N型量子点红外探测器性能评估

Quantum Dot Infrared Photodetector is a kind of novel low dimensional photodetectors, which emerge in recent year. Due to its the quantum dot nano-structure，the photodetector shows more efficiency properties （such as a low dark current, a high responsivity, meanwhile）, it brings change in the influence factors on the performance of the photodetector, thus it is very necessary to research on the performance evaluation for Quantum Dot infrared photodetectors.In the project,the structure of the N type quantum dot infrared photodetector and transport mechanism of are analysed, the carriers in the barriers are counted，and the dark current of the photodetector is more accurate quantized.With the noise sources of the quantum dot infrared photodetector,the noise of the photodetector is characterized. Based on the study above of the dark current，the influences of the transport mechanism of carriers，the capturation of and the emission of are analysed，and with the photoconductive mechanism of the quantum dot infrared photodetector,the models for the photocurrent of the quantum dot infrared photodetector，the responsivity of and the detectivity of are built, which are more consistent with the characteristics of the quantum dot infrared photodetector.As a result,these work will provide the photodetector designers with the theoretical support and the experimental guidance for the detectors optimization.

量子点红外探测器是近年来出现的一种新型低维光子探测器，这种探测器由于采用量子点纳米结构，在提高探测器的性能（像更低的暗电流、更高的响应率等）的同时，也使影响探测器性能的因素发生了明显的变化，因而非常有必要对量子点红外探测器的性能进行评估。本项目拟通过分析N型量子点红外探测器结构、传输机制等的特殊性，统计势垒中的移动载流子数,对探测器暗电流进行更为准确的定量描述，并结合探测器噪声的主要来源，实现对噪声的准确表征；以前面暗电流的研究为基础，通过分析载流子传输、俘获、激发等影响，根据量子点红外探测器的光电导探测机理，建立更加适合量子点红外探测器自身特点的光电流、响应率、探测率的理论模型，以期为探测器的优化设计提供可靠的理论支持和实验指导。

本项目从探测器暗电流相关特性、性能模型以及不同入射模式的影响入手对量子点红外探测器的性能评估进行了研究，为广大工程师进行红外探测器的优化提供可靠的理论支持和实验指导。具体工作如下:.1. 在暗电流相关特性方面， 通过考虑外加偏置电压作用下量子点红外探测器中电子漂移运动的随机性和复杂性，借助Monte Carlo模拟再现了真实的载流子运动的统计规律，并通过量化微、纳米尺度电子传输对激发能的影响，建立量子点红外探测器的暗电流模型，揭示了确定温度下探测器暗电流随电场强度的增加而增加的规律。其次，项目假定量子点的俘获满足球对称，利用平均矩阵近似法确定了电子的复合时间，结合探测器噪声的特点，提出一种表征量子点红外探测器噪声的新方法，并明确了量子点尺寸、结构对探测器噪声的调控作用。结果显示在20 kV/cm – 40 kV/cm电场范围内78K、100K温度时噪声的计算值与实验值基本一致，且量子点横向尺寸越大、量子点密度越大，噪声越小。.2. 在探测器光电性能模型方面，项目充分考虑了由带电量子点形成的势垒的影响，结合电子漂移的复杂性和随机性，在高低电场分别采用不同的计算方法（扩散限陷阱俘获法和Monte Carlo方法），解决了探测器光吸收系数、漂移速度、光电导增益的准确量化问题；基于此，通过微纳米电子传输、电子连续势能分布确定了量子效率；提出量子点红外探测器光电流的表征方法；之后，根据探测器的探测机制，构建了量子点红外探测器的响应率模型，确定了探测器结构参数、材料参数、工作环境参数对探测器响应率的影响；进一步结合探测器的产生-复合噪声，提出了探测率的准确表征方法。计算结果不仅显示出0-12kV/cm电场范围内光吸收系数、电子漂移速度、量子效率、光电导增益的变化趋势，而且还给出了确定温度（如80K、100K）时的光电流、响应率、探测率的计算值，并与实验值相比较验证了这些探测器性能参数表征的正确性。.3. 在不同入射模式的影响方面，项目分析了不同入射模式下量子点红外探测器不同的探测机理，给出了垂直入射和斜入射情况下量子点红外探测器光电流、响应率的差异性。结果显示，在确定的80K温度下，量子点红外探测器斜入射时的光电流比垂直入射时的光电流大2个数量级左右，同样，响应率也显示类似的差异性。