فتودیود فلز-نیمه هادی-فلز (Metal-Semiconductor-Metal Photodiode - MSM PD)، در مدارهای الکتریکی (Electrical Circuit)
انواع دیودها (Diode) را در آموزش زیر شرح دادیم :
فتودیود فلز-نیمه هادی-فلز (Metal-Semiconductor-Metal Photodiode - MSM PD) :
فتودیود فلز-نیمه هادی-فلز یا MSM PD (Metal-Semiconductor-Metal Photodiode) یک نوع فتودیود است که از دو تماس شاتکی (Schottky Contacts) به صورت شانه ای (Interdigitated) بر روی یک لایه نیمه هادی تشکیل شده است. این ساختار باعث ایجاد یک میدان الکتریکی قوی در بین انگشت های فلزی می شود که جداسازی سریع حامل ها را ممکن می سازد. MSM PDها به دلیل ظرفیت خازنی بسیار پایین، برای کاربردهای با سرعت فوق العاده بالا (تا چند صد گیگاهرتز) ایده آل هستند.
ساختار MSM PD شامل یک لایه نیمه هادی (معمولا GaAs یا InGaAs) است که روی آن دو مجموعه الکترود فلزی به صورت شانه ای (Interdigitated) و با فاصله بسیار کم از یکدیگر (در حد میکرون) قرار گرفته اند. این الکترودها دو تماس شاتکی (Schottky Contacts) را تشکیل می دهند. یک ولتاژ بایاس بین این دو الکترود اعمال می شود.
مکانیزم کار: با اعمال ولتاژ بایاس، یک میدان الکتریکی قوی بین انگشت های فلزی ایجاد می شود. نور فرودی به نیمه هادی برخورد کرده و جفت الکترون-حفره تولید می کند. این حامل ها توسط میدان الکتریکی قوی به سرعت از هم جدا شده و به سمت الکترودها حرکت می کنند و جریان نوری ایجاد می کنند.
مزیت اصلی MSM PD، ظرفیت خازنی بسیار پایین آن است. ظرفیت خازنی با مساحت الکترودها نسبت مستقیم و با فاصله بین آنها نسبت عکس دارد. ساختار شانه ای با انگشت های باریک و فاصله کم، مساحت مؤثر را کاهش داده و ظرفیت خازنی را به حداقل می رساند (کمتر از ۱۰ fF). این امر پهنای باند بسیار بالا (چند صد گیگاهرتز) را ممکن می سازد.
پارامترهای مهم MSM PD عبارتند از: پهنای باند (Bandwidth) بسیار بالا (تا ۳۰۰ گیگاهرتز و بیشتر)، ظرفیت خازنی بسیار پایین (fF)، پاسخ دهی (Responsivity) (معمولا ۰.۲-۰.۶ A/W، کمی کمتر از PIN)، جریان تاریکی (Dark Current) (که می تواند با طراحی بهینه کاهش یابد)، و محدوده طول موجی (وابسته به نیمه هادی).
کاربرد اصلی MSM PD در مخابرات نوری با سرعت بسیار بالا (Ultra-High Speed Optical Communications) و سیستم های با نرخ داده ۱۰۰ گیگابیت بر ثانیه و بالاتر است. همچنین در تست و اندازه گیری فرکانس بالا، اسیلوسکوپ های نوری، و سیستم های مخابرات نوری همدوس (Coherent Optical Systems) کاربرد دارند.
کاربرد دیگر در اتصالات نوری درون تراشه ای (On-Chip Optical Interconnects) و مدارات مجتمع فوتونیکی (Photonic Integrated Circuits - PICs) است. MSM PDها به دلیل ساختار ساده و سازگاری با فناوری نیمه هادی III-V، به راحتی با سایر قطعات نوری و الکترونیکی یکپارچه می شوند.
سری معروف MSM PDها شامل محصولات شرکت هایی مانند Albis Optoelectronics، u2t Photonics (اکنون بخشی از Finisar/II-VI)، و برخی تولیدکنندگان تخصصی است. این فتودیودها معمولا به صورت تراشه (Chip) یا در بسته بندی های مخصوص RF با کانکتورهای مایکروویو عرضه می شوند.
مواد سازنده MSM PD معمولا از خانواده III-V مانند گالیوم آرسناید (GaAs) برای طول موج های کوتاهتر و ایندیوم گالیوم آرسناید (InGaAs) برای مخابرات نوری (۱۳۱۰ و ۱۵۵۰ نانومتر) است. اخیرا MSM PDهای مبتنی بر گرافن و مواد دوبعدی نیز مورد تحقیق قرار گرفته اند.
یکی از چالش های MSM PD، پاسخ دهی (Responsivity) پایین تر نسبت به فتودیودهای PIN است. این به دلیل سایه اندازی (Shadowing) بخشی از نور توسط الکترودهای فلزی است. با استفاده از الکترودهای بسیار باریک و مواد شفاف تر، می توان این مشکل را کاهش داد.
در نهایت، MSM PDها برای کاربردهایی که سرعت فوق العاده بالا مهم ترین پارامتر است، یک گزینه ایده آل هستند. آنها مرزهای سرعت در آشکارسازی نوری را جابجا کرده اند و نقش کلیدی در نسل آینده مخابرات نوری با نرخ داده ترابیت بر ثانیه ایفا خواهند کرد.
