روش کار آشکارسازهای مادون قرمز ذاتی در طیف طول موج بلند 6-20 µm که براساس گذارهای درون باندی عمل می کنند بدین صورت است که یک الکترون از گاف انرژی (Eg) عبور کرده و از باند ظرفیت به باند هدایت می رود، که در شکل 1 این گذار نمایش داده شده است. این الکترونهای برانگیخته شده توسط نور، جمع آوری شده و تولید یک جریان نوری در مدار خارجی می نمایند، از اینرو فوتونهای فرودی یک الکترون را از تراز ظرفیت به تراز هدایت برانگیخته می کنند، انرژی فوتون(hν) باید بیشتر از Eg مربوط به ماده حساس به نور باشد. بنابراین پاسخ طیفی آشکارساز میتواند بوسیله کنترل Eg مربوط به ماده حساس به نور تنظیم گردد. مثالهایی برای چنین مواردی عبارتند از:

Hg1-xCdxTeوPb1-xSnxTe که انرژی گپ آنها را می توان بوسیله کنترل متغیر تنظیم نمود. این به معنی آشکارسازی تابشهای مادون قرمز خیلی بلند (VLWIR>12µm) تا µm20 که نیاز به گاف انرژی های بسیار کوچک کمتر از meV62 دارند، می باشد. واضح است که ساخت چنین موادی با گاف انرژی خیلی کوچک نسبت به نیمه هادیهای با گاف انرژی بزرگی مثل GaAs از نظر فرایند ساخت و رشد دادن بسیار مشکل می باشد. این مشکلات باعث تحریک دانشمندان به استفاده از گذارهای زیر باند داخلی درون ساختارهای چاه کوانتومی چندتایی ( MQW) که توسط گاف انرژی های بزرگ ساخته می شوند، نمود. شکل 2 نمایش چنین ساختارهایی است.

 ایده ی استفاده از ساختارهای MQW برای آشکارسازی تابشهای مادون قرمز می تواند بوسیله ی استفاده از اصول پایه ای مکانیک کوانتوم توضیح داده شود. چاه کوانتومی معادل مسئله ی ذره در جعبه ی مکانیک کوانتوم می باشد، که توسط معادله ی مستقل از زمان شرودینگر حل شده است. حل های این مسئله ویژه مقادیری هستند که ترازهای انرژی درون چاههای کوانتومی که ذره در آنها اجازه ی حضور دارد، را توضیح می دهند.

شکل 1. نمای باند یک آشکارساز ذاتی معمولی

شکل 2. شماتیک نمای باند چاه کوانتومی. جذب میان زیر باندها می تواند میان ترازهای انرژی چاه کوانتومی پیوسته به باند هدایت (تزریق شده ی نوعn ) و یا باند ظرفیت (تزریق شده ی نوع p ) قرار گیرد.

مکان ترازهای انرژی اصولاً بوسیله ی ابعاد چاه کوانتومی (ارتفاع و عرض) تعیین می گردند. برای دیواره های بی نهایت بلند و باندهای سهمی گون ، ترازهای انرژی درون چاه کوانتومی بوسیله ی معادله ی 

داده می شوند.

که Lw عرض چاه کوانتومی، m* جرم موثر حامل در چاه کوانتومی و j یک عدد صحیح می باشد.

بنابراین انرژی زیر باندهای داخلی بین حالت زمینه و حالت برانگیخته 

می باشد.

آشکارسازهای چاه کوانتومی مادون قرمز(QWIPs ) که در این تحقیق بحث شده اند، از برانگیختگی نوری الکترون(حفره) میان حالت زمینه و اولین حالت برانگیخته در باند هدایت (ظرفیت) چاه کوانتومی استفاده می کنند (شکل 2 را ببینید). ساختار چاه کوانتومی طوری طراحی می شود که این حاملهای برانگیخته شده می توانند از چاه کوانتومی رها شده و به عنوان جریان جمع آوری شوند. بعلاوه استحکام نوسانی بزرگتر میان زیر باندها باعث انعطاف پذیری بیشتر این آشکارسازها نسبت به آشکارسازهای نیمه هادی تزریق شده بصورت غیر ذاتی شده است، چون طول موج پیک پاسخدهی و طول موج قطع بطور پیوسته بوسیله تغییر ضخامت لایه (عرض چاه کوانتومی) و ترکیب حاملها (ارتفاع سد) مناسب می گردنـد. شبکه ی تطبیق یافته ی GaAs/AlxGa1-xAs یک گزینه ی بسیار مناسب برای ساختن چنین ساختارهای چاه کوانتومی می باشد چون گاف انرژی می تواند بطور پیوسته با متغیر x ( و از اینرو ارتفاع چاه کوانتومی ) تغییر نماید. بنابراین با تغییر عرض چاه کوانتومی و ارتفاع سد (نسبت مولارAl در آلیاژ GaAs/AlxGa1-xAs)، این انرژی گذار میان زیر باندها می تواند در یک محدوده ی گسترده ای متغیر باشد، از طول موج کوتاه مادون قرمز (SWIR;1-3µm)، ناحیه مادون قرمز میانی(MWIR;3-5µm)، ناحیه طول موج بلند(LWIR;8-12µm) بطرف ناحیه طول موج خیلی بلند(VLWIR>12µm). توجه به این نکته ضروری است که آشکارسازهای ذاتی نامشابه که از گذارهای درون باندی استفاده می کنند، باید دارای چاه های کوانتومی تزریق شده باشند زیرا انرژی فوتون برای ایجاد حاملهای نوری کافی نمی باشد(hν<Eg).

امکان استفاده از ساختارهای MQWی GaAs/AlxGa1-xAs برای آشکارسازی تابشهای مادون قرمز، اولین بار توسط Esaki و گروهش پیشنهاد شد(1977) و بطور تجربی توسط Smithو گروهش مورد آزمایش قرار گرفت(1983) و تحلیل تئوری آن توسط Coon و گروهش در 1984 انجام گردید. اولین مشاهدات تجربی قدرت جذب زیر بادهای داخلی توسط West و گروهش انجام گرفت(1985) و اولین QWIP توسط Levine و گروهش شرح داده شد(1987 در آزمایشگاه بل). QWIP های شامل گذارهای میان زیر باندهای مقید به پیوستار با سدهای وسیع تر GaAs/AlxGa1-xAs در (1987) نشان داده شدند، که آشکارسازی آنها بهبود یافته تر شده بود. پیشرفتهای اخیر در این آشکارسازها منجر به ساخت آرایه های خیره نگر با حساسیت بالا و بزرگ (بزرگتر از 480×640) توسط چندین گروه شده است.

با احترام

مهدی شاه رجبیان 

ذکر با نام منبع بلامانع است.