Quantentopf-Infrarot-Photodetektor

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Ein Quantentopf-Infrarot-Photodetektor (englisch quantum well infrared photodetector, kurz QWIP-Detektor) ist ein Halbleiterdetektor zum Nachweis von Infrarotstrahlung insbesondere im Bereich 8…14 µm. Alternierende dünne Schichten (typisch um 50) aus III-V-Halbleitern (z.B. AlGaAs/GaAs) mit unterschiedlichen Bandabständen bilden Quantentöpfe, die Infrarotstrahlung absorbieren und Ladungsträger freisetzen.

Eigenschaften[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Sie werden gekühlt betrieben, üblich ist die Temperatur des flüssigen Stickstoffs 77 K, wobei die Kühlung heutzutage nicht mit flüssigem Stickstoff, sondern mit Sterlingmaschinen bewerkstelligt wird.

QWIP´s haben folgende Vor- und Nachteile gegenüber den in vergleichbaren Anwendungen eingesetzten HgCdTe-Fotodioden[1]: Vorteile:

  • geringerer Dunkelstrom
  • geringere Lebensdauer thermisch angeregter Ladungsträger
  • schmalbandige spektrale Empfindlichkei

Nachteile:

  • Strahlung darf nicht senkrecht zur Schichtabfolge eintreffen (keine Absorption)
  • Quantenausbeute geringer (10 %) als bei HgCdTe-Fotodioden (>70 %)

Sie sind prädestiniert für sogenannte Focal Plane Arrays (Kamerachips) im Mittleren Infrarot (um 10 µm Wellenlänge). Aufgrund des geringen Dunkelstromes sind lange Integrationszeiten möglich. Mittels unterschiedlicher Empfangswellenlängen (mehrere Chips) können hochauflösend „Farben“ unterschieden werden.

Aus den Eigenschaften ergeben sich folgende Anwendungen[2]:

  • Atmosphärenforschung
  • Weltraumforschung
  • Thermografie in Wissenschaft und Technik sowie beim Militär

Kamerachips bestehen aus der Quanum-Well-Struktur-Platte, die mit einem Auslesechip (ROIC) auf Basis Silicium Pixel für Pixel zweidimensional kontaktiert ist.

Kameras mit QWIP-Arrays mit 640 × 512 Pixeln und hoher Uniformität der Pixel sind preiswert herstellbar[3]. Rauschäquivalente Temperaturdifferenzen von weniger als 10 mK sind erreichbar

Quellen und Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. http://antonirogalski.com/wp-content/uploads/2011/12/Quantum-well-photoconductors-in-infrared-detector-technology.pdf A. Rogalski: Quantum well photoconductors in infrared detector technology in Journal of Applied Physics, Jahrgang 93, Heft 8, 15. April 2003; Seite 9 im pdf, Seite 4362 im Jahrgang; pdf 1,7MB, englisch, abgerufen am 27. Juni 2017
  2. http://www.ece.rochester.edu/courses/ECE580/docs/Quantum_Well_Infrared_Detector_(Jie_Zhang__Win-Ching_Hung).ppt Jie Zhang, Win-Ching Hung: Quantum Well Infrared Detector; Power Point Präsentation an der University of Rochester, Department of Electrical and Computer Engineering (ECE), abgerufen am 27. Juni 2017
  3. http://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-51/issue-07/feature/photonics-products-mwir-and-lwir-detectors-qwips-capture-lwir-images-at-low-cost.html John Wallace: Photonics Products: MWIR and LWIR Detectors: QWIPs capture LWIR images at low cost in Laser Focus World vom 7. Okt. 2015, abgerufen am 27. Juni 2017