مدارهای مجتمع نوری (OEICs) به علت عملکرد خوب، اندازه کوچک، هزینه کم و اطمینان بالا بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. برای OEICs با بازدهی بالاتر آشکارسازهای توانمند نیاز است. دو مشخصه مهم آشکارسازها گین و پهنای باند آن ها می باشد. پهنای باند 3-dB و سرعت با کاهش زمان گذار که با کم کردن ضخامت لایه های آشکارساز بوجود می آید، افزایش می یابد، اما در این صورت جمع آوری نور سخت می شود. این نتایج مبادله بین پهنای باند و بازده کوانتومی می باشد]7[.
در آشکارساز یک کاواک فابری پروت تعبیه شده است تا مبادله بین گین و پهنای باند از میان رود و بازده کوانتومی و پهنای باند بالا همزمان بدست آید. کاواک فابری پروت از دو آیینه موازی شامل دو پشته با ربع طول موج (QWS) با مدولاسیون پریودیکی ضریب انکسار می باشد. در شرایط رزونانس یک تداخل سازنده در این کاواک برای افزایش دامنه میدان اپتیکی داخلی برای ضخامت های کمی از لایه جذب اتفاق می افتد. بنابراین آشکارساز کاواک رزونانسی دارای سرعت و بازده کوانتومی بالا می باشد]29[.
آشکارساز بهمنی کاواک رزونانسی به علت گین بهمنی داخلی بسیار حساس تر از آشکارساز پین رزونانسی می باشد. اخیرا مشخصه های ممتازی چون پهنای باند بالا با گین واحد، مشخصه گین پهنای باند بالا، بازده کوانتومی بالا، نویز تکثیر کم و جریان تاریک کم برای مواد مختلف با رنج طول موج متفاوت برای آشکار ساز نشان داده شده است]30[-]33[. برای بدست آوردن مشخصه گین پهنای باند بالا، نواحی جذب و تکثیر در دو لایه متفاوت تعبیه شده است، به طوری که جذب در لایه با شکاف گاف باریک تر و تکثیر در ناحیه با شکاف باند عریض تر صورت می گیرد. برای افزایش مشخصه گین پهنای باند یک میدان الکتریکی قوی باید به لایه تکثیر اعمال شود و این امر توسط لایه شارژ با چگالی آلاینده بالا امکان پذیر است. برای جلوگیری از به دام افتادن حامل ها از دو لایه grading اطراف ناحیه جذب استفاده می شود. ساختار آشکارساز RCE-SAGCM-APD در شکل (2-20) نشان داده شده است]7 [.
شکل (2-20) ساختار RCE-SAGCM-APD
در اینجا مدل spice آشکارساز RCE-SAGCM-APD بررسی خواهد شد. پاسخ فرکانسی این آشکارساز قبلا مورد بررسی قرار گرفته است اما مدل spice تا کنون ارائه نشده است و شبیه سازی تمام قسمت های گیرنده نوری امکان پذیر نمی باشد.
در قسمت بعد توزیع میدان الکتریکی در RCE-APD محاسبه می شود و اثرات ضخامت و آلایندگی ناحیه شارژ بررسی خواهد شد. در قسمت سوم مدل spice، RCE-APD نشان داده می شود. رفتار تابع تبدیل این مدل با نشان دادن اثرات بعد و گین آشکارساز بررسی می شود. این مدل با مدل های زمانی و فرکانسی تئوری بررسی خواهد شد و پاسخ مدل spice با نتایج تجربی مقایسه می شود. در قسمت های بعد اثرات بعد بر آشکارساز بررسی می شود و در نهایت ضخامت بهینه لایه های جذب و تکثیر برای افزایش پهنای باند آشکارساز برای سطح مقطع و گین های تکثیر مختلف بدست می آید. هم چنین مقدار بهینه سلف وقتی به مقاومت بار وصل می شود بدست می آید]34[.
2-4-2- میدان الکتریکی
میدان الکتریکی RCE-SAGCM-APD توسط معادله پویزن روی کل لایه های آشکارساز بدست می آید:
(2-77)
معادله پویزن در یک بعد حل می شود زیرا عرض آشکارساز در مقایسه با طول آن بسیار کوچک می باشد و از تغییرات عرض می توان صرفنظر کرد]12[. مقدار میدان الکتریکی در ناحیه تکثیر بسیار حساس است زیرا مقدار ضریب یونیزاسیون الکترون و حفره ها و هم چنین گین تکثیر را تحت تاثیر قرار می دهد. ضریب یونیزاسیون برای الکترون (α) و حفره (β) برابر است با:

مطلب مرتبط :   سیستم تبدیل انرژی باد و مدل ریاضی

(2-78)
که ، ، ، ، ، پارامترهای مدل می باشند که مقادیر آن ها به طور تجربی بدست می آید. با داشتن مقادیر و و ضخامت لایه تکثیر xd گین تکثیر آشکارساز به صورت زیر بدست می آید:
(2-79)
میدان الکتریکی از پارامترهای جدول 2-6 بدست می آید.
جدول 2-6 مواد و مقادیر پارامترهای مداری و فیزیکی RCE-SAGCM-APD
توزیع میدان الکتریکی در لایه های آشکارساز RCE-SAGCM-APD در شکل (2-21) نشان داده شده است. وقتی ولتاژ اعمالی زیاد می شود میدان الکتریکی در لایه تکثیر زیاد شده و باعث افزایش تولید حامل ها آزاد می شود. اما از طرفی افزایش در ولتاژ اعمالی باعث افزایش در دامنه میدان الکتریکی در نواحی جذب و تکثیر می شود و ممکن است باعث پدید آمدن تکثیر در ناحیه جذب شود. کاربرد اصلی ناحیه شارژ در RCE-SAGCM-APD افزایش میدان الکتریکی در ناحیه تکثیر برای افزایش تولید حامل های ثانویه و جلوگیری از پدیده تکثیر در لایه جذب می باشد. در شکل (2-21) با افزایش آلایندگی لایه شارژ میدان الکتریکی در لایه تکثیر افزایش می یابد اما در لایه جذب کاهش می یابد. این بدان معنی است که آلایندگی زیاد در لایه شارژ باعث کاهش میدان در لایه جذب می شود و حامل های اولیه نمی توانند با سرعت اشباع شان به حرکت در بیایند و باعث کاهش پهنای باند آشارساز می شود. افزایش ضخامت لایه شارژ تاثیری شبیه افزایش آلایندگی لایه شارژ دارد. تفاوت کوچک میدان الکتریکی بین لایه جذب و لایه graded به دلیل پیوستگی بردار انتقال در امتداد لایه های مختلف آشکارساز می باشد در حالیکه مقدار برای لایه های مختلف متفاوت می باشد.
شکل (2-21) a میدان الکتریکی برای آلاینده های مختلف در لایه شارژ در بایاس معکوس 10v
شکل (2-21) b میدان الکتریکی برای آلاینده های مختلف در لایه شارژ در بایاس معکوس 20v
2-4-3- مدل سازی
الف- بازده کوانتومی
توان نوری کلی در لایه جذب مجموع توان های رفت و برگشتی نور می باشد. توان رفت از آیینه بالایی و توان برگشتی از آیینه پایینی کاواک بازتاب می شود. بنابراین بازده کوانتومی رفت، ηf مقدار بین توان نور رفت و توان تابشی می باشد و از رابطه زیر حساب می شود:
(2-80)
به طور مشابه، بازده کوانتومی ηb به صورت زیر می باشد.
(2-81)