پایان نامه ها

کوانتمی، مادون، آشکارسازهای، آشکارسازها، آشکارساز، میکرومتر

QDIP………………………………………………53
شکل(5-6) نمودار نویز بر حسب میدان الکتریکی در دماهای مختلف ساختار QDIP……………………..53
شکل(5-7) نمودار نویز بر حسب میدان الکتریکی در جند اندازه مختلف نقطه کوانتمی ساختار QDIP.54
شکل(5-8) ساختار آشکارساز RT-DWELL……………………………………………………………………………………………55
شکل(5-9) نمودار چگالی جریان تاریک بر حسب ولتاژ بایاس در RT-DWELL …………………………….55
شکل(5-10) نمودار چگالی جریان تاریک بر حسب ولتاژ بایاس در QDIPوRT-DWELL …………………56
شکل(5-11) نمودار چگالی جریان تاریک بر حسب ولتاژ بایاس در دماهای مختلف در RT-DWELL ….57
شکل(5-12) نمودار نویز جریان تاریک بر حسب ولتاژ بایاس در RT-DWELL ……………………………….58
شکل(5-13) نمودار نویزجریان تاریک بر حسب ولتاژ بایاس در دماهای مختلف در RT-DWELL ……….58
شکل(5-14) نمودار نویز بر حسب ولتاژ بایاس در چند اندازه مختلف نقطه کوانتمی درRT-DWELL ……59
شکل(5-15) نمودار احتمال عبور الکترون ها بر حسب انرژی در ساختار RT-DWELL ………………………60
فصل اول
مقدمه
1-1 آشکارسازهای مادون قرمز
آشکارساز نوری یک قطعه الکتریکی نوری است که انرژی نور را جذب کرده و آن را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند .آشکارسازی که طیف مادون قرمز را جذب و آشکار می نماید آشکارساز مادون قرمز نامیده می شود .اهمیت آشکارسازهای مادون قرمز در آشکارکردن طیف غیرمرئی نور می باشد که بیشتر اجسام در دمای اتاق به صورت تشعشعات مادون قرمز از خودتابش می کنند .معمولا از محدوده مادون قرمز 5-3میکرومتر در صنایع نظامی]4-1[ ، از محدوده15-8 میکرومتر در تصویر برداری حرارتی]5-2[ و از محدوده بیشتر از 20 میکرومتر در کاربردهای تراهرتز استفاده می شود .آشکارسازهای مادون قرمز به صورت گسترده در سیستمهای مخابرات نوری نیز به کار گرفته می شوند .در زمینه آشکارسازهای مادون قرمز تلاشهای زیادی برای بالابردن کیفیت محصول ، بهبود پارامترهای پاسخ ، آشکارکنندگی و دمای عملکرد و روش ساخت صورت گرفته است .برای رفع مشکلات فوق ساختارهای پیشنهادی از حالت حجیم شروع شد و به ساختارهایی مبتنی بر چاه کوانتمی و در نهایت به ساختارهایی مبتنی بر نقاط کوانتمی توسعه پیدا کرده اند . آشکارساز نقطه کوانتمی در مقایسه با آشکارساز چاه کوانتمی مزیت‌هایی دارد که از آن جمله می‌توان به جریان تاریک کمتر، عدم حساسیت به قطبش نور ورودی، قابلیت کار در دمای بالاتر، قابلیت آشکارسازی و پاسخ‌دهی بالاتر اشاره کرد [6]. با استفاده از اثر اندازه کوانتمی و کنترل مواد ترکیبی و ابعاد نقاط کوانتمی قادر خواهیم بود که پاسخ طیفی آشکارسازهای نقطه کوانتمی را در محدوده وسیعی از طیف مادون قرمز کنترل کنیم . به علت مشکل بودن تغییر اندازه نقاط کوانتمی برای کنترل پاسخ طیفی آشکارساز ساختار نقطه در چاه کوانتمی پیشنهاد گردید]7[ که به راحتی با تغییر اندازه چاه کوانتمی میتوان پاسخ طیفی آشکارساز را کنترل کرد .همچنین برای کاهش جریان تاریک آشکارساز، از ساختارنقطه در چاه کوانتمی با تونل زنی تشدیدی]8[ استفاده میگردد که این ساختار جریان تاریک آشکارساز را تا حد زیادی نسبت به آشکارسازهای متداول نقطه کوانتمی کاهش می دهد .به علت اهمیت و تاثیر نویز بر دمای عملکرد آشکارساز در این پایان نامه نویز آشکارسازهای نقطه در چاه کوانتمی با تونل زنی تشدیدی با روش عددی ارایه وبا ساختارهای قبلی آشکارساز مقایسه خواهد شد .
1-2خلاصه بیشینه پژوهشی
آشکارسازهای مادون قرمز یک تکنولوژی با کاربرد های گسترده و در حال گسترش در دنیا می باشد .نور مرئی دارای گستره طول موج بین 400نانومتر تا 700 نانومتر می باشد وطیف نور مادون قرمز شامل طول موجهای بالاتر از 700 نانومتر(طول موج قرمز) می باشد .نور مادون قرمز غیر مرئی می باشد وبه دلیل اینکه بیشتر اجسام نور مادون قرمز از خود ساطع میکنند اهمیت آشکارسازی این امواج بیشتر آشکار می گردد .این آشکارسازها در کاربردهای متنوعی از قبیل کاربردهای نظامی ، هوافضا ، دوربین دید در شب، تصویربرداری حرارتی و مخابرات نوری کاربرد دارند .
