آشکارساز نوری فروسرخ با چاه کوانتومی

نیم‌رخ نوار هدایت یک کیودبلیوآی‌پی فوتورسانشی. نیم‌رخ نوار هدایت با اعمال ولتاژ بایاس کج می‌شود.

یک آشکارساز نوری فروسرخ با چاه کوانتومی (کیودبلیوآی‌پی) (به انگلیسی: Quantum Well Infrared Photodetector) (کوته‌نوشت: QWIP)یک آشکارساز نوری فروسرخ است که از گذارهای بین‌زیرباندی الکترونیکی در چاه‌های کوانتومی برای جذب فوتون‌ها استفاده می‌کند. برای استفاده در آشکارِش^[الف] فروسرخ، پارامترهای چاه‌های کوانتومی در آشکارساز نوری فروسرخ چاه کوانتومی طوری تنظیم می‌شوند که اختلاف انرژی بین حالت‌های کوانتیده اول و دوم آن با انرژی فوتون فروسرخ ورودی مطابقت داشته باشد. کیودبلیوآی‌پی‌ها معمولاً از گالیوم آرسنید ساخته می‌شوند، ماده‌ای که معمولاً در تلفن‌های هوشمند و تجهیزات مخابراتی پرسرعت یافت می‌شود.^[۱] بسته به ماده و طراحی چاه‌های کوانتومی، سطوح انرژی کیودبلیوآی‌پی را می‌توان برای جذب تابش در ناحیه فروسرخ از ۳ تا ۲۰ میکرومتر تنظیم کرد.^[۲]

کیودبلیوآی‌پی‌ها یکی از ساده‌ترین ساختارهای افزاره مکانیک کوانتومی هستند که می‌توانند تابش فروسرخ با طول‌موج متوسط و طول‌موج بلند را آشکار کنند. آن‌ها به دلیل پایداری، یکنواختی بالای پیکسل به پیکسل و قابلیت‌عملکرد بالای پیکسل شناخته شده‌اند.^[۳]

تاریخچه

در سال ۱۹۸۵، استفن اگلاش و لارنس وست گذار بین‌زیرباند قوی را در چاه‌های کوانتومی چندگانه (اِم‌کیودبلیو) مشاهده کردند که باعث شد توجه جدی‌تری به استفاده از چاه‌های کوانتومی برای آشکارسازهای فروسرخ شود.^[۴] پیش از این، تلاش‌ها برای استفاده از چاه‌های کوانتومی برای آشکارسازی فروسرخ مبتنی‌بر جذب آزاد در چاه‌های کوانتومی بود که الکترون‌ها را از بالای سَدها عبور می‌داد. با این حال، آشکارسازهای حاصل حساسیت پایینی نشان می‌دادند.^[۵]

تا سال ۱۹۸۷، اصول اولیه عملکرد یک آشکارساز نوری فروسرخ با چاه کوانتومی که آشکارسازی حساس فروسرخ را نشان می‌داد، تدوین شد. در سال ۱۹۹۰، حساسیت دمای پایین این فناوری با افزایش ضخامت سَد، که جریان تونل‌زنی را سرکوب می‌کرد، بیشتر بهبود یافت.^[۶] در این مرحله، این افزاره‌ها رسماً به عنوان آشکارسازهای نوری فروسرخ با چاه کوانتومی شناخته می‌شدند.^[۷]^[۸] در سال ۱۹۹۱، اولین تصویر فروسرخ با استفاده از این رویکرد به دست آمد.^[۷]

در سال ۲۰۰۲، محققان آزمایشگاه تحقیقاتی ارتش ایالات متحده (اِی‌آراِل) یک کیودبلیوآی‌پی دو-رنگ قابل‌تنظیم با ولتاژ با قابلیت تغییر طول‌موج مؤثر برای سنجش دما از راه دور توسعه دادند. این افزاره، هنگامی که الکترون‌ها در یکی از چاه‌های کوانتومی قرار داشتند، طول‌موج آشکارش (detection) پیک ۷٫۵ میکرومتر را برای بایاس مثبت در دمای ۱۰ کلوین نشان داد و هنگامی که الکترون‌ها به چاه دیگر منتقل شدند در یک بایاس منفی زیاد، به ۸٫۸ میکرومتر تغییر یافت.^[۹]^[۱۰]

