آشکارسازهای نوری: بخش اول – آشکارسازهای نیمه هادی

ارسال شده در: دسته‌بندی نشده | 0

 آشکارسازهای نوری 
آشکارسازهای نوری به عنوان یک نوع مهم از افزاره‌های الکترونیکی برای تبدیل انرژی موج الکترومغناطیسی(فوتون) به انرژی الکتریکی در محدوده‌ی طیفی مورد نظر پدید آمدند. ساختارهای متداول آشکارساز نوری شامل یک ورقه‌ای از نیمه‌هادی( نوررساناها)، یا پیوند نیمه‌هادی/نیمه‌هادی (اشکال مختلف از دیود ) یا یک پیوند فلز/نیمه‌هادی(دیودهای شاتکی) است. عملکرد آشکارسازهای نوری می‌تواند تا حد زیادی با استفاده از پشته‌ی پیچیده‌ای از لایه‌ها و یا با استفاده از ساختارهای پیشرفته از جمله نانوساختارهای پلاسمونیک بهبود بخشید. به طور خاص، آشکارسازهای نوری پلاسمونیک برای افزایش جذب موج الکترومغناطیسی توسط واسطه SPPs طراحی شده‌اند ، به طور معمول توسط برانگیختن مدهای رزونانس، که به موجب آن پاسخ نوری افزایش می‌یابد. آشکارسازهای پلاسمونیک عمدتا شامل ساختارهای فلزات نجیب برای پشتیبانی مدهای رزونانس پلاسمون قوی هستند مکانیزم تشخیص که می تواند انتشار نوری داخلی یا تولید جفت الکترون- حفره باشد را تسهیل‌کند.

.

آشکارسازهای نوری نیمه‌هادی

ما ابتدا مکانیزم آشکارسازی نوری با استفاده از یک آشکارسازنوری دیود شاتکی ساده را به عنوان یک مثال که بعدا به درک سهم ساختارهای پلاسمونیک کمک می‌کند را توضیح می‌دهیم. در نظرگرفتن یک دیود شاتکی برای توصیف دو مکانیزم آشکارسازی نوری مختلف بسیار آموزنده‌تر است. در این مثال، تشخیص فوتون توسط یک دیود روی یک نیمه هادی سیلیکون نوع n انجام شده است. شکل۲-۱  شماتیک یک دیود شاتکی متداول روی یک بستر سیلیکون نشان می‌دهد، که دو اتصال فلزی روی سطح‌های بالایی و پایینی قرار گرفته است. بخش بالایی سیلیکون نوع n است درحالی که بخش پایینی به شدت آلاییده شده n+ – si منجر به اتصال شاتکی تصحیح در فصل مشترک بالایی و اتصال اهمی غیرتصحیح در فصل مشترک پایینی می‌شود. دو مکانیزم ممکن آشکارسازی فوتون در شکل زیر نشان داده شده است. اولی مربوط به تولید جفت‌های الکترون- حفره(EHP) روی سطح نیمه‌هادی ناشی از جذب انرژی نوری ورودی است، که این انرژی بزرگتر از انرژی شکاف باند سیلیکون است(Eg<hv).

 

 

آشکارسازی فوتون توسط فرآیند تولید EHP دارای سه گام اساسی است: (i) توان نور فرودی توسط نیمه‌هادی جذب شده و منجر به ایجاد جفت الکترون- حفره‌ها (EHPs) می‌شود، (ii) بایاس معکوس اعمالی vb<0 به اتصال فلزی شاتکی، یک ناحیه تهی با میدان الکتریکی بالا تشکیل می‌دهد که منجر می‌شود EHPs ها از هم جدا شده و در سرتاسر ناحیه جذب حمل شوند، و (iii) جریان نوری توسط جمع آوری EHPs ها در اتصال‌های افزاره تشکیل شده است. مکانیزم ممکن دیگر مبتنی بر ایجاد حامل‌های داغ در فلز از طریق فرآیند گسیل فوتون داخلی است(IPE). در این رژیم، جذب توان نور فرودی یک نقش کلیدی را بازی می‌کند. باید تاکید کنیم که در این مکانیزم انرژی نور فرودی باید بزرگتر از انرژی سد شاتکی باشد. همانطور که در شکل فوق نشان داده شده است، این فرآیند نیز می‌تواند توسط سه گام توصیف شود: (i) جذب نور توسط بخش‌های فلزی منجر به تحریک- نوری حامل‌های داغ(p) می‌شود، (ii) حامل‌های داغ به اتصال شاتکی منتقل می‌شوند، (iii) در نهایت گسیل و جمع‌آوری حامل‌های داغ  روی سد شاتکی به داخل نیمه‌هادی تحت اعمال یک بایاس معکوس جریان نوری تولید می‌کند. تفاوت اصلی بین دو فرآیند توانایی تشخیص انرژی‌های فرودی زیر انرژی شکاف باند(Eg>hv) برای مکانیزم آخر است. به هر حال، ایجاد EHPs در نیمه‌هادی بسیار کارآمد و برتر است در مقایسه با تشکیل حامل داغ و در نتیجه معمولا فرآیند آشکارسازی غالب می‌شود. راندمان کوانتومی داخلی (IQE) یک پارامتر مهم کمی عملکرد آشکارسازنوری است. آن می‌تواند توسط تعدادی از عواملی که در تشکیل جریان نوری(Ip) مشارکت دارند تعیین می‌شود.

که q بار پایه و A انرژی نوری جذبی استفاده شده در تولید جریان نوری است. به هر حال، برای مکانیزم دوم مبتنی بر تولید حامل داغ، فرمول بالا می‌تواند به صورت زیر اصلاح شود، که IQE در اتصال‌های فلزی شاتکی را تعریف می‌کند:

دیدگاهی بنویسید