اولین بار وجود امواج مادون قرمز در طیف نور خورشید توسط فردریک ویلیام هرشل در اوایل قرن 19 میلادی کشف شد]9 [ و از آن زمان تا کنون بشر با ابزارهای مختلفی سعی در کشف و آنالیز این امواج کرده است .نزدیک ترین محدوده طیف مادون قرمز به نور مرئی در اصطلاح امواج مادون قرمز نزدیک (NIR) نامیده می شوند که گستره طول موج آنها بین 700 نانومتر تا 1 میکرومتر می باشد .گستره بین طول موج 1 میکرومتر تا 3 میکرومتر امواج مادون قرمز کوتاه (SWIR) ،گستره بین 3 میکرومتر تا 5 میکرومتر امواج مادون قرمز میانی (MIR)، گستره بین 8میکرومتر تا 12 میکرومتر امواج مادون قرمز بلند (LWIR) و گستره طول موج بیشتر از 12 میکرومتر امواج مادون قرمز خیلی بلند (VLWIR) نامیده می شوند .معمولا از گستره طول موج بین 3 تا 5 میکرومتر در صنایع نظامی و از گستره طول موج بین 8 تا 12 میکرومتر در تصویر برداری حرارتی استفاده می گردد .در مخابرات نوری نیز گستره بین 1300 نانومتر تا 1600 نانومتر در کاربردهای فیبر نوری استفاده می شود . ]10 [لازم به ذکر است که گستره بین 5 تا 8 میکرومتر به سرعت توسط اتمسفر جذب می شود و در تقسیم بندی طیف مادون قرمز در نظر گرفته نمی شود . ]10[طی نیمه اول قرن19تلاش ها در جهت بهبود سرعت و دقت آشکارسازهای حرارتی معطوف بود .این آشکارسازها از موادی استفاده می کردند که خواص فیزیکی آنها بر اثر گرمای پرتو ورودی به آشکارساز تغییر می کرد .این آشکارسازها دارای حساسیت پایین و سرعت پاسخ کند بودند .]6 [از سال 1930 آشکارسازهای نوری نیمه هادی تکنولوژی آشکارسازها را تحت سلطه خود درآورد.]11[این آشکارسازها پرتو نور ورودی مادون قرمز را به صورت مستقیم به جریان یا ولتاژ الکتریکی تبدیل می کردند .آشکارسازهای نیمه هادی از ساختارهای توده ای یا ساختارهای کوانتمی ساخته می شوند که در ادامه سیر تارخی پیشرفت و مزایا و معایب آنها به ترتیب بیان خواهد شد .اولین آشکارسازهای نیمه هادی ازنوع آشکارسازهای توده ای بودند .تنوع زیادی از مواد برای کاربرد های گوناگون در این نوع آشکارسازها به کار گرفته می شودکه مهمترین آنها ترکیب سه تایی جیوه-کادمیوم-تلوراید (HgCdTe) یا در اصطلاح MCT می باشد .این نوع آشکارساز به دلیل به بلوغ رسیدن تکنولوژی آن و سادگی فرایند ساخت یکی از محبوب ترین آشکارسازها در حال حاضر می باشد .توسعه MCT در سال 1959 و اولین آشکارساز ساخته شده با این تکنولوژی در سال 1962 می باشد .این تکنولوژی در سال 2000 به بلوغ رسید . ]10[با تغییر ترکیب موادبه کار رفته در MCT می توان گستره طول موج بین 700 نانومتر تا 25 میکرومتر را آشکارسازی کرد .این آشکارسازها دارای پاسخ دهی بالا و آشکارکنندگی قابل مقایسه با آشکارسازهای کوانتمی میباشند .عیب این آشکارسازها در دشواری فرایند رشد MCT و ساخت آرایه ای از آنها و همچنین زیاد بودن جریان تاریک و کاهش شدید طول عمر حامل های تولیدی خلاصه میشود . آشکارسازهای مادون قرمز چاه کوانتمی (QWIP) اولین بار در سال 1977توسط ایساکی و ساکاکی پیشنهاد گردید.]12[ مکانیزم عملکرد در این نوع آشکارسازها با آشکارسازهای توده ای متفاوت است .در آشکارسازهای توده ای از مکانیزم گذار بین باندی برای جذب نور استفاده میشود در حالیکه در آشکارسازهای کوانتمی از جذب زیر باندی در باند هدایت یا ظرفیت برای جذب نور و آشکارسازی استفاده میگردد .]6[آشکارسازهای چاه کوانتمی از تکرار متناوب دو ماده با Eg متفاوت مثل GaAs/InGaAs ساخته میشوند . نیمه هادی با Eg کمتر به عنوان چاه و نیمه هادی با Eg بیشتر به عنوان لایه سد شناخته میشوند .در این ساختار به علت محدودیت حامل ها تراز های انرژی گسسته در چاه کوانتمی به وجود می آید .شکل(1-1) .