با این حال، علیرغم استفاده از فناوری کیودبلیوآی‌پی در کاربردهای غیرنظامی، ارتش ایالات متحده آن را برای استفاده نظامی ناکافی می‌دانست. در آن زمان، آشکارسازهای نوری تنها می‌توانستند کوانتش یک بعدی را زمانی که نور به موازات لایه‌های ماده حرکت می‌کرد، حس کنند، که معمولاً زمانی رخ می‌داد که نور به لبه آشکارساز تابیده می‌شد. در نتیجه، فناوری کیودبلیوآی‌پی تنها ۵ درصد بازدهی کوانتومی داشت. علاوه بر این، توری‌های بازتابش که معمولاً در صنعت برای رفع این مشکل استفاده می‌شوند، از ستون‌های دوره‌ای بسیار ریز ساخته شده بودند و تولید آنها در قالب‌های بزرگ دشوار بود.^[۱]

برای حل این مشکل، محققان آزمایشگاه تحقیقاتی ارتش در سال ۲۰۰۸ آشکارساز نوری فروسرخ کوانتومی موج‌دار (سی-کیودبلیوآی‌پی) را توسعه دادند که از ریزآینه‌ها روی آشکارساز نوری برای افزایش اثربخشی هدایت نور به ناحیه چاه کوانتومی در هر طول‌موجی استفاده می‌کرد.^[۱۱] در اصل، دیواره‌های جانبی آشکارساز با شیب ۴۵ درجه اجازه می‌دادند که نور به موازات لایه‌های ماده بازتاب شود و یک سیگنال الکتریکی تولید کند.^[۱۲] آزمایش‌های انجام شده توسط محققان اِی‌آراِل و اِل-۳ کامونیکیشن سینسیناتی الکترونیکس مشخص کرد که سی-کیودبلیوآی‌پی پهنای‌باندی بیش از ۳ میکرومتر را نشان می‌دهد که ۵ برابر عریض‌تر از کیودبلیوآی‌پی تجاری در آن زمان بود.^[۱۱] از آنجایی که سی-کیودبلیوآی‌پی‌ها را می‌توان با استفاده از گالیوم آرسنید تولید کرد، آنها به عنوان جایگزینی مقرون به صرفه‌تر برای آشکارسازهای فروسرخ معمولی برای هلیکوپترهای ارتش بدون کاهش وضوح و نیاز به کالیبراسیون و نگهداری کمتر عمل کردند.^[۱۳]

در فوریه ۲۰۱۳، ناسا ماهواره‌ای را به فضا پرتاب کرد که به عنوان بخشی از ماموریت تداوم داده‌های لندست، مجهز به ابزار حسگر فروسرخ گرمایی (تی‌آی‌آراِس) بود. تی‌آی‌آراِس از سه سی-کیودبلیوآی‌پی طراحی شده توسط آزمایشگاه تحقیقاتی ارتش برای آشکار کردن طول‌موج‌های بلند نور گسیل شده از زمین و ردیابی نحوه استفاده از آب و خشکی سیاره استفاده می‌کرد. این کاربرد اولین باری بود که کیودبلیوآی‌پی در فضا مورد استفاده قرار گرفت.^[۱]^[۱۳]^[۱۴]

عملکرد

بهره فوتورسانشی در یک آشکارساز نوری فروسرخ با چاه کوانتومی. برای متعادل کردن اتلاف الکترون‌ها از چاه کوانتومی، الکترون‌ها از اتصال گسیل‌گر بالایی تزریق می‌شوند. از آنجایی که احتمال جذب کمتر از یک است، نیاز به تزریق الکترون‌های اضافی وجود دارد و کل جریان‌نوری می‌تواند بزرگتر از جریان گسیل‌نوری شود.

