Fotodetector infravermelho de poço quântico - Quantum well infrared photodetector
Um Quantum Well Infrared Photodetector ( QWIP ) é um fotodetector infravermelho , que usa transições eletrônicas entre sub-bandas em poços quânticos para absorver fótons. Para serem usados para detecção de infravermelho, os parâmetros dos poços quânticos no fotodetector infravermelho de poços quânticos são ajustados de modo que a diferença de energia entre seu primeiro e segundo estados quantizados corresponda à energia do fóton infravermelho que entra. Os QWIPs são normalmente feitos de arsenieto de gálio , um material comumente encontrado em smartphones e equipamentos de comunicação de alta velocidade. Dependendo do material e do projeto dos poços quânticos, os níveis de energia do QWIP podem ser ajustados para absorver radiação na região infravermelha de 3 a 20 µm.
Os QWIPs são uma das estruturas de dispositivos de mecânica quântica mais simples que podem detectar radiação infravermelha de comprimento de onda médio e longo. Eles são conhecidos por sua estabilidade, alta uniformidade pixel a pixel e alta operabilidade de pixel.
História
Em 1985, Stephen Eglash e Lawrence West observaram forte transição intersubband em poços quânticos múltiplos (MQW) que levou a considerações mais sérias sobre o uso de poços quânticos para detectores infravermelhos. Anteriormente, as tentativas de usar poços quânticos para detecção de infravermelho eram baseadas na absorção livre em poços quânticos que trazem os elétrons para o topo das barreiras. No entanto, os detectores resultantes exibiram baixa sensibilidade.
Em 1987, foram formulados os princípios operacionais básicos para um fotodetector infravermelho de poço quântico que demonstrasse detecção infravermelha sensível. Em 1990, a sensibilidade da tecnologia a baixas temperaturas foi melhorada ainda mais com o aumento da espessura da barreira, que suprimia a corrente de tunelamento. Neste ponto, esses dispositivos eram formalmente conhecidos como fotodetectores infravermelhos de poços quânticos. Em 1991, a primeira imagem infravermelha foi obtida usando essa abordagem.
Em 2002, pesquisadores do Laboratório de Pesquisa do Exército dos EUA (ARL) desenvolveram um QWIP de duas cores ajustável por tensão com comutação de comprimento de onda eficaz para sensoriamento remoto de temperatura. O instrumento exibiu um comprimento de onda de detecção de pico de 7,5 micrômetros para polarização positiva em 10 K quando os elétrons residiam em um dos poços quânticos e mudaram para 8,8 micrômetros em uma grande polarização negativa quando os elétrons foram transferidos para o outro poço.
No entanto, apesar de seu uso em aplicações civis, a tecnologia QWIP foi considerada insuficiente pelos militares dos EUA para uso militar. Na época, os fotodetectores só podiam sentir a quantização unidimensional quando a luz viajava em paralelo às camadas de material, o que normalmente ocorria quando a luz brilhava na borda do detector. Como resultado, a tecnologia QWIP teve uma eficiência quântica de apenas 5 por cento. Além disso, as grades de reflexão comumente usadas na indústria para aliviar esse problema eram feitas de postes periódicos muito finos e eram difíceis de produzir em grandes formatos.
Para resolver este problema, pesquisadores do Laboratório de Pesquisa do Exército desenvolveram o fotodetector infravermelho quântico ondulado (C-QWIP) em 2008, que usava micro -espelhos no fotodetector para aumentar a eficácia de redirecionar a luz para a região do poço quântico em qualquer comprimento de onda. Em essência, as paredes laterais do detector inclinadas a 45 graus permitiram que a luz fosse refletida paralelamente às camadas de material para produzir um sinal elétrico. Testes conduzidos por pesquisadores da ARL e L-3 Communications Cincinnati Electronics determinaram que o C-QWIP demonstrou larguras de banda superiores a 3 micrômetros, o que era 5 vezes maior do que o QWIP comercial na época. Como os C-QWIPs podem ser fabricados com arsenieto de gálio, eles serviram como uma alternativa mais acessível aos detectores infravermelhos convencionais para helicópteros do Exército sem sacrificar a resolução e exigindo menos calibração e manutenção.
