क्वांटम वेल इन्फ्रारेड फोटोडिटेक्टर

क्वांटम अच्छी तरह से  अवरक्त  फोटोडिटेक्टर (क्यूडब्ल्यूआईपी) एक इन्फ्रारेड फोटोडिटेक्टर है, जो फोटॉन को अवशोषित करने के लिए क्वांटम वेल में इलेक्ट्रॉनिक इंटरसबबैंड संक्रमण का उपयोग करता है। इन्फ्रारेड डिटेक्शन के लिए उपयोग किए जाने के लिए, क्वांटम वेल इन्फ्रारेड फोटोडिटेक्टर में क्वांटम वेल्स के मापदंडों को समायोजित किया जाता है ताकि इसकी पहली और दूसरी परिमाणित राज्य प्रणाली विधि के बीच ऊर्जा अंतर आने वाली इन्फ्रारेड फोटॉन ऊर्जा से मेल खाए। QWIP आमतौर पर गैलियम आर्सेनाइड से बने होते हैं, जो आमतौर पर स्मार्टफोन और उच्च गति संचार उपकरणों में पाया जाने वाला पदार्थ है। क्वांटम कुओं की सामग्री और डिज़ाइन के आधार पर, QWIP के ऊर्जा स्तर को इन्फ्रारेड में 3 से 20 µm तक विकिरण को अवशोषित करने के लिए तैयार किया जा सकता है। QWIP सबसे सरल क्वांटम यांत्रिकी उपकरण संरचनाओं में से एक है जो मध्य-तरंग दैर्ध्य और लंबी-तरंग दैर्ध्य अवरक्त विकिरण का पता लगा सकता है। वे अपनी स्थिरता, उच्च पिक्सेल-से-पिक्सेल एकरूपता और उच्च-पिक्सेल संचालन क्षमता के लिए जाने जाते हैं।

इतिहास
1985 में, स्टीफन एग्लैश और लॉरेंस वेस्ट ने एकाधिक क्वांटम अच्छी तरह से |मल्टीपल क्वांटम वेल (एमक्यूडब्ल्यू) में मजबूत इंटरसबबैंड संक्रमण देखा, जिसने इन्फ्रारेड डिटेक्टरों के लिए क्वांटम वेल का उपयोग करने पर अधिक गंभीरता से विचार करने के लिए प्रेरित किया। पहले, इन्फ्रारेड पहचान के लिए क्वांटम कुओं का उपयोग करने के प्रयास क्वांटम कुओं में मुक्त अवशोषण पर आधारित थे जो इलेक्ट्रॉनों को बाधाओं के शीर्ष पर लाते हैं। हालाँकि, परिणामी डिटेक्टरों ने कम संवेदनशीलता प्रदर्शित की। 1987 तक, क्वांटम वेल इंफ्रारेड फोटोडिटेक्टर के लिए बुनियादी ऑपरेटिंग सिद्धांत तैयार किए गए थे, जो संवेदनशील इंफ्रारेड डिटेक्शन का प्रदर्शन करते थे। 1990 में, बैरियर की मोटाई बढ़ाकर प्रौद्योगिकी की निम्न-तापमान संवेदनशीलता में और सुधार किया गया, जिसने टनलिंग करंट को दबा दिया। इस बिंदु पर, इन उपकरणों को औपचारिक रूप से क्वांटम वेल इंफ्रारेड फोटोडिटेक्टर के रूप में जाना जाता था। 1991 में, इस दृष्टिकोण का उपयोग करके पहली अवरक्त छवि प्राप्त की गई थी।

2002 में, यूनाइटेड स्टेट्स आर्मी रिसर्च लेबोरेटरी|यू.एस. के शोधकर्ता। आर्मी रिसर्च लेबोरेटरी (ARL) ने रिमोट तापमान सेंसिंग के लिए प्रभावी तरंग दैर्ध्य स्विचिंग के साथ एक वोल्टेज-ट्यून करने योग्य, दो-रंग QWIP विकसित किया। उपकरण ने 10 K पर सकारात्मक पूर्वाग्रह के लिए 7.5 माइक्रोमीटर की चरम पहचान तरंग दैर्ध्य प्रदर्शित की, जब इलेक्ट्रॉन क्वांटम कुओं में से एक में रहते थे और जब इलेक्ट्रॉनों को दूसरे कुएं में स्थानांतरित किया गया तो एक बड़े नकारात्मक पूर्वाग्रह पर 8.8 माइक्रोमीटर पर स्विच किया गया। फिर भी नागरिक अनुप्रयोगों में इसके उपयोग के बावजूद, क्यूडब्ल्यूआईपी तकनीक को अमेरिकी सेना द्वारा सैन्य उपयोग के लिए अपर्याप्त माना गया था। उस समय, फोटोडिटेक्टर केवल विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र के एक-आयामी परिमाणीकरण को समझ सकते थे जब प्रकाश भौतिक परतों के समानांतर यात्रा करता था, जो आमतौर पर तब होता था जब प्रकाश डिटेक्टर के किनारे पर चमकता था। परिणामस्वरूप, QWIP तकनीक की क्वांटम दक्षता केवल 5 प्रतिशत थी। इसके अलावा, इस समस्या को कम करने के लिए उद्योग में आमतौर पर उपयोग की जाने वाली प्रतिबिंब झंझरी  बहुत ही बारीक आवधिक पोस्टों से बनी होती थी और बड़े प्रारूपों में उत्पादन करना मुश्किल होता था।