آشکارسازهای فروسرخ عموماً با آشکارسازی تابش گسیل شده از یک جسم کار می‌کنند و شدت تابش توسط عواملی مانند دما، فاصله و اندازه جسم تعیین می‌شود. برخلاف اکثر آشکارسازهای نوری فروسرخ، کیودبلیوآی‌پی‌ها مستقل از شکاف باند ماده آشکارسازی هستند، زیرا بر اساس گذار نوری در یک باند انرژی واحد عمل می‌کنند. در نتیجه، می‌توان از آن برای آشکار کردن اجسام با تابش انرژی بسیار پایین‌تر از آنچه قبلاً امکان‌پذیر بود، استفاده کرد.

عناصر اساسی یک کیودبلیوآی‌پی، چاه‌های کوانتومی هستند که توسط سَدهایی از هم جدا شده‌اند. چاه‌های کوانتومی به گونه‌ای طراحی شده‌اند که یک حالت محدود در داخل چاه و یک حالت برانگیخته اول که با بالای سَد همسو می‌شود، داشته باشند. چاه‌ها به صورت آلایش-n شده‌اند به طوری که حالت پایه با الکترون‌ها پُر شده است. سَدها به اندازه کافی عریض هستند تا از تونل‌زنی کوانتومی بین چاه‌های کوانتومی جلوگیری کنند. کیودبلیوآی‌پی‌های معمولی از ۲۰ تا ۵۰ چاه کوانتومی تشکیل شده‌اند. هنگامی که یک ولتاژ بایاس به کیودبلیوآی‌پی اعمال می‌شود، کل نوار هدایت کج می‌شود. بدون نور، الکترون‌های موجود در چاه‌های کوانتومی فقط در حالت پایه قرار می‌گیرند. هنگامی که کیودبلیوآی‌پی با نوری با انرژی برابر یا بالاتر از انرژی گذار بین‌زیرباند روشن می‌شود، یک الکترون برانگیخته می‌شود.

هنگامی که الکترون در حالت برانگیخته قرار دارد، می‌تواند به درون محیط پیوسته فرار کند و به عنوان جریان‌نوری اندازه‌گیری شود. برای اندازه‌گیری جریان‌نوری به‌طورخارجی، الکترون‌ها باید با اعمال میدان الکتریکی به چاه‌های کوانتومی استخراج شوند. بازدهی این فرایند جذب و استخراج به چندین پارامتر بستگی دارد.

جریان‌نوری

با فرض اینکه آشکارساز با شار فوتون $\phi$ نور داده می‌شود (تعداد فوتون‌ها در واحد زمان)، جریان‌نوری $I_{ph}$ است

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

که در اینجا $e$ بار بنیادی است، $\eta$ بازدهی جذب است و $g_{ph}$ بهره فوتورسانشی است.^[۱۵] $\eta$ و $g_{ph}$ احتمالاتی هستند که یک فوتون می‌تواند یک الکترون به جریان‌نوری اضافه کند، که به آن بازده کوانتومی نیز می‌گویند. $\eta$ احتمال برانگیختگی الکترون توسط یک فوتون است، و $g_{ph}$ به خواص انتقال الکترونیکی بستگی دارد.

