پاورپوینت آشکارسازهای نوری فلز-نیمه هادی-فلز

بخشی از پاورپوینت

اسلاید 1 :

آشکارسازهای نوری فلز-نیمه هادی-فلز

اسلاید 2 :

کاربردهای فناوری نانو
نانوقطعات الکترونیکی و نوری
چهارم

اسلاید 3 :

شبکههای انتقال داده و فیبرهای نوری
امروزه کاربردهای شبکههای انتقال داده مانند اینترنت و ارتباطات تلفنی بسیار مورد استفاده قرار میگیرد.
به طور سنتی، لینک ارتباطی در اینگونه شبکهها سیم مسی است و الکترونهای آزاد آن، حاملهای پیام میباشند.
به علت محدودیت پهنای باند برای حجم دادههای بیشتر و همچنین تلفات زیاد سیمهای مسی، توجه مهندسان مخابرات به استفاده از فیبرهای نوری به عنوان لینک ارتباطی و فوتونهای نور به عنوان حامل پیام، جلب شد.

اسلاید 4 :

فوتونها، کوچکترین بستههای انرژی تشکیل دهنده ماهیت ذرهای نور هستند.
فیبر نوری از یک استوانه شیشهای با قطربسیار کوچک (در حد چند تا چند ده میکرون) تشکیل شده است.
نور ورودی با زاویهای به درون آن تابانده میشود، به طوریکه بازتاب کلی رخ داده و نور درون آن محبوس بماند.
شبکههای انتقال داده و فیبرهای نوری

اسلاید 5 :

برای یک لینک نوری ساده، علاوه بر فیبر نوری به یک مولد نور (لیزر) برای تبدیل سیگنال الکتریکی به نوری، و یک آشکارساز نوری برای تبدیل سیگنال نوری به الکتریکی نیاز است.

اسلاید 6 :

یک آشکارساز نوری به طور ساده از پیوند دو نیمههادی با آلایش نوع P (Positive) و نوع N (Negative)،تشکیل شده است که به طور معکوس بایاس شده است.
در اینصورت در محل پیوند دو نیمههادی یک سد پتانسیل ایجاد شده که مانع از عبور الکترون و جاری شدن جریان الکتریکی در مدار میگردد.

اسلاید 7 :

اگر نور به محل پیوند P-N برخورد کند، بعضی از پیوندها را شکسته و تولید زوج الکترون-حفره میکند، که به ترتیب جذب قطب مثبت و منفی منبع تغذیه میشوند.
در نتیجه در مدار متناسب با نور برخوردی جریان الکتریکی تولید میشود و تبدیل نور به سیگنال الکتریکی انجام میگیرد.
یک دیود را میتوان به جای استفاده از دو نیمه هادی نوع N و P، از اتصال یک نیمههادی خالص بدون آلایش و یک فلز ساخت که به آن دیود شاتکی گویند.
در یک دیود شاتکی، اختلاف توابع کار فلز با نیمه هادی، باعث ایجاد یک سد پتانسیل میشود.

اسلاید 8 :

آشکارساز نوری
آشکارساز نوریِ فلز-نیمههادی-فلز، دارای دو اتصال شاتکی پشت به پشت است.
این آشکارساز از یک زیرلایه (نیمههادی) خالص به عنوان لایه فعال و دو اتصال فلزی رونشانی شده بر روی آن تشکیل میشود که هر اتصال فلزی با زیرلایه تشکیل یک اتصال شاتکی را میدهد.
این اتصالات به یک اختلاف پتانسیل متصل میشوند تا حاملهای ایجاد شده بر اثر برخورد نور به زیرلایه را جمعآوری کنند.

اسلاید 9 :

مطالعه ساختار آشکارسازهای نوری فلز-نیمههادی-فلز (MSM-PD)، از اوایل دهه­ی 1970 آغازشد.
طی دهههای گذشته، طراحی و ساخت آشکارسازهای MSMبه دلیل سرعت بالا، در سیستمهای الکترونیکی-نوری مجتمع، مخابرات فیبر نوری، اتصالات بین تراشهای و نمونه برداری با نرخ بالا مورد توجه بوده است.
به دلیل خازن داخلی با ظرفیت بسیار پایین MSM-PDها، سرعت پاسخ آنها معمولاً در حد چند ده پیکوثانیه است.
سرعت پاسخ، زمان از لحظه برخورد نور به آشکارساز تا ایجاد سیگنال الکتریکی توسط آشکارساز میباشد.
با توجه به ماده نیمههادی به کار رفته در زیرلایه، طول موج کاریِMSM-PD تغییر می کند.
به عنوان مثال برای طول موج مخابرات نوری (1.3µm و 1.55µm) میتوان از InGaAs-InP استفاده کرد
آشکارساز نوری