इस समस्या का समाधान करने के लिए, सेना अनुसंधान प्रयोगशाला के शोधकर्ताओं ने 2008 में नालीदार क्वांटम इन्फ्रारेड फोटोडिटेक्टर (सी-क्यूडब्ल्यूआईपी) विकसित किया, जिसने किसी भी तरंग दैर्ध्य पर क्वांटम वेल क्षेत्र पर प्रकाश को पुनर्निर्देशित करने की प्रभावशीलता को बढ़ाने के लिए फोटोडिटेक्टर पर माइक्रोमिरर डिवाइस का उपयोग किया। संक्षेप में, 45-डिग्री झुके हुए डिटेक्टर साइडवॉल ने विद्युत संकेत उत्पन्न करने के लिए प्रकाश को सामग्री परतों के समानांतर प्रतिबिंबित करने की अनुमति दी। एआरएल और एल-3 कम्युनिकेशंस सिनसिनाटी इलेक्ट्रॉनिक्स के शोधकर्ताओं द्वारा किए गए परीक्षणों से पता चला कि सी-क्यूडब्ल्यूआईपी ने 3 माइक्रोमीटर से अधिक बैंडविड्थ का प्रदर्शन किया, जो उस समय वाणिज्यिक क्यूडब्ल्यूआईपी से 5 गुना अधिक व्यापक था। चूंकि सी-क्यूडब्ल्यूआईपी का निर्माण गैलियम आर्सेनाइड का उपयोग करके किया जा सकता है, इसलिए वे रिज़ॉल्यूशन का त्याग किए बिना और कम अंशांकन और रखरखाव की आवश्यकता के बिना सेना के हेलीकॉप्टरों के लिए पारंपरिक इन्फ्रारेड डिटेक्टरों के अधिक किफायती विकल्प के रूप में काम करते हैं। फरवरी 2013 में, नासा ने एक उपग्रह लॉन्च किया जिसमें उसके लैंडसैट डेटा निरंतरता मिशन के हिस्से के रूप में थर्मल इन्फ्रारेड सेंसर (टीआईआरएस) उपकरण शामिल था। टीआईआरएस ने पृथ्वी द्वारा उत्सर्जित प्रकाश की लंबी तरंग दैर्ध्य का पता लगाने और ग्रह के पानी और भूमि का उपयोग कैसे किया जा रहा है, इसका पता लगाने के लिए सेना अनुसंधान प्रयोगशाला द्वारा डिजाइन किए गए तीन सी-क्यूडब्ल्यूआईपी का उपयोग किया। इस एप्लिकेशन ने पहली बार अंतरिक्ष में QWIP का उपयोग किया गया था।

फ़ंक्शन
इन्फ्रारेड डिटेक्टर आम तौर पर किसी वस्तु द्वारा उत्सर्जित विकिरण का पता लगाकर काम करते हैं, और विकिरण की तीव्रता वस्तु के तापमान, दूरी और आकार जैसे कारकों द्वारा निर्धारित की जाती है। अधिकांश इन्फ्रारेड फोटोडिटेक्टरों के विपरीत, क्यूडब्ल्यूआईपी पता लगाने वाली सामग्री के ऊर्जा अंतराल से स्वतंत्र होते हैं, क्योंकि वे एकल ऊर्जा बैंड के भीतर ऑप्टिकल संक्रमण विकिरण पर आधारित होते हैं। परिणामस्वरूप, इसका उपयोग पहले की तुलना में बहुत कम ऊर्जा विकिरण वाली वस्तुओं का पता लगाने के लिए किया जा सकता है।

