Numerical modeling and optimization of HgCdTe infrared photodetectors for thermal imaging
Termal görüntüleme amaçlı HgCdTe kızılötesi fotodedektörlerin sayısal modelleme ve optimizasyonu
- Tez No: 286114
- Danışmanlar: PROF. DR. CENGİZ BEŞİKCİ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Fotodedektörler, Sayısal modelleme, Photodetectors, Numerical modelling
- Yıl: 2011
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tez çalışmasında, termal görüntülemede kullanılan uzun dalga (LWIR) ve çok uzun dalga (VLWIR) kızılötesi bölgede çalışan p-n HgCdTe (Civa Kadmiyum Tellürüt) kızılötesi dedektörlerin sayısal simülasyonları yapılarak 77 K sıcaklıkta performansına etki eden parametreler çok yönlü olarak araştırılmaktadır. Simülasyonlarda Auger, Shockley-Read-Hall (SRH), ışıma ve tuzak yardımıyla tünelleme (TAT) mekanizmaları etkileşimli olarak kullanılmaktadır. Sayısal simülasyonlar karanlık ve kızılötesi ışıma altında yapılmaktadır. Bu sayede, dedektörün aktif bölge kalınlığı, malzeme kompozisyonu, kesim dalga boyu, tuzak yoğunluğu ve tuzak enerji seviyesindeki değişimlerin sensor performansına olan etkileri detaylı olarak gözlenmektedir. Sayısal simülasyon sonucu elde edilen sonuçlar, karanlık akım oluşturan G-R mekanizmalarının bağıl güçlerinin kesim dalga boyu ve pratik olarak erişilebilen malzeme parametrelerine göre dedektör karakteristiğine olan etkilerini açıklamaktadır.Elde edilen bilgi, dedektör tasarım ve üretim prosesinin optimizasyonunda kullanılabilir. Ayrıca, sözkonusu bilgi dedektör hassasiyetine yönelik içsel mekanizmaların önemini de aydınlatmaktadır.LWIR HgCdTe sensörler (10 µm kesim dalga boyu) için dedektör hassasiyetini en çok bozan tuzak seviyesinin orta bandta (0.5Eg) olduğuna inanılmasına rağmen, bu tez çalışmasının simülasyon sonuçlarıyla valans banttan yaklaşık 0.7Eg enerji seviyesi uzaklıktaki tuzak enerji seviyelerinin LWIR HgCdTe (10 µm kesim dalga boyu) hassasiyetini en çok bozduğu gösterilmiştir. TAT sebebiyle meydana gelen 1/f gürültüsünün düşük ters öngerilimleme ve 1E14 cm-3 seviyesindeki tuzak yoğunluklarında sensor performansına, 11 µm üzerindeki kesim dalga boylarından sonra dominant etki yaptığı gösterilmiştir. Sözkonusu tuzak yoğunluğunun altındaki tuzak yoğunlukları HgCdTe için çok nadir rapor edildiği bilinmelidir. Bu sebeple, istenen termal görüntüleme kalitesini bu sensörlerle sağlamak için istisnai de olsa tuzak olmayan malzeme gerekmektedir.Auger mekanizmasının sensor hassasiyetine yönelik iki tip etkisinin olduğu simülasyonlarla gösterilmiştir. Bu etkiler, Auger mekanizmasının karanlık akımı artırması ve foto akımı azaltmasıdır.Bildiğimiz kadarıyla, bu çalışma HgCdTe dedektör performans parametrelerini en detaylı araştıran, bir simülasyon tabanlı araştırmadır. Elde edilen sonuçlar, HgCdTe sensör optimizasyon yeteneği kazandırmakta ve üçüncü nesil termal kameraların ihtiyaçlarının ve performans parametrelerinin gerçeğe yakın belirlenmesine imkan sağlamaktadır.
Özet (Çeviri)
This thesis presents a detailed investigation of the performance limiting factors of long wavelength infrared (LWIR) and very long wavelength infrared (VLWIR) p on n HgCdTe detectors through numerical simulations at 77 K incorporating all considerable generation-recombination mechanisms including trap assisted tunneling (TAT), Shockley-Read-Hall (SRH), Auger and radiative processes. Numerical simulations under dark and illuminated conditions were performed with different absorber layer thicknesses, material compositions (cut-off wavelengths), trap density, and trap energy level. The results identify the relative strength of the dark current generation mechanisms by numerically extracting the contribution of each G-R mechanism on the detector characteristics with various cut off wavelengths and practically achievable material parameters.While the provided information can be used as a guide for optimizing the device processing conditions and detector structure, it also enlights the importance of various intrinsic mechanisms on the detector sensitivity.The results show that the dominant sensitivity degrading trap level depends on the detector cut-off wavelength being about 0.7Eg for LWIR HgCdTe sensors (cut-off wavelength=10 µm) instead of 0.5Eg which is generally believed to be the most efficient R-G level. TAT related 1/f noise dominates the sensor noise even under small reverse bias voltages at a trap density as low as 1E14 cm-3 for sensors with cut-off wavlength>11 µm. Considering the fact that trap densities below this level are rarely reported for HgCdTe material, exceptionally trap-free material is required to achieve desirable imaging performance with these sensors.Simulation results show that Auger mechanism has twofold effect on the sensitivity of the sensor by increasing the dark current and decreasing the photo current of the detector.As to our knowledge, this work is one of the most comprehensive simulation based investigations of the HgCdTe detector performance providing important results that can be used as a guide for optimization of the detector performance in order to meet the demanding requirements of the third generation thermal imagers.
Benzer Tezler
- PEM yakıt hücresi destekli kojenerasyon sisteminin nümerik modellenmesi ve termoekonomik optimizasyonu
Numerical modeling and thermoeconomic optimization of PEM fuel cell assited cogeneration system
ÖMER FARUK GÜLER
Doktora
Türkçe
2022
Makine MühendisliğiAfyon Kocatepe ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CEYHUN YILMAZ
- Perovskit güneş hücreleri verimliliğine etki eden faktörlerin sayısal modellemesi ve karşılaştırılması
Numerical modeling and comparison of factors affecting perovskite solar cells efficiency
HASAN MALLAHASAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Fizik ve Fizik MühendisliğiEskişehir Teknik Üniversitesiİleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZLEM ONAY
- Modeling and optimization of the PEM fuel cell catalyst layer
Başlık çevirisi yok
CANKUR FIRAT ÇETİNBAŞ
- Modeling and optimization of nanoparticle production by flame spray pyrolysis method
Alev sprey piroliz yöntemi ile nanopartikül üretimininmodellenmesi ve optimizasyonu
MUSTAFİ ALHALEEB
Doktora
İngilizce
2021
Kimya MühendisliğiAtılım ÜniversitesiMühendislik Sistemlerinin Modellenmesi ve Tasarımı Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NESRİN EKİNCİ MACHIN
- Modeling and simulation of the fuel sloshing phenomenon in fuel tanks and design optimization
Yakıt çalkalanma fenomeninin modellenmesi ve simulasyonu ve tasarım optimizasyonu
MERT AKKUŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Uçak MühendisliğiGebze Teknik ÜniversitesiEnerji Teknolojileri Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SALİH ÖZEN ÜNVERDİ