كند . عمل متفاوت است و بستگي به اين دارد كه در كجا زوج هاي حامل بار ايجاد شوند . با اين حال ، در يك فوتوترانزيستور ، جذب در ناحيه تهي سازي بين اميتر و بيس رخ مي دهد . ايجاد حامل هاي بار در اينجا باعث يك جريان در مدار E-B مي شود كه سپس توسط عمل ترانزيستور دستگاه تقويت مي شود . اينها نويز كمتر و خروجي بالاتر APD دارند ، اما پاسخ دهي كمتر از APD يا ديودهاي p-i-n دارند . مشكل عمده با فوتوترانزيستورها ، مواد است ما علاقه داريم كه از سيليكون يا گاليوم آرسيند استفاده كنيم اما اينها داراي انرژي فاصله باند بسيار زياد بوده و به آشكارسازي طول موج هاي كوتاهتر از حدود 1 ميكرون محدود مي‌شوند . ژرمانيوم در باند   قابل كاربرد است . 

اما در حاليكه ايجاد ترانزيستورها با مواد فاصله باند كوچكتر امكان پذير است (مثل p 100) هيچ فن آوري تثبيت شده اي چنين كاري انجام نمي دهد . اين امر از مزيت هزينه بالقوه در ناحيه 1550 بهره مند مي باشد . كاربرد عمده فوتوترانزيستورها در كاربردهاي غيرارتباطات با استفاده از نور مرئي است . سيستم هاي هشدار دهنده و كنترل از راه دور برار مجموعه هاي TV و اتومبيل ها كاربرد متداول دارند .فوتوترانزيستورها معمولاً به صورت بخشي از يك مدار يكپارچه ساخته مي شوند . در اين تركيب بندي آنها به آشكارسازهاي پيش تقويت كننده يكپارچه معروف هستند (IPD ها).