اسلاید 10 :

شانهای کردن الکترودهای MSM، باعث افزایش پهنای باند نسبت به آشکارسازهای PIN استاندارد میشود.
آشکارساز نوری
یکی از محدودیتهای افزایش سرعت MSMها، زمان لازم برای حرکت بارهای بوجود آمده در اثر برخورد نور با لایه فعال، تا رسیدن به الکترودها میباشد.
برای غلبه بر محدودیت ذاتی زمان پاسخ، میتوان فاصله بین الکترودهای شانهای را کاهش داد.

اسلاید 11 :

برای استفاده از MSM-PDها در مدارات مجتمع نوری لازم است تا ابعاد آنها بسیار کوچک باشند.
از طرفی کاهش فاصله بین الکترودها و ابعاد آشکارساز، باعث کاهش ناحیه موثر فعال جذب نور میشود و در نتیجه حساسیت آشکارساز را بدتر میکند.
بنابراین روند افزایش سرعت پاسخ و کوچکسازی MSM-PDها با یک بهینهسازی بین این پارامترها و حساسیت مواجه میشود.
یک راهکار مناسب، استفاده از ساختارهای MSM-PDهای پلاسمونیک است.
در MSM-PDهایی با اتصالات فلزی در حد نانو، برخورد نور با فلز باعث تحریک پلاسمونهای سطحی در فلز میشود.
این پلاسمونها باعث میشوند حتی با وجود فاصله بسیار کم بین الکترودها (در حد چند ده تا چند صد نانومتر) جذب نور و در نتیجه حساسیت بالا رود.

اسلاید 12 :

پلاسمونهای سطحی، امواج الکترومغناطیسی هستند که در طول مرز یک هادی منتشر میشوند.
خواص بر همکنش SPها با نور، باعث ایجاد امواج پلاسمون-پلاریتونهای سطحی، میشود.
SPPها ویژگیهایی را ایجاد میکنند که بوسیله آن میتوان قطعات فوتونیکی با ابعاد بسیار کوچکتر از آنچه که تاکنون به دست آمده است، ساخت.
SPها در اپتیک زیر طول موج، ذخیرهسازی داده، تولید نور، میکروسکوپها و ادوات فوتونیکی زیستی کاربرد دارند.
وجود تکنولوژی ساخت و مشخصهسازی فلزهایی با ساختار نانو، باعث افزایش علاقه به SPها شد.

اسلاید 13 :

مطالعه و شناخت در مورد SPها، به طور گستردهای در دههی 1950 بعد از مقاله ریچه شروع شد.
همچنین مطالعاتی در مورد تشدیدهای پلاسمون سطحی در فیلمهای فلزی نازک و پراش نوری از ذرات فلزی نانو در اوایل دههی 1970 انجام شد.
مشاهده انتقال بهبود یافته نور از میان آرایهای متناوب از حفرههایی با ابعاد کمتر از طول موج در فیلمهای فلزی توجه زیادی را به SPها جلب کرد.
امروزه تحقیقات در زمینه پلاسمونیک، بر روی مجتمعسازی قطعات پلاسمونیک برای کاربردهای مخابرات نوری و تبادل داده متمرکز شده است.
ایجاد چنین زمینهای، حاصل بررسی قطعات پلاسمونیک جدیدی است که در طی سالهای اخیر توسعه داده شدهاند.
بنابراین، موجبرها، تزویح کنندهها، و مدولاتورهای نوری، به همراه منابع نوری و آشکارسازهای نوری، موضوع اصلی زمینه پلاسمونیک امروزی را تشکیل میدهند.

اسلاید 14 :

کاربرد پلاسمونیک در آشکارسازهای نوری
امروزه، پلاسمونیک در زمینههای مختلفِ ادوات نوری و الکترونیکی کاربردهای گستردهای دارد.
سلولهای خورشیدی
موجبرها
ادوات ذخیرهسازی اطلاعات
تولید لیزرها
تولید LEDها
ساخت آشکارسازهای نوری با راندمان و سرعت بالا

اسلاید 15 :

در سال 2004 نشان داده شد که با قرار دادن یک لایه نیمههادی جاذب نور در حد نانو، بین دو الکترود با فاصله کم، میتوان به یک آشکارساز MSM با راندمان بیش از 50% و فرکانس قطع بزرگتر از 300 GHz دست یافت.
کاربرد پلاسمونیک در آشکارسازهای نوری
در این ساختار، از رشتههای نیمه هادی در حد نانو بین رشتههای فلزی با سطح مقطع کوچکتر از استفاده شده است.
طول متوسط حرکت آزاد بارها 50 nm است و همچنین سطح مقطع رشتهها 40×100nm میباشد.

