Un fotodetector de infrarrojos de pozo cuántico ( QWIP ) es un fotodetector de infrarrojos que utiliza transiciones electrónicas entre subbandas en pozos cuánticos para absorber fotones. Para poder utilizarlos para la detección infrarroja, los parámetros de los pozos cuánticos en el fotodetector infrarrojo de pozo cuántico se ajustan de modo que la diferencia de energía entre su primer y segundo estado cuantificado coincida con la energía del fotón infrarrojo entrante. Los QWIP suelen estar hechos de arseniuro de galio , un material que se encuentra comúnmente en teléfonos inteligentes y equipos de comunicaciones de alta velocidad. [1] Dependiendo del material y del diseño de los pozos cuánticos, los niveles de energía del QWIP se pueden adaptar para absorber radiación en la región infrarroja de 3 a 20 μm. [2]
Los QWIP son una de las estructuras de dispositivos de mecánica cuántica más simples que pueden detectar radiación infrarroja de longitud de onda media y larga. Son conocidos por su estabilidad, alta uniformidad de píxel a píxel y operatividad con gran cantidad de píxeles. [3]
En 1985, Stephen Eglash y Lawrence West observaron una fuerte transición entre subbandas en múltiples pozos cuánticos (MQW), lo que provocó una consideración más seria sobre el uso de pozos cuánticos para detectores de infrarrojos. [4] Anteriormente, los intentos de utilizar pozos cuánticos para la detección infrarroja se basaban en la absorción libre en pozos cuánticos que llevaban los electrones por encima de las barreras. Sin embargo, los detectores resultantes mostraron una baja sensibilidad. [5]
En 1987, se formularon los principios operativos básicos de un fotodetector infrarrojo de pozo cuántico que demostraba una detección infrarroja sensible. En 1990, la sensibilidad de la tecnología a bajas temperaturas se mejoró aún más aumentando el espesor de la barrera, lo que suprimió la corriente de túnel. [5] En este punto, estos dispositivos se conocían formalmente como fotodetectores infrarrojos de pozo cuántico. [5] [6] En 1991, se obtuvo la primera imagen infrarroja utilizando este enfoque. [5]
En 2002, investigadores del Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. (ARL) desarrollaron un QWIP de dos colores, ajustable en voltaje y con conmutación efectiva de longitud de onda para la detección remota de temperatura. El instrumento exhibió una longitud de onda de detección máxima de 7,5 micrómetros para un sesgo positivo a 10 K cuando los electrones residían en uno de los pozos cuánticos y cambió a 8,8 micrómetros con un gran sesgo negativo cuando los electrones se transfirieron al otro pozo. [7] [8]
Sin embargo, a pesar de su uso en aplicaciones civiles, el ejército estadounidense consideró que la tecnología QWIP era insuficiente para uso militar. En ese momento, los fotodetectores solo podían detectar la cuantificación unidimensional cuando la luz viajaba en paralelo a las capas de material, lo que normalmente ocurría cuando la luz brillaba en el borde del detector. Como resultado, la tecnología QWIP tuvo una eficiencia cuántica de sólo el 5 por ciento. Además, las rejillas de reflexión comúnmente utilizadas en la industria para paliar este problema estaban hechas de postes periódicos muy finos y eran difíciles de producir en grandes formatos. [1]
Para abordar este problema, investigadores del Laboratorio de Investigación del Ejército desarrollaron el fotodetector infrarrojo cuántico corrugado (C-QWIP) en 2008, que utilizaba microespejos en el fotodetector para aumentar la eficacia de redirigir la luz hacia la región del pozo cuántico en cualquier longitud de onda. [9] En esencia, las paredes laterales del detector inclinadas a 45 grados permitían que la luz se reflejara paralelamente a las capas de material para producir una señal eléctrica. [10] Las pruebas realizadas por investigadores de ARL y L-3 Communications Cincinnati Electronics determinaron que el C-QWIP demostró anchos de banda superiores a 3 micrómetros, que era 5 veces más ancho que el QWIP comercial en ese momento. [9] Dado que los C-QWIP se pueden fabricar utilizando arseniuro de galio, sirvieron como una alternativa más asequible a los detectores infrarrojos convencionales para helicópteros del Ejército sin sacrificar la resolución y requiriendo menos calibración y mantenimiento. [11]
