គោលការណ៍ និងស្ថានភាពបច្ចុប្បន្ននៃឧបករណ៍ចាប់រូបភាពព្រិលធ្លាក់ (ឧបករណ៍ចាប់ពន្លឺ APD) ផ្នែកទីពីរ
2.2 រចនាសម្ព័ន្ធបន្ទះឈីប APD
រចនាសម្ព័ន្ធបន្ទះឈីបសមហេតុផលគឺជាការធានាជាមូលដ្ឋាននៃឧបករណ៍ដែលមានដំណើរការខ្ពស់។ ការរចនារចនាសម្ព័ន្ធរបស់ APD ភាគច្រើនពិចារណាលើថេរពេលវេលា RC ការចាប់យករន្ធនៅ heterojunction ពេលវេលាឆ្លងកាត់ឧបករណ៍ផ្ទុកឆ្លងកាត់តំបន់ depletion និងផ្សេងៗទៀត។ ការអភិវឌ្ឍរចនាសម្ព័ន្ធរបស់វាត្រូវបានសង្ខេបដូចខាងក្រោម៖
(1) រចនាសម្ព័ន្ធមូលដ្ឋាន
រចនាសម្ព័ន្ធ APD ដ៏សាមញ្ញបំផុតគឺផ្អែកលើ photodiode PIN ដែលតំបន់ P និងតំបន់ N ត្រូវបានបញ្ចូលសារធាតុដូបយ៉ាងខ្លាំង ហើយតំបន់ការពារទ្វេដងប្រភេទ N ឬប្រភេទ P ត្រូវបានណែនាំនៅក្នុងតំបន់ P ឬតំបន់ N ដែលនៅជាប់គ្នា ដើម្បីបង្កើតអេឡិចត្រុងបន្ទាប់បន្សំ និងគូរន្ធ ដើម្បីសម្រេចបាននូវការពង្រីកនៃ photocurrent បឋម។ សម្រាប់សម្ភារៈស៊េរី InP ដោយសារតែមេគុណអ៊ីយ៉ូដផលប៉ះពាល់រន្ធធំជាងមេគុណអ៊ីយ៉ូដផលប៉ះពាល់អេឡិចត្រុង តំបន់ទទួលបាននៃសារធាតុដូបប្រភេទ N ជាធម្មតាត្រូវបានដាក់នៅក្នុងតំបន់ P។ ក្នុងស្ថានភាពដ៏ល្អ មានតែរន្ធប៉ុណ្ណោះដែលត្រូវបានចាក់ចូលទៅក្នុងតំបន់ទទួលបាន ដូច្នេះរចនាសម្ព័ន្ធនេះត្រូវបានគេហៅថារចនាសម្ព័ន្ធចាក់រន្ធ។
(2) ការស្រូបយក និងការទទួលបានត្រូវបានសម្គាល់
ដោយសារតែលក្ខណៈគម្លាតក្រុមធំទូលាយរបស់ InP (InP គឺ 1.35 eV និង InGaAs គឺ 0.75 eV) InP ជាធម្មតាត្រូវបានគេប្រើជាសម្ភារៈតំបន់ទទួលបាន និង InGaAs ជាសម្ភារៈតំបន់ស្រូបយក។
(3) រចនាសម្ព័ន្ធការស្រូបយក ជម្រាល និងការឡើង (SAGM) ត្រូវបានស្នើឡើងរៀងៗខ្លួន
បច្ចុប្បន្ននេះ ឧបករណ៍ APD ពាណិជ្ជកម្មភាគច្រើនប្រើប្រាស់សម្ភារៈ InP/InGaAs ដោយ InGaAs ជាស្រទាប់ស្រូបយក ហើយ InP ក្រោមដែនអគ្គិសនីខ្ពស់ (>5x105V/cm2) ដោយគ្មានការបំបែក អាចត្រូវបានប្រើជាសម្ភារៈតំបន់ទទួលបាន។ សម្រាប់សម្ភារៈនេះ ការរចនានៃ APD នេះគឺថាដំណើរការ avalanche ត្រូវបានបង្កើតឡើងនៅក្នុង InP ប្រភេទ N ដោយការប៉ះទង្គិចគ្នានៃរន្ធ។ ដោយពិចារណាលើភាពខុសគ្នាដ៏ធំនៃគម្លាតក្រុមរវាង