شکل(1-1):تراز های انرژی چاه کوانتمی
حامل ها با تابش نور مادون قرمز از حالت انرژی پایه به حالت انرژی برانگیخته می روند .آشکارسازهای مادون قرمز چاه کوانتمی در مقایسه با MCT ها دارای جریان تاریک کمتر و در نتیجه دمای عملکرد بالاتر و آشکارکنندگی بالاتر می باشند . به علت به بلوغ رسیدن تکنولوژی ساخت مواد نیمه هادی به کار رفته در آنها فرایند ساخت آنها ساده و به صورت یکنواخت میباشد .مهمترین کاربرد این آشکار سازها در تصویر برداری حرارتی به صورت ساخت آرایه ای از آنها میباشد .مشکل اساسی آشکارسازهای مادون قرمز چاه کوانتمی این است که توانایی آشکارسازی پرتو مادون قرمز که به صورت عمودی به سطح می تابد را ندارند و بنابر این به تزویجگر های نوری از قبیل گریتینگ سطحی نیاز دارند که باعث افزایش پیچیدگی و قیمت آشکارساز می شود . ]13 [ .پس از موفقیت های آشکارسازهای چاه کوانتمی و به منظور رفع محدودیت های این نوع آشکارسازها ، آشکارسازهای مادون قرمز نقطه کوانتمی (QDIP) مورد توجه قرار گرفتند .از سال 1982به مدت بیش از 10 سال بر روی ساختار آشکارسازهای نقطه کوانتمی تحقیق گردید تا اینکه در سال 1993 رشد نقاط کوانتمی توسط لایه نشانی پرتو مولکولی (MBE) انجام گرفت .اصول عملکرد این آشکارسازها شبیه آشکارسازهای چاه کوانتمی می باشد .در این نوع آشکارسازها محدودیت حامل ها در سه بعد اتفاق می افتد که این محدودیت سه بعدی چند ویژگی برجسته به این آشکارسازها می دهد .
به قطبش نور ورودی حساس نمی باشند و بنابراین به گریتینگ نیازی ندارند
جریان تاریک کمتری نسبت به آشکارسازهای چاه کوانتمی دارند
قابلیت کار در دمای عملکرد بالاتر را به علت جریان تاریک کمتر دارا می باشند .
شکل (1-2) به صورت شماتیکی ساختار آشکارساز نقطه کوانتمی را نشان می دهد .
شکل(1-2):آشکارساز نقطه کوانتمی]14[
لازم به ذکر است که خواص ذکر شده برای آشکارسازهای نقطه کوانتمی (QDIP) در صورتی محقق خواهد شد که آرایه نقاط کوانتمی به صورت یکنواخت و هم اندازه باشند و عمده ترین مشکل این نوع آشکارسازها نیز ساخت آرایه ای یکنواخت ازنقاط کوانتمی میباشد]13 [متداول ترین ماده به کار رفته در آشکارسازهای مادون قرمز نقطه کوانتمی InAs/GaAs می باشد .نیمه هادی InAs به عنوان نقطه کوانتمی و نیمه هادی GaAs به عنوان لایه سد می باشد .در آشکارسازهای نقطه کوانتمی می توان با تغییر اندازه نقاط کوانتمی محدوده ای از طول موج ها را آشکار کرد .به علت مشکل بودن تغییر اندازه نقاط کوانتمی از ساختار جدیدی به نام آشکار ساز مادون قرمز نقطه در چاه کوانتمی (DWELL) استفاده می شودکه براحتی با تغییر اندازه چاه کوانتمی می توان بدون تغییر اندازه نقاط کوانتمی محدوده ای از طول موج ها را آشکارکرد .همچنین به علت محدودیت بیشتر حامل ها در این ساختار پیش بینی می شود که جریان تاریک کمتری نسبت به ساختار معمولی نقطه کوانتمی داشته باشد . شکل(1-3).

