Fotodetectorsi longituds d'ona de tall
Aquest article se centra en els materials i els principis de funcionament dels fotodetectors (especialment el mecanisme de resposta basat en la teoria de bandes), així com els paràmetres clau i els escenaris d'aplicació de diferents materials semiconductors.
1. Principi bàsic: El fotodetector funciona basant-se en l'efecte fotoelèctric. Els fotons incidents han de transportar prou energia (més gran que l'amplada de la banda prohibida Eg del material) per excitar els electrons de la banda de valència a la banda de conducció, formant un senyal elèctric detectable. L'energia dels fotons és inversament proporcional a la longitud d'ona, de manera que el detector té una "longitud d'ona de tall" (λ c), la longitud d'ona màxima que pot respondre, més enllà de la qual no pot respondre eficaçment. La longitud d'ona de tall es pot estimar mitjançant la fórmula λ c ≈ 1240/Eg (nm), on Eg es mesura en eV.
2. Principals materials semiconductors i les seves característiques:
Silici (Si): amplada de banda prohibida d'uns 1,12 eV, longitud d'ona de tall d'uns 1107 nm. Apte per a la detecció de longitud d'ona curta, com ara 850 nm, i s'utilitza habitualment per a la interconnexió de fibra òptica multimode de curt abast (com ara centres de dades).
Arsenur de gal·li (GaAs): amplada de banda prohibida d'1,42 eV, longitud d'ona de tall d'aproximadament 873 nm. Apte per a la banda de longitud d'ona de 850 nm, es pot integrar amb fonts de llum VCSEL del mateix material en un sol xip.
Arsenur d'indi i gal·li (InGaAs): l'amplada de la banda prohibida es pot ajustar entre 0,36 i 1,42 eV, i la longitud d'ona de tall cobreix 873 i 3542 nm. És el material detector principal per a finestres de comunicació de fibra de 1310 nm i 1550 nm, però requereix un substrat d'InP i és complex d'integrar amb circuits basats en silici.
Germani (Ge): amb una amplada de banda prohibida d'aproximadament 0,66 eV i una longitud d'ona de tall d'aproximadament 1879 nm. Pot cobrir de 1550 nm a 1625 nm (banda L) i és compatible amb substrats de silici, cosa que el converteix en una solució viable per estendre la resposta a bandes llargues.
Aliatge de silici-germani (com ara Si0.5Ge0.5): amplada de banda prohibida d'uns 0,96 eV, longitud d'ona de tall d'uns 1292 nm. En dopar germani en silici, la longitud d'ona de resposta es pot estendre a bandes més llargues al substrat de silici.
3. Associació d'escenaris d'aplicació:
Banda de 850 nm:fotodetectors de silicio es poden utilitzar fotodetectors de GaAs.
Banda de 1310/1550 nm:Fotodetectors d'InGaAss'utilitzen principalment. Els fotodetectors de germani pur o d'aliatges de germani de silici també poden cobrir aquest rang i tenen avantatges potencials en la integració basada en silici.
En general, a través dels conceptes bàsics de la teoria de bandes i la longitud d'ona de tall, s'han revisat sistemàticament les característiques d'aplicació i el rang de cobertura de longitud d'ona de diferents materials semiconductors en fotodetectors, i s'ha assenyalat l'estreta relació entre la selecció del material, la finestra de longitud d'ona de comunicació per fibra òptica i el cost del procés d'integració.
Data de publicació: 08 d'abril de 2026