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: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2011
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 120
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
- Yakıt pilleri ve bir PEM yakıt pili sisteminin dinamik benzetimi
Fuel cells and dynamic simulation of a PEM fuel cell system
ZEHRA URAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2007
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiDicle ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. BİLAL GÜMÜŞ
YRD. DOÇ. DR. MUHSİN TUNAY GENÇOĞLU
- 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
- Bağlantı elemanı üretiminde kullanılan soğuk dövme kalıplarında kalıp ömrünü etkileyen parametrelerin belirlenmesi ve optimizasyonu
Determination and optimization of parameters affecting die life of cold forging dies used in fastener production
SEZGİN YURTDAŞ
Doktora
Türkçe
2023
Makine Mühendisliğiİzmir Katip Çelebi ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. LEVENT AYDIN
PROF. DR. ÖMER EYERCİOĞLU
- Piezoelektrik fanlarda soğutma parametrelerinin incelenmesi
Investigation of cooling parameters in piezoelectric fans
TALHA KILIÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
EnerjiAtatürk ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FARUK YEŞİLDAL
- Multiphysical modeling and optimization of vacuum bag only process with integration of resin flow, heat transfer and consolidation for composite manufacturing design
Kompozit üretim tasarımında otoklav dışı prepregler için vakum torbalama yönteminin reçine akışı, sıcaklık transferi ve konsolidasyon çoklu fiziklerin entegrasyonu ile modellenmesi ve optimizasyonu
FATİH EROĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Makine MühendisliğiSabancı ÜniversitesiÜretim Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ HATİCE SİNEM ŞAŞ ÇAYCI