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Ein '''Quantentopf-Infrarot-Photodetektor''' ({{enS|''quantum well infrared photodetector''}}, kurz '''QWIP-Detektor''') ist ein [[Halbleiterdetektor]] zum Nachweis von [[Infrarotstrahlung]] insbesondere im Bereich 8…14 µm. Alternierende [[dünne Schicht]]en (typisch um 50) aus [[III-V-Halbleiter]]n (z.B. [[AlGaAs]]/[[Galliumarsenid|GaAs]]) mit unterschiedlichen [[Bandabstand|Bandabständen]] bilden [[Quantentopf|Quantentöpfe]], die Infrarotstrahlung absorbieren und Ladungsträger freisetzen. | Ein '''Quantentopf-Infrarot-Photodetektor''' ({{enS|''quantum well infrared photodetector''}}, kurz '''QWIP-Detektor''') ist ein [[Halbleiterdetektor]] zum Nachweis von [[Infrarotstrahlung]] insbesondere im Bereich 8…14 µm. Alternierende [[dünne Schicht]]en (typisch um 50) aus [[III-V-Halbleiter]]n (z. B. [[AlGaAs]]/[[Galliumarsenid|GaAs]]) mit unterschiedlichen [[Bandabstand|Bandabständen]] bilden [[Quantentopf|Quantentöpfe]], die Infrarotstrahlung absorbieren und Ladungsträger freisetzen. | ||
== Eigenschaften == | == Eigenschaften == | ||
Sie werden gekühlt betrieben | Sie werden gekühlt betrieben. Üblich sind Temperaturen unterhalb von 77 K, dem [[Siedepunkt]] von [[Stickstoff]]. Heutzutage wird die Kühlung mit [[Stirlingmotor]]en statt flüssigen Stickstoffs bewerkstelligt.<!--Quelle?--> | ||
QWIPs haben einige Vor- und Nachteile gegenüber den in vergleichbaren Anwendungen eingesetzten HgCdTe-[[Fotodiode]]n:<ref>A. Rogalski: [http://antonirogalski.com/wp-content/uploads/2011/12/Quantum-well-photoconductors-in-infrared-detector-technology.pdf ''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, abgerufen am 27. Juni 2017 (PDF; 1,7 MB; englisch).</ref> | |||
Vorteile: | Vorteile: | ||
*geringerer Dunkelstrom | *geringerer [[Dunkelstrom]] | ||
*geringere Lebensdauer thermisch angeregter Ladungsträger | *geringere Lebensdauer thermisch angeregter Ladungsträger | ||
*schmalbandige spektrale | *schmalbandige spektrale Empfindlichkeit | ||
Nachteile: | Nachteile: | ||
*Strahlung darf nicht senkrecht zur Schichtabfolge eintreffen (keine Absorption) | *Strahlung darf nicht senkrecht zur Schichtabfolge eintreffen (keine Absorption) | ||
*Quantenausbeute geringer (10 %) als bei HgCdTe-Fotodioden (>70 %) | *[[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. | Sie sind prädestiniert für sogenannte ''Focal Plane Arrays'' (Kamerachips) im [[Infrarotstrahlung|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<ref>http://www.ece.rochester.edu/courses/ECE580/docs/Quantum_Well_Infrared_Detector_(Jie_Zhang__Win-Ching_Hung).ppt | Aus den Eigenschaften ergeben sich folgende Anwendungen:<ref>Jie Zhang, Win-Ching Hung: [http://www.ece.rochester.edu/courses/ECE580/docs/Quantum_Well_Infrared_Detector_(Jie_Zhang__Win-Ching_Hung).ppt ''Quantum Well Infrared Detector.''] [[University of Rochester]], Department of Electrical and Computer Engineering (ECE), abgerufen am 27. Juni 2017 (Power-Point-Präsentation).</ref> | ||
*Atmosphärenforschung | * [[Erdatmosphäre#Erforschung|Atmosphärenforschung]] | ||
*Weltraumforschung | * [[Weltraumforschung]] | ||
*Thermografie in Wissenschaft und Technik sowie beim Militär | * [[Thermografie]] in Wissenschaft und Technik sowie beim Militär | ||
Kamerachips bestehen aus der | Kamerachips bestehen aus der [[Quantentopf|Quantum-Well]]-Struktur-Platte, die mit einem Auslesechip (''readout integrated circuit (ROIC)'') auf Basis von [[Silizium]] Pixel für Pixel zweidimensional kontaktiert ist. | ||
Kameras mit QWIP-Arrays mit 640 × 512 Pixeln und hoher Uniformität der Pixel sind preiswert herstellbar.<ref>John Wallace: [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 ''Photonics Products: MWIR and LWIR Detectors: QWIPs capture LWIR images at low cost.''] In: ''[[Laser Focus World]]'', 7. Oktober 2015, abgerufen am 27. Juni 2017.</ref> Rauschäquivalente Temperaturdifferenzen von weniger als 10 mK sind erreichbar.<!--Quelle?--> | |||
== Quellen und Literatur == | == Quellen und Literatur == | ||
<references/> | <references /> | ||
[[Kategorie:Teilchendetektor]] | [[Kategorie:Teilchendetektor]] | ||
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.
Sie werden gekühlt betrieben. Üblich sind Temperaturen unterhalb von 77 K, dem Siedepunkt von Stickstoff. Heutzutage wird die Kühlung mit Stirlingmotoren statt flüssigen Stickstoffs bewerkstelligt.
QWIPs haben einige Vor- und Nachteile gegenüber den in vergleichbaren Anwendungen eingesetzten HgCdTe-Fotodioden:[1]
Vorteile:
Nachteile:
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]
Kamerachips bestehen aus der Quantum-Well-Struktur-Platte, die mit einem Auslesechip (readout integrated circuit (ROIC)) auf Basis von Silizium 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.