QWIP के मूल तत्व क्वांटम कुएं हैं, जो बाधाओं से अलग होते हैं। क्वांटम कुओं को कुएं के अंदर एक सीमित स्थिति और पहली उत्तेजित स्थिति के लिए डिज़ाइन किया गया है जो बाधा के शीर्ष के साथ संरेखित होती है। कुओं को एन-डोपित किया जाता है ताकि ज़मीनी अवस्था इलेक्ट्रॉनों से भर जाए। क्वांटम कुओं के बीच क्वांटम टनलिंग को रोकने के लिए बाधाएं काफी चौड़ी हैं। विशिष्ट QWIP में 20 से 50 क्वांटम कुएं होते हैं। जब बायस वोल्टेज को QWIP पर लागू किया जाता है, तो संपूर्ण चालन बैंड झुका हुआ होता है। प्रकाश के बिना क्वांटम कुओं में इलेक्ट्रॉन बस जमीनी अवस्था में बैठे रहते हैं। जब QWIP को इंटरसबबैंड संक्रमण ऊर्जा के समान या उच्च ऊर्जा के प्रकाश से प्रकाशित किया जाता है, तो एक इलेक्ट्रॉन उत्तेजित होता है।

एक बार जब इलेक्ट्रॉन उत्तेजित अवस्था में होता है, तो यह सातत्य में भाग सकता है और फोटोकरंट के रूप में मापा जा सकता है। किसी फोटोकरंट को बाह्य रूप से मापने के लिए क्वांटम कुओं में एक विद्युत क्षेत्र लागू करके इलेक्ट्रॉनों को निकालने की आवश्यकता होती है। इस अवशोषण और निष्कर्षण प्रक्रिया की दक्षता कई मापदंडों पर निर्भर करती है।

फोटोकरंट

यह मानते हुए कि डिटेक्टर एक फोटॉन फ्लक्स से प्रकाशित होता है $$\phi$$ (प्रति इकाई समय में फोटॉन की संख्या), फोटोकरंट $$I_{ph}$$ है

$$I_{ph}=e\phi\eta g_{ph}$$ कहाँ $$e$$ प्राथमिक प्रभार है, $$\eta$$ अवशोषण दक्षता है और $$g_{ph}$$ फोटोकंडक्टिव लाभ है. $$\eta$$ और $$g_{ph}$$ एक फोटॉन के लिए फोटोकरंट में एक इलेक्ट्रॉन जोड़ने की संभावनाएं हैं, जिसे क्वांटम दक्षता भी कहा जाता है। $$\eta$$ एक फोटॉन द्वारा एक इलेक्ट्रॉन को उत्तेजित करने की संभावना है, और $$g_{ph}$$ इलेक्ट्रॉनिक परिवहन गुणों पर निर्भर करता है।

फोटोकंडक्टिव लाभ

फोटोकंडक्टिव लाभ $$g_{ph}$$ यह संभावना है कि एक उत्तेजित इलेक्ट्रॉन फोटोकरंट में योगदान देता है - या अधिक सामान्यतः, बाहरी सर्किट में इलेक्ट्रॉनों की संख्या, एक फोटॉन को अवशोषित करने वाले क्वांटम वेल इलेक्ट्रॉनों की संख्या से विभाजित होती है। हालाँकि शुरुआत में यह उल्टा लग सकता है, लेकिन यह संभव है $$g_{ph}$$ एक से बड़ा होना. जब भी कोई इलेक्ट्रॉन उत्तेजित होता है और फोटोकरंट के रूप में निकाला जाता है, तो क्वांटम कुएं से इलेक्ट्रॉनों के नुकसान को संतुलित करने के लिए विपरीत (उत्सर्जक) संपर्क से एक अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन इंजेक्ट किया जाता है। सामान्य तौर पर कब्जे की संभावना $$p_{c}\leq1$$, इसलिए एक इंजेक्ट किया गया इलेक्ट्रॉन कभी-कभी क्वांटम के ऊपर से गुजर सकता है और विपरीत संपर्क में जा सकता है। उस स्थिति में, चार्ज को संतुलित करने के लिए उत्सर्जक संपर्क से एक और इलेक्ट्रॉन इंजेक्ट किया जाता है, और फिर से कुएं की ओर जाता है जहां यह कैप्चर हो भी सकता है और नहीं भी, और इसी तरह, जब तक कि अंततः एक इलेक्ट्रॉन कुएं में कैप्चर नहीं हो जाता। इस प्रकार से, $$g_{ph}$$ एक से बड़ा हो सकता है.

का सटीक मान $$g_{ph}$$ कैप्चर संभाव्यता के अनुपात से निर्धारित होता है $$p_{c}$$ और बचने की संभावना $$p_{e}$$.

$$g_{ph}=\frac{p_{e}}{N\, p_{c}}$$ कहाँ $$N$$ क्वांटम कुओं की संख्या है. क्वांटम कुओं की संख्या केवल हर में दिखाई देती है, क्योंकि इससे कैप्चर संभावना बढ़ जाती है $$p_{c}$$, लेकिन भागने की संभावना नहीं $$p_{e}$$.

बाहरी संबंध

 * NASA QWIP research
 * Corrogated QWIP for megapixel sensors (Twenty-Seventh Army Science Conference)