اسلاید 16 :

کاربرد پلاسمونیک در آشکارسازهای نوری
نوسانات SPP بین توری پراش (صفحات متناوب در راستای انتشار موج) فلزی بالایی و پایینی ساختار که برای این نوسانات به صورت آیینه عمل میکند، به دام افتاده و باعث میشوند تا بیشترین انرژی در نزدیکی روزنهها متمرکز شود.
نتایج به دست آمده نشان داد که با ساختار مذکور، میتوان به صورت تئوری، به راندمان 75% و فرکانس قطع 500 GHz دست یافت.
این ساختار برای طول موج 800 nm طراحی شده است.

اسلاید 17 :

کاربرد پلاسمونیک در آشکارسازهای نوری
این آشکارساز شامل یک روزنه، در یک ورقه فلزی است که با ماده نیمههادی جذب کننده نور پر شده است.
جذب نور در روزنه، بوسیله تشدیدهای Fabry-Perot بهبود داده میشود و بهبود بیشتر، بوسیله ایجاد شیارهای پریودیک اطراف روزنه انجام میگیرد که با تحریک SPها، انرژی الکترومغناطیسی به سمت روزنه منتقل میشود.
در سال 2006، از خاصیت پلاسمونهای سطحی برای افزایش نسبت سیگنال به نویز یک آشکارساز نوری در فرکانسهای مادون قرمز میانی، از طریق بهبود جذب، استفاده شد.

اسلاید 18 :

آشکارساز نوری در فرکانسهای مادون قرمز میانی، برای طول موج 9.8 µm طراحی شده است.
در این آشکارساز، ابعاد روزنهها و توری پراش فلزی و همچنین تعداد توریها به گونهای انتخاب شده است که در طول موج 980 nm تشدید Fabry-Perot و تحریک SP با هم ایجاد شوند.
نتایج نشان میدهد که با ساختار ارائه شده، تا 250 برابر بهبود جذب در واحد حجم ماده نیمههادی، نسبت به آشکارسازهای متداول در طول موج مشابه، حاصل شده است.
در ساختار این آشکارساز، زیرلایه شامل یک ماده اکسید با شاخص کم (ε=2.25) است که روی آن ورقهای از طلا رونشانی شده است.
ماده نیمه هادی که روزنه ساختار آشکارساز را پر میکند، HgCdTe است.
طول ورقه طلا بینهایت فرض شده است اما تعداد شکافهای روی آن محدود است.
کاربرد پلاسمونیک در آشکارسازهای نوری

اسلاید 19 :

کاربرد پلاسمونیک در آشکارسازهای نوری
پیکهایی که در نمودارها مشاهده میشوند، نشان میدهد تحریک پلاسمونهای سطحی و تشدید Fabry-Perot با هم و در یک فرکانس رخ نمیدهد.
در این شکل، پارامترها طوری بهینه شدهاند که این دو در یک طول موج، همزمان رخ داده و در نتیجه میزان جذب نور بیشتر میشود.
پارامتر Ng تعداد شکافهای موجود در ورقه طلا را نشان میدهد.

اسلاید 20 :

در سال 2007، یک طراحی بهینه برای MSM-PDهایی با الکترودهای شانهای با ابعاد زیر طول موج ارائه داده شد که در آن از یک چاه کوانتومی تنها، به عنوان لایه جذب کننده استفاده شد.
کاربرد پلاسمونیک در آشکارسازهای نوری
تحریک SPها در مرز نیمههادی و فلز، باعث بهبود قدرت میدان در نزدیکی الکترودها شده و به تبعِ آن باعث افزایش جذب در QW میشود.
این موضوع سبب میشود تا هم پاسخ الکتریکی سریعتر و هم راندمان کوانتومی بالاتری به دست آید.
در این ساختار با تناوب توری پراش 820 nm و پهنای الکترود 460 nm، جذب نور با پلاریزاسیون صفحهای در QW، نسبت به حالتی که الکترودی وجود ندارد، تا 16 برابر افزایش مییابد.