Em fevereiro de 2013, a NASA lançou um satélite que apresentava o instrumento Thermal Infrared Sensor (TIRS) como parte de sua missão de continuidade de dados Landsat . O TIRS utilizou três C-QWIPs projetados pelo Laboratório de Pesquisa do Exército para detectar longos comprimentos de onda de luz emitida pela Terra e rastrear como a água e a terra do planeta estão sendo usadas. Este aplicativo marcou a primeira vez que um QWIP foi usado no espaço.
Função
Os detectores infravermelhos geralmente funcionam detectando a radiação emitida por um objeto, e a intensidade da radiação é determinada por fatores como temperatura, distância e tamanho do objeto. Ao contrário da maioria dos fotodetectores infravermelhos, os QWIPs são independentes do gap do material de detecção, porque se baseiam na transição óptica dentro de uma única banda de energia. Como resultado, ele pode ser usado para detectar objetos com radiação de energia muito menor do que era possível anteriormente.
Os elementos básicos de um QWIP são poços quânticos , que são separados por barreiras. Os poços quânticos são projetados para ter um estado confinado dentro do poço e um primeiro estado excitado que se alinha com o topo da barreira. Os poços são n-dopados de forma que o estado fundamental seja preenchido com elétrons. As barreiras são largas o suficiente para evitar o tunelamento quântico entre os poços quânticos. QWIPs típicos consistem de 20 a 50 poços quânticos. Quando uma tensão de polarização é aplicada ao QWIP, toda a banda de condução é inclinada. Sem luz, os elétrons nos poços quânticos apenas permanecem no estado fundamental. Quando o QWIP é iluminado com luz da mesma ou mais alta energia que a energia de transição entre as sub-bandas, um elétron é excitado.
Uma vez que o elétron está em um estado excitado, ele pode escapar para o continuum e ser medido como fotocorrente. Para medir externamente uma fotocorrente, os elétrons precisam ser extraídos pela aplicação de um campo elétrico aos poços quânticos. A eficiência desse processo de absorção e extração depende de vários parâmetros.
Fotocorrente
Supondo que o detector seja iluminado com um fluxo de fótons (número de fótons por unidade de tempo), a fotocorrente é
onde está a carga elementar, é a eficiência de absorção e é o ganho fotocondutivo. e são as probabilidades de um fóton adicionar um elétron à fotocorrente, também chamada de eficiência quântica . é a probabilidade de um fóton excitar um elétron e depende das propriedades de transporte eletrônico.
Ganho fotocondutivo
O ganho fotocondutivo é a probabilidade de que um elétron excitado contribua para a fotocorrente - ou mais geralmente, o número de elétrons no circuito externo, dividido pelo número de elétrons quânticos que absorvem um fóton. Embora possa ser contra-intuitivo no início, é possível ser maior do que um. Sempre que um elétron é excitado e extraído como fotocorrente, um elétron extra é injetado do contato oposto (emissor) para equilibrar a perda de elétrons do poço quântico. Em geral, a probabilidade de captura , portanto, um elétron injetado pode, às vezes, passar pelo poço quântico e entrar no contato oposto. Nesse caso, outro elétron é injetado do contato do emissor para equilibrar a carga, e novamente se dirige para o poço onde pode ou não ser capturado, e assim por diante, até que, eventualmente, um elétron seja capturado no poço. Desta forma, pode se tornar maior que um.
O valor exato de é determinado pela razão de probabilidade de captura e probabilidade de escape .
onde está o número de poços quânticos. O número de poços quânticos aparece apenas no denominador, pois aumenta a probabilidade de captura , mas não a probabilidade de escape .