شکل(1-3).ساختار نقطه در چاه کوانتمی] 15[
لازم به ذکر است که استفاده از این نوع آشکارساز از سال 2002 شروع گردید . ]10 [کاملترین نوع ساختار آشکارسازهای کوانتمی ، ساختار نقطه در چاه کوانتمی با تونل زنی تشدیدی می باشد.
(RT-DWELL) .شکل(1-4)

شکل(1-4):ساختار باند انرژی RT-DWELL ]16 [
در ساختار نقطه کوانتمی با تونل زنی تشدیدی جریان تاریک به میزان قابل توجهی کاهش می یابد زیرا این ساختار به انرژی های خاصی اجازه عبور را می دهد .] 8[هدف این پایان نامه به دست آوردن نویز جریان تاریک این نوع آشکارسازها به روش عددی و مقایسه آن با انواع مدل های قبلی می باشد .
1-3 بیان مسئله
در آشکارسازهای نوری، جریان الکتریکی‌ای که از منابعی به غیر از تحریک نوری ناشی شود به عنوان جریان تاریک تلقی می‌شود. این جریان که به صورت نویز عمل می‌کند، نقش اساسی در محدود نمودن عملکرد آشکارساز نوری مادون قرمز برعهده دارد و مستقیماً دمای عملکرد آنرا تعیین می نماید. مولفه‌های اصلی جریان تاریک در آشکارسازهای مادون قرمز نقطه کوانتمی عبارتند از گسیل گرما‌ یونی و تونل‌زنی حامل‌ها به کمک میدان. جریان تاریک حتی در غیاب نور نیز جریان پیدا می‌کند و به عنوان یک منبع نویز نقش به سزائی در محدود کردن عملکرد این نوع از آشکارسازها دارد. در مولفه گرمایونی، حامل‌ها به صورت گرمائی به ترازهای پیوسته بالای سد تحریک شده و تبدیل به بخشی از جریان اصلی می‌شود. برای مولفه‌های تونل‌زنی به کمک میدان، حامل‌ها به صورت گرمائی به ترازهای بالاتر ( زیر سطح بالایی چاه ) تحریک شده سپس حامل‌ها از طریق راس مثلثی سد تونل زنی کرده و در تشکیل جریان مشارکت می‌کنند [13]. معمولاً در بررسی‌های تئوری فرض بر این است که جریان تاریک تنها ناشی از گسیل گرما‌ یونی است اما اندازه‌گیری‌های آزمایشگاهی جریان تاریک نشان داده است که بخش قابل توجهی از جریان تاریک ناشی از مولفه تونل‌زنی است [18]. مدل‌های مختلفی برای محاسبه جریان تاریک ارائه شده است که از آن جمله می‌توان به مدل ارائه شده توسط رایژی اشاره کرد که با محاسبه نرخ الکترون‌های حاصل از تحریک گرمائی و همچنین نرخ الکترون‌های حاصل از پدیده تونل‌زنی جریان تاریک محاسبه می‌شود [18]. مدل دیگری با استفاده از مدل انتشار- گیرش اولین بار توسط لییو در سال 1993 برای محاسبه جریان تاریک آشکارسازهای مادون قرمز چاه کوانتومی معرفی گردید [19] .در مدل های بیان شده جریان تاریک در ساختارهای کوانتمی معمولی و به صورت تحلیلی بیان گردیده است .
در این پایان نامه نویز مربوط به جریان تاریک آشکارسازهای عملی تر RT-DWELL به صورت عددی محاسبه و بامدل های قبلی مقایسه می شود .انتظار می رود به دلیل پدیده تونل زنی تشدیدی کاهش چشمگیری در نویز آشکارساز نقطه کوانتمی شاهد باشیم .
1-4 پیکربندی پایان نامه
با توجه به آنچه گفته شد ، د

متن کامل پایان نامه ها در 40y.ir

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *