量子点红外探测器暗电流及噪声特性研究

摘要

在红外探测技术领域,拥有高性能探测器一直是人们努力的目标。量子点红外探测器由于具有低暗电流、高光电导增益、高吸收率、高探测率和工作温度更高等优越特性,近年来已引起了越来越多研究者的关注。本文主要对量子点红外探测器暗电流及噪声特性进行了研究,研究成果为量子点红外探测器的优化设计和性能提高提供了可靠的理论基础与技术依据。具体开展的研究工作如下:
　　(1)分别分析了基于势能和基于激发能的量子点红外探测器暗电流模型。基于实测实验数据,在不同温度下进一步证实了量子点红外探测器激发能暗电流模型的有效性和正确性。这一暗电流模型考虑了微米尺度电子传输和纳米尺度电子传输对激发能的共同影响,并且考虑了电子漂移速度对外加电场的依赖性。重点分析了外加电场、温度、两种电子传输(微米尺度和纳米尺度)和探测器材料(电子迁移率、电子有效质量和电子饱和速度)各性能参数对暗电流特性的影响,并且详细讨论了每个性能参数对暗电流特性影响的原因。
　　(2)在分析量子点红外探测器噪声产生机理的基础上,得到了噪声与暗电流之间的函数关系,分别推出了两种量子点红外探测器噪声增益和噪声模型。基于实测实验数据,在不同温度下进一步证实了考虑微米尺度电子传输和纳米尺度电子传输对激发能的共同影响,并且考虑外加电场对电子漂移速度影响的低压(0-20KV/cm)下量子点红外探测器噪声模型的有效性和正确性。重点分析了低压下外加电场、温度、两种电子传输(微米尺度和纳米尺度)、探测器材料(电子迁移率、电子有效质量和电子饱和速度)和探测器结构(探测器面积、量子点层数、量子点层间距离、量子点横向尺寸、量子点高度、量子点密度和电子捕获率)各性能参数对低压下噪声特性的影响,同时详细讨论了每个性能参数对低压下噪声特性影响的原因。
　　(3)基于实测实验数据,在不同温度下进一步证实了考虑微米尺度电子传输和纳米尺度电子传输对激发能的共同影响,并且考虑电子漂移速度对外加电场依赖性的高压(20-45KV/cm)下量子点红外探测器噪声模型的有效性和正确性。重点分析和讨论了高压下暗电流和噪声增益特性,以及高压下外加电场、温度、两种电子传输(微米尺度和纳米尺度)、探测器材料(电子迁移率、电子有效质量和电子饱和速度)和探测器结构(探测器面积、探测器本征区厚度、量子点密度、量子点有效半径和电子捕获率)各性能参数对高压下噪声特性的影响及原因。
　　(4)研究了量子点红外探测器焦平面阵列噪声特性。建立了两种量子点红外探测器焦平面阵列噪声等效温差模型,针对典型量子点红外探测器性能参数,分别定量计算了该参数下两种焦平面阵列噪声等效温差。通过比较模型计算和实测实验数据结果,证实了所建立的量子点红外探测器焦平面阵列噪声等效温差模型的有效性和正确性。对 HgCdTe和量子阱红外探测器焦平面阵列噪声等效温差进行了分析,通过比较HgCdTe、量子阱和量子点红外探测器焦平面阵列噪声等效温差,指出在三种阵列中量子点红外探测器焦平面阵列有更好的噪声等效温差。分析和讨论了量子点红外探测器焦平面阵列信噪比和电流注入效率。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及重要意义

1.2 国内外研究现状

1.3 内容结构与创新点

第二章 量子点红外探测器理论基础

2.1 量子点的概念与主要特点

2.2 量子点红外探测器基本概念

2.3 量子点红外探测器工作原理

2.4 量子点红外探测器结构模型

2.5 量子点红外探测器特性表征

2.6 量子点红外探测器优势分析

2.7 本章小结

第三章 量子点红外探测器暗电流特性分析

3.1 量子点红外探测器暗电流

3.2 基于势能的暗电流模型

3.3 基于激发能的暗电流模型

3.4 暗电流特性分析

3.5 本章小结

第四章 量子点红外探测器噪声特性分析

4.1 量子点红外探测器噪声

4.2 量子点红外探测器噪声产生机理

4.3 量子点红外探测器的噪声增益

4.4 量子点红外探测器的噪声模型

4.5 噪声特性分析

4.6 本章小结

第五章 量子点红外探测器焦平面阵列噪声特性研究

5.1 量子点红外探测器焦平面阵列

5.2 量子点红外探测器焦平面阵列的制造

5.3 量子点红外探测器焦平面阵列噪声等效温差

5.4 量子点红外探测器焦平面阵列信噪比

5.5 量子点红外探测器焦平面阵列电流注入效率

5.6 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间的研究成果