بهره فوتورسانشی

بهره فوتورسانایی (Photoconductive gain) $g_{ph}$ احتمال این است که یک الکترون برانگیخته در جریان‌نوری نقش داشته باشد - یا به‌طور کلی‌تر، تعداد الکترون‌های موجود در مدار خارجی، تقسیم بر تعداد الکترون‌های چاه کوانتومی که یک فوتون را جذب می‌کنند. اگرچه در ابتدا ممکن است خلاف شهود باشد، اما برای $g_{ph}$ بزرگتر از یک باشد، امکان‌پذیر است. هر زمان که یک الکترون برانگیخته و به صورت جریان‌نوری استخراج شود، یک الکترون اضافی از اتصال مخالف (امیتر) تزریق می‌شود تا اتلاف الکترون‌ها از چاه کوانتومی را متعادل کند. به‌طور کلی احتمال گرفتن $p_{c}\leq 1$ بنابراین، یک الکترون تزریق‌شده ممکن است گاهی از چاه کوانتومی عبور کرده و به اتصال مخالف وارد شود. در این صورت، یک الکترون دیگر از اتصال امیتر برای متعادل کردن بار تزریق می‌شود و دوباره به سمت چاه می‌رود که ممکن است در آنجا گیر بیفتد یا نیفتد و به همین ترتیب ادامه می‌یابد تا درنهایت یک الکترون در چاه گیر بیفتد. به این ترتیب، $g_{ph}$ می‌تواند بزرگتر از یک شود.

مقدار دقیق $g_{ph}$ با نسبت احتمال گرفتن $p_{c}$ و احتمال فرار $p_{e}$ تعیین می‌شود.

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

که در اینجا $N$ تعداد چاه‌های کوانتومی است. تعداد چاه‌های کوانتومی فقط در مخرج ظاهر می‌شود، زیرا احتمال گرفتن $p_{c}$ را افزایش می‌دهد، اما نه احتمال فرار $p_{e}$ را.

جستارهای وابسته

یادداشت

↑ فرایند آشکارسازی

منابع

1 2 3 "From Basic Quantum Mechanics to State-of-the-Art Infrared Imaging". U.S. Army Research Laboratory. July 23, 2013. Archived from the original on September 8, 2015. Retrieved August 27, 2018.
↑ "Quantum Well Infrared Photon Detectors". IR Nova. Archived from the original on March 8, 2018. Retrieved August 27, 2018.
↑ Gunapala, Sarath; Bandara, Sumith; Liu, John; Mumolo, Jason; Rafol, Sir; Ting, David; Soibel, Alexander; Hill, Cory (June 2, 2014). "Quantum Well Infrared Photodetector Technology and Applications". IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 20 (6): 154. Bibcode:2014IJSTQ..20..154G. doi:10.1109/JSTQE.2014.2324538.
↑ West, Lawrence (July 1985). "Spectroscopy of GaAs quantum wells". Stanford University. doi:10.2172/5970233. OSTI 5970233.
↑ Kwong-kit, Choi (1997). The Physics Of Quantum Well Infrared Photodetectors. World Scientific. ISBN 978-9810228729.
↑ Kwong-kit, Choi (1997). The Physics Of Quantum Well Infrared Photodetectors. World Scientific. ISBN 978-9810228729.
1 2 {{cite book}}: Empty citation (help)
↑ Rogalski, Antoni (September 2012). "History of infrared detectors". Opto-Electronics Review. 20 (3): 279. Bibcode:2012OERv...20..279R. doi:10.2478/s11772-012-0037-7 – via ResearchGate.
↑ Majumdar, Amlan; Choi, Kwong-Kit (January 2002). "Two-color quantum-well infrared photodetector with voltage tunable peaks". Applied Physics Letters. 80 (707): 707–709. Bibcode:2002ApPhL..80..707M. doi:10.1063/1.1447004.
↑ Little, J.W.; Kennedy, S.W.; Leavitt, R.P.; Lucas, M.L.; Olver, K.A. (August 1999). "A New Two-Color Infrared Photodetector Design Using INGAAS/INALAS Coupled Quantum Wells". U.S. Army Research Laboratory – via Defense Technical Information Center.
1 2 Forrai, David; Endres, Darrel; Choi, Kwong-Kit; O'Neill, John (December 2008). "Corrugated QWIP for Tactical Army Applications". U.S. Army Research Laboratory – via Defense Technical Information Center.
↑ Choi, Kwong-Kit; Mait, Joseph (November 1, 2015). "Introduction to the International Year of Light". Research@ARL. 4 (1): 6. Archived from the original on June 10, 2017 – via Defense Technical Information Center.
1 2 Ackerman, Robert (August 2010). "Infrared Sensor Designers Go to The Well". SIGNAL Magazine. Retrieved August 27, 2018.
↑ "Thermal Infrared Sensor (TIRS)". NASA Landsat Science. August 23, 2018. Retrieved August 27, 2018.
↑ Schneider, Harald, and Hui Chun Liu. Quantum well infrared photodetectors. Springer, 2007.