InP និង InGaAs ភាពខុសគ្នាកម្រិតថាមពលប្រហែល 0.4 eV នៅក្នុងក្រុមវ៉ាឡង់ ធ្វើឱ្យរន្ធដែលបង្កើតនៅក្នុងស្រទាប់ស្រូបយក InGaAs ត្រូវបានរារាំងនៅគែម heterojunction មុនពេលទៅដល់ស្រទាប់គុណ InP ហើយល្បឿនត្រូវបានកាត់បន្ថយយ៉ាងខ្លាំង ដែលបណ្តាលឱ្យមានពេលវេលាឆ្លើយតបយូរ និងកម្រិតបញ្ជូនតូចចង្អៀតនៃ APD នេះ។ បញ្ហានេះអាចត្រូវបានដោះស្រាយដោយការបន្ថែមស្រទាប់អន្តរកាល InGaAsP រវាងសម្ភារៈទាំងពីរ។
(4) រចនាសម្ព័ន្ធការស្រូបយក, ជម្រាល, បន្ទុក និងការឡើង (SAGCM) ត្រូវបានស្នើឡើងរៀងៗខ្លួន
ដើម្បីកែតម្រូវបន្ថែមទៀតនូវការចែកចាយដែនអគ្គិសនីនៃស្រទាប់ស្រូបយក និងស្រទាប់បង្កើន ស្រទាប់សាកត្រូវបានណែនាំទៅក្នុងការរចនាឧបករណ៍ ដែលធ្វើអោយប្រសើរឡើងយ៉ាងខ្លាំងនូវល្បឿន និងការឆ្លើយតបរបស់ឧបករណ៍។
(5) រចនាសម្ព័ន្ធ SAGCM ដែលបង្កើនដោយឧបករណ៍បំពងសំឡេង (RCE)
នៅក្នុងការរចនាដ៏ល្អប្រសើរខាងលើនៃឧបករណ៍រាវរកបែបប្រពៃណី យើងត្រូវតែប្រឈមមុខនឹងការពិតដែលថាកម្រាស់នៃស្រទាប់ស្រូបយកគឺជាកត្តាផ្ទុយគ្នាសម្រាប់ល្បឿនឧបករណ៍ និងប្រសិទ្ធភាពកង់ទិច។ កម្រាស់ស្តើងនៃស្រទាប់ស្រូបយកអាចកាត់បន្ថយពេលវេលាឆ្លងកាត់ឧបករណ៍ផ្ទុក ដូច្នេះអាចទទួលបានកម្រិតបញ្ជូនធំ។ ទោះជាយ៉ាងណាក៏ដោយ ក្នុងពេលជាមួយគ្នានេះ ដើម្បីទទួលបានប្រសិទ្ធភាពកង់ទិចខ្ពស់ជាងនេះ ស្រទាប់ស្រូបយកត្រូវមានកម្រាស់គ្រប់គ្រាន់។ ដំណោះស្រាយចំពោះបញ្ហានេះអាចជារចនាសម្ព័ន្ធប្រហោងរំញ័រ (RCE) ពោលគឺឧបករណ៍ឆ្លុះបញ្ចាំង Bragg ចែកចាយ (DBR) ត្រូវបានរចនាឡើងនៅផ្នែកខាងក្រោម និងផ្នែកខាងលើនៃឧបករណ៍។ កញ្ចក់ DBR មានសម្ភារៈពីរប្រភេទដែលមានសន្ទស្សន៍ចំណាំងបែរទាប និងសន្ទស្សន៍ចំណាំងបែរខ្ពស់នៅក្នុងរចនាសម្ព័ន្ធ ហើយទាំងពីរដុះឆ្លាស់គ្នា ហើយកម្រាស់នៃស្រទាប់នីមួយៗជួបនឹងរលកពន្លឺដែលកើតឡើង 1/4 នៅក្នុងស៊ីមីកុងដុកទ័រ។ រចនាសម្ព័ន្ធរំញ័ររបស់ឧបករណ៍រាវរកអាចបំពេញតាមតម្រូវការល្បឿន កម្រាស់នៃស្រទាប់ស្រូបយកអាចត្រូវបានធ្វើឱ្យស្តើងខ្លាំង ហើយប្រសិទ្ធភាពកង់ទិចនៃអេឡិចត្រុងត្រូវបានកើនឡើងបន្ទាប់ពីការឆ្លុះបញ្ចាំងជាច្រើន។