En febrero de 2013, la NASA lanzó un satélite que incluía el instrumento Sensor Infrarrojo Térmico (TIRS) como parte de su Misión de Continuidad de Datos Landsat . El TIRS utilizó tres C-QWIP diseñados por el Laboratorio de Investigación del Ejército para detectar longitudes de onda largas de luz emitida por la Tierra y rastrear cómo se utilizan el agua y la tierra del planeta. Esta aplicación marcó la primera vez que se utilizó un QWIP en el espacio. [1] [11] [12]
Los detectores de infrarrojos generalmente funcionan detectando la radiación emitida por un objeto, y la intensidad de la radiación está determinada por factores como la temperatura, la distancia y el tamaño del objeto. A diferencia de la mayoría de los fotodetectores infrarrojos, los QWIP son independientes de la banda prohibida del material de detección, porque se basan en la transición óptica dentro de una única banda de energía. Como resultado, se puede utilizar para detectar objetos con una radiación de energía mucho menor de lo que era posible anteriormente. [5]
Los elementos básicos de un QWIP son los pozos cuánticos , que están separados por barreras. Los pozos cuánticos están diseñados para tener un estado confinado dentro del pozo y un primer estado excitado que se alinea con la parte superior de la barrera. Los pozos están dopados con n de modo que el estado fundamental esté lleno de electrones. Las barreras son lo suficientemente anchas como para evitar la formación de túneles cuánticos entre los pozos cuánticos. Los QWIP típicos constan de 20 a 50 pozos cuánticos. Cuando se aplica un voltaje de polarización al QWIP, toda la banda de conducción se inclina. Sin luz, los electrones de los pozos cuánticos simplemente permanecen en el estado fundamental. Cuando el QWIP se ilumina con luz de la misma o mayor energía que la energía de transición entre subbandas, se excita un electrón.
Una vez que el electrón está en un estado excitado, puede escapar al continuo y medirse como fotocorriente. Para medir externamente una fotocorriente, es necesario extraer electrones aplicando un campo eléctrico a los pozos cuánticos. La eficiencia de este proceso de absorción y extracción depende de varios parámetros.
Corriente fotoeléctrica
Suponiendo que el detector está iluminado con un flujo de fotones (número de fotones por unidad de tiempo), la fotocorriente es
donde es la carga elemental, es la eficiencia de absorción y es la ganancia fotoconductora. [13] y son las probabilidades de que un fotón agregue un electrón a la fotocorriente, también llamada eficiencia cuántica . es la probabilidad de que un fotón excite un electrón y depende de las propiedades de transporte electrónico.
Ganancia fotoconductora
La ganancia fotoconductora es la probabilidad de que un electrón excitado contribuya a la fotocorriente o, más generalmente, el número de electrones en el circuito externo, dividido por el número de electrones cuánticos que absorben un fotón. Aunque puede parecer contradictorio al principio, es posible que sea mayor que uno. Siempre que un electrón se excita y se extrae como fotocorriente, se inyecta un electrón adicional desde el contacto opuesto (emisor) para equilibrar la pérdida de electrones del pozo cuántico. En general, la probabilidad de captura , por lo que un electrón inyectado a veces podría pasar por encima del pozo cuántico y entrar en el contacto opuesto. En ese caso, se inyecta otro electrón desde el contacto del emisor para equilibrar la carga, y nuevamente se dirige hacia el pozo donde podría o no ser capturado, y así sucesivamente, hasta que finalmente se captura un electrón en el pozo. De esta forma, puede llegar a ser más grande que uno.
El valor exacto de está determinado por la relación entre la probabilidad de captura y la probabilidad de escape .
¿Dónde está el número de pozos cuánticos? El número de pozos cuánticos aparece sólo en el denominador, ya que aumenta la probabilidad de captura , pero no la probabilidad de escape .