پیوند به بیرون

[1] فرایند آشکارسازی

[:0-2] 1 2 3 "From Basic Quantum Mechanics to State-of-the-Art Infrared Imaging". U.S. Army Research Laboratory. July 23, 2013. Archived from the original on September 8, 2015. Retrieved August 27, 2018.

[3] "Quantum Well Infrared Photon Detectors". IR Nova. Archived from the original on March 8, 2018. Retrieved August 27, 2018.

[4] Gunapala, Sarath; Bandara, Sumith; Liu, John; Mumolo, Jason; Rafol, Sir; Ting, David; Soibel, Alexander; Hill, Cory (June 2, 2014). "Quantum Well Infrared Photodetector Technology and Applications". IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 20 (6): 154. Bibcode:2014IJSTQ..20..154G. doi:10.1109/JSTQE.2014.2324538.

[5] West, Lawrence (July 1985). "Spectroscopy of GaAs quantum wells". Stanford University. doi:10.2172/5970233. OSTI 5970233.

[:12-6] Kwong-kit, Choi (1997). The Physics Of Quantum Well Infrared Photodetectors. World Scientific. ISBN 978-9810228729.

[:13-7] Kwong-kit, Choi (1997). The Physics Of Quantum Well Infrared Photodetectors. World Scientific. ISBN 978-9810228729.

[:1-8] 1 2 {{cite book}}: Empty citation (help)

[9] Rogalski, Antoni (September 2012). "History of infrared detectors". Opto-Electronics Review. 20 (3): 279. Bibcode:2012OERv...20..279R. doi:10.2478/s11772-012-0037-7 – via ResearchGate.

[10] Majumdar, Amlan; Choi, Kwong-Kit (January 2002). "Two-color quantum-well infrared photodetector with voltage tunable peaks". Applied Physics Letters. 80 (707): 707–709. Bibcode:2002ApPhL..80..707M. doi:10.1063/1.1447004.

[11] Little, J.W.; Kennedy, S.W.; Leavitt, R.P.; Lucas, M.L.; Olver, K.A. (August 1999). "A New Two-Color Infrared Photodetector Design Using INGAAS/INALAS Coupled Quantum Wells". U.S. Army Research Laboratory – via Defense Technical Information Center.

[:2-12] 1 2 Forrai, David; Endres, Darrel; Choi, Kwong-Kit; O'Neill, John (December 2008). "Corrugated QWIP for Tactical Army Applications". U.S. Army Research Laboratory – via Defense Technical Information Center.

[13] Choi, Kwong-Kit; Mait, Joseph (November 1, 2015). "Introduction to the International Year of Light". Research@ARL. 4 (1): 6. Archived from the original on June 10, 2017 – via Defense Technical Information Center.

[:3-14] 1 2 Ackerman, Robert (August 2010). "Infrared Sensor Designers Go to The Well". SIGNAL Magazine. Retrieved August 27, 2018.

[15] "Thermal Infrared Sensor (TIRS)". NASA Landsat Science. August 23, 2018. Retrieved August 27, 2018.

[16] Schneider, Harald, and Hui Chun Liu. Quantum well infrared photodetectors. Springer, 2007.

[الف]

[۱]

[۲]

[۳]

[۴]

[۵]

[۶]

[۷]

[۸]

[۹]

[۱۰]

[۱۱]

[۱۲]

[۱۳]

[۱۴]

[۱۵]