(6) រចនាសម្ព័ន្ធរលកមគ្គុទ្ទេសក៍ភ្ជាប់គែម (WG-APD)
ដំណោះស្រាយមួយទៀតដើម្បីដោះស្រាយភាពផ្ទុយគ្នានៃផលប៉ះពាល់ផ្សេងៗគ្នានៃកម្រាស់ស្រទាប់ស្រូបយកលើល្បឿនឧបករណ៍ និងប្រសិទ្ធភាពកង់ទិច គឺការណែនាំរចនាសម្ព័ន្ធរលកនាំផ្លូវដែលភ្ជាប់គែម។ រចនាសម្ព័ន្ធនេះចូលទៅក្នុងពន្លឺពីចំហៀង ពីព្រោះស្រទាប់ស្រូបយកវែងណាស់ វាងាយស្រួលក្នុងការទទួលបានប្រសិទ្ធភាពកង់ទិចខ្ពស់ ហើយក្នុងពេលជាមួយគ្នានេះ ស្រទាប់ស្រូបយកអាចត្រូវបានធ្វើឱ្យស្តើងខ្លាំង ដែលកាត់បន្ថយពេលវេលាឆ្លងកាត់ឧបករណ៍ផ្ទុក។ ដូច្នេះ រចនាសម្ព័ន្ធនេះដោះស្រាយការពឹងផ្អែកផ្សេងៗគ្នានៃកម្រិតបញ្ជូន និងប្រសិទ្ធភាពលើកម្រាស់នៃស្រទាប់ស្រូបយក ហើយត្រូវបានគេរំពឹងថានឹងសម្រេចបានអត្រាខ្ពស់ និងប្រសិទ្ធភាពកង់ទិចខ្ពស់ APD។ ដំណើរការនៃ WG-APD គឺសាមញ្ញជាង RCE APD ដែលលុបបំបាត់ដំណើរការរៀបចំស្មុគស្មាញនៃកញ្ចក់ DBR។ ដូច្នេះវាអាចធ្វើទៅបានច្រើនជាងនៅក្នុងវិស័យជាក់ស្តែង និងសមរម្យសម្រាប់ការតភ្ជាប់អុបទិកប្លង់រួម។
៣. សេចក្តីសន្និដ្ឋាន
ការវិវត្តនៃព្យុះព្រិលឧបករណ៍ចាប់ពន្លឺសម្ភារៈ និងឧបករណ៍ត្រូវបានពិនិត្យឡើងវិញ។ អត្រាអ៊ីយ៉ូដកម្មប៉ះទង្គិចគ្នានៃអេឡិចត្រុង និងរន្ធនៃសម្ភារៈ InP គឺនៅជិតនឹងអត្រានៃ InAlAs ដែលនាំឱ្យមានដំណើរការទ្វេរដងនៃស៊ីមប៊ីយ៉ុងផ្ទុកពីរ ដែលធ្វើឱ្យពេលវេលាសាងសង់ avalanche យូរជាង និងសំឡេងរំខានកើនឡើង។ បើប្រៀបធៀបទៅនឹងសម្ភារៈ InAlAs សុទ្ធ រចនាសម្ព័ន្ធអណ្តូងកង់ទិច InGaAs (P) /InAlAs និង In (Al) GaAs/InAlAs មានសមាមាត្រកើនឡើងនៃមេគុណអ៊ីយ៉ូដកម្មប៉ះទង្គិចគ្នា ដូច្នេះដំណើរការសំឡេងរំខានអាចត្រូវបានផ្លាស់ប្តូរយ៉ាងខ្លាំង។ ទាក់ទងនឹងរចនាសម្ព័ន្ធ រចនាសម្ព័ន្ធ SAGCM ដែលបង្កើនដោយឧបករណ៍រំញ័រ (RCE) និងរចនាសម្ព័ន្ធរលកណែនាំគែម (WG-APD) ត្រូវបានបង្កើតឡើង ដើម្បីដោះស្រាយភាពផ្ទុយគ្នានៃផលប៉ះពាល់ផ្សេងៗគ្នានៃកម្រាស់ស្រទាប់ស្រូបយកលើល្បឿនឧបករណ៍ និងប្រសិទ្ធភាពកង់ទិច។ ដោយសារតែភាពស្មុគស្មាញនៃដំណើរការ ការអនុវត្តជាក់ស្តែងពេញលេញនៃរចនាសម្ព័ន្ធទាំងពីរនេះត្រូវស្វែងយល់បន្ថែមទៀត។
ពេលវេលាបង្ហោះ៖ ថ្ងៃទី ១៤ ខែវិច្ឆិកា ឆ្នាំ ២០២៣