Fotodetector cu infraroșu cuantic bine - Quantum well infrared photodetector

Profilul benzii de conducere a unui QWIP fotoconductor. Profilul benzii de conducere este înclinat pe măsură ce se aplică o tensiune de polarizare.

Un fotodetector cu infraroșu cu puț cuantic ( QWIP ) este un fotodetector cu infraroșu , care folosește tranziții electronice intersubband în puțuri cuantice pentru a absorbi fotonii. Pentru a fi utilizați pentru detectarea în infraroșu, parametrii puțurilor cuantice din fotodetectorul cu infraroșu cu puț cuantic sunt reglați astfel încât diferența de energie dintre prima și a doua stare cuantizată să se potrivească cu energia fotonului infraroșu de intrare. QWIP-urile sunt fabricate de obicei din arsenură de galiu , un material întâlnit în mod obișnuit în smartphone-uri și echipamente de comunicații de mare viteză. În funcție de material și de proiectarea puțurilor cuantice, nivelurile de energie ale QWIP pot fi adaptate pentru a absorbi radiațiile din regiunea infraroșie de la 3 la 20 µm.

QWIP-urile sunt una dintre cele mai simple structuri mecanice cuantice care pot detecta radiațiile infraroșii cu lungime de undă medie și lungime de undă lungă. Sunt cunoscuți pentru stabilitate, uniformitate ridicată de la pixel la pixel și operabilitate ridicată de pixeli.

Istorie

În 1985, Stephen Eglash și Lawrence West au observat o tranziție puternică între sub- benzi în puțuri cuantice multiple (MQW) care a determinat o analiză mai serioasă în utilizarea puțurilor cuantice pentru detectoarele cu infraroșu. Anterior, încercările de utilizare a puțurilor cuantice pentru detectarea în infraroșu se bazau pe absorbția liberă în puțurile cuantice care aduc electronii deasupra barierelor. Cu toate acestea, detectoarele rezultate au afișat o sensibilitate redusă.

Până în 1987, au fost formulate principiile de bază de funcționare pentru un fotodetector cu infraroșu cuantic care a demonstrat detectarea sensibilă în infraroșu. În 1990, sensibilitatea la temperatură scăzută a tehnologiei a fost îmbunătățită și mai mult prin creșterea grosimii barierei, ceea ce a suprimat curentul de tunelare. În acest moment, aceste dispozitive erau cunoscute în mod oficial sub numele de fotodetectoare cu infraroșu cuantice. În 1991, prima imagine în infraroșu a fost obținută folosind această abordare.

În 2002, cercetătorii de la US Army Research Laboratory (ARL) au dezvoltat un QWIP reglabil în tensiune, în două culori, cu comutare efectivă a lungimii de undă pentru detectarea la distanță a temperaturii. Instrumentul a prezentat o lungime de undă de detectare a vârfului de 7,5 micrometri pentru polarizarea pozitivă la 10 K atunci când electronii locuiau într-unul din godeurile cuantice și au trecut la 8,8 micrometri la o polarizare negativă mare atunci când electronii au fost transferați în celălalt godeu.

Cu toate acestea, în ciuda utilizării sale în aplicații civile, tehnologia QWIP a fost considerată insuficientă de către armata SUA pentru uz militar. La acea vreme, fotodetectorii puteau simți cuantizarea unidimensională numai atunci când lumina călătorea în paralel cu straturile de material, care se producea de obicei atunci când lumina era strălucită la marginea detectorului. Ca rezultat, tehnologia QWIP a avut o eficiență cuantică de doar 5%. În plus, grătarele de reflexie utilizate în mod obișnuit în industrie pentru a atenua această problemă au fost realizate din posturi periodice foarte fine și au fost greu de produs în formate mari.

Pentru a rezolva această problemă, cercetătorii de la Laboratorul de Cercetare al Armatei au dezvoltat fotodetectorul cu infraroșu cuantic cu ondulație (C-QWIP) în 2008, care a folosit micromirorii pe fotodetector pentru a crește eficacitatea redirecționării luminii către regiunea cuantificată a puțului la orice lungime de undă. În esență, pereții laterali ai detectorului înclinat de 45 de grade au permis ca lumina să fie reflectată paralel cu straturile de material pentru a produce un semnal electric. Testele efectuate de cercetătorii de la ARL și L-3 Communications Cincinnati Electronics au determinat că C-QWIP a demonstrat lățimi de bandă care depășesc 3 micrometri, care a fost de 5 ori mai lată decât QWIP comercial la acea vreme. Deoarece C-QWIP-urile pot fi fabricate folosind arsenidă de galiu, acestea au servit ca o alternativă mai accesibilă la detectoarele cu infraroșu convenționale pentru elicopterele armate, fără a sacrifica rezoluția și nu necesită mai puține calibrări și întreținere.

În februarie 2013, NASA a lansat un satelit care prezenta instrumentul senzorului de infraroșu termic (TIRS) ca parte a misiunii sale de continuitate a datelor Landsat . TIRS a folosit trei C-QWIP concepute de Laboratorul de Cercetare al Armatei pentru a detecta lungimi de undă lungi de lumină emise de Pământ și pentru a urmări modul în care sunt utilizate apa și pământul planetei. Această aplicație a marcat prima dată când un QWIP a fost utilizat în spațiu.

Funcţie

Câștig fotoconductor într-un fotodetector cu infraroșu cuantic. Pentru a echilibra pierderea de electroni din puțul cuantic, electronii sunt injectați din contactul emițătorului superior. Deoarece probabilitatea de captare este mai mică decât unul, trebuie injectați electroni suplimentari, iar fotocurentul total poate deveni mai mare decât curentul de fotoemisiune.

Detectoarele cu infraroșu funcționează, în general, prin detectarea radiației emise de un obiect, iar intensitatea radiației este determinată de factori precum temperatura, distanța și dimensiunea obiectului. Spre deosebire de majoritatea fotodetectorilor cu infraroșu, QWIP-urile sunt independente de spațiul de bandă al materialului de detectare, deoarece se bazează pe tranziția optică într-o singură bandă de energie. Ca urmare, poate fi folosit pentru a detecta obiecte cu radiații de energie mult mai mici decât ceea ce era posibil anterior.

Elementele de bază ale unui QWIP sunt puțurile cuantice , care sunt separate de bariere. Fântânile cuantice sunt proiectate pentru a avea o stare limitată în interiorul fântânii și o primă stare excitată care se aliniază cu partea superioară a barierei. Fântânile sunt n-dopate astfel încât starea de bază este umplută cu electroni. Barierele sunt suficient de largi pentru a preveni tunelarea cuantică între puțurile cuantice. QWIP-urile tipice sunt formate din 20 până la 50 de puțuri cuantice. Când se aplică o tensiune de polarizare la QWIP, întreaga bandă de conducere este înclinată. Fără lumină, electronii din puțurile cuantice stau doar în starea fundamentală. Când QWIP este iluminat cu lumină de aceeași energie sau mai mare ca energia de tranziție intersubband, un electron este excitat.

Odată ce electronul este într-o stare excitată, acesta poate scăpa în continuum și poate fi măsurat ca fotocurent. Pentru a măsura extern un fotocurent, electronii trebuie extrși prin aplicarea unui câmp electric la puțurile cuantice. Eficiența acestui proces de absorbție și extracție depinde de mai mulți parametri.

Redați conținut media

Acest videoclip arată evoluția luării fotodetectorului cu infraroșu cu puț cuantic (QWIP) de la început, până la testarea la sol și dintr-un avion și, în cele din urmă, către o misiune științifică a NASA.

Fotocurent

Presupunând că detectorul este iluminat cu un flux de fotoni (numărul de fotoni pe unitate de timp), fotocurentul este ${\ displaystyle \ phi}$${\ displaystyle I_ {ph}}$

${\ displaystyle I_ {ph} = e \ phi \ eta g_ {ph}}$

unde este sarcina elementară, este eficiența absorbției și este câștigul fotoconductor. și sunt probabilitățile ca un foton să adauge un electron la fotocurent, numită și eficiență cuantică . este probabilitatea ca un foton să excite un electron și depinde de proprietățile electronice de transport. ${\ displaystyle e}$${\ displaystyle \ eta}$${\ displaystyle g_ {ph}}$${\ displaystyle \ eta}$${\ displaystyle g_ {ph}}$${\ displaystyle \ eta}$${\ displaystyle g_ {ph}}$

Câștig fotoconductor

Câștigul fotoconductiv este probabilitatea ca un electron excitat să contribuie la fotocurent - sau mai general, numărul de electroni din circuitul extern, împărțit la numărul de electroni cu sonde cuantice care absorb un foton. Deși ar putea fi contraintuitiv la început, este posibil să fie mai mare decât unul. Ori de câte ori un electron este excitat și extras ca fotocurent, un electron suplimentar este injectat din contactul opus (emițător) pentru a echilibra pierderea de electroni din puțul cuantic. În general, probabilitatea de captare , deci un electron injectat ar putea uneori să treacă peste fântâna cuantică și în contactul opus. În acest caz, încă un electron este injectat din contactul emițătorului pentru a echilibra sarcina și se îndreaptă din nou spre fântână unde ar putea sau nu să fie capturat și așa mai departe, până când în cele din urmă un electron este capturat în fântână. În acest fel, poate deveni mai mare decât unul. ${\ displaystyle g_ {ph}}$${\ displaystyle g_ {ph}}$${\ displaystyle p_ {c} \ leq 1}$${\ displaystyle g_ {ph}}$

Valoarea exactă a este determinată de raportul probabilității de captură și probabilității de evadare . ${\ displaystyle g_ {ph}}$${\ displaystyle p_ {c}}$${\ displaystyle p_ {e}}$

${\ displaystyle g_ {ph} = {\ frac {p_ {e}} {N \, p_ {c}}}}$

unde este numărul puțurilor cuantice. Numărul godeurilor cuantice apare doar la numitor, deoarece crește probabilitatea de captare , dar nu și probabilitatea de evadare . ${\ displaystyle N}$${\ displaystyle p_ {c}}$${\ displaystyle p_ {e}}$

Referințe

linkuri externe

• Cercetare QWIP NASA
• QWIP corogat pentru senzorii de megapixeli (Conferința științifică a armatei douăzeci și șaptea)