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1、会计学1激光器介绍激光器介绍(jisho)第一页，共74页。太赫兹波探测器的研究背景太赫兹波探测器的研究背景(bijng)及及意义意义宽频性：宽频性：0.1THz10THz(30um3mm)0.1THz10THz(30um3mm)。透视性：对非极性物质有很强的穿透能力（对不透明物体进行透视成像）。透视性：对非极性物质有很强的穿透能力（对不透明物体进行透视成像）。安全性：安全性：1THz1THz光子的能量为光子的能量为4.1meV4.1meV，约为，约为X X射线光子能量的射线光子能量的1/1001/100（可用于旅客（可用于旅客 的安全检查）。的安全检查）。可用于物质的光谱分析：大量极性分子的
2、振动和转动可用于物质的光谱分析：大量极性分子的振动和转动(zhun dng)(zhun dng)能级正好处于能级正好处于THzTHz波频段。波频段。目前太赫兹光源的辐射功率普遍都比较低，因此目前太赫兹光源的辐射功率普遍都比较低，因此(ync)(ync)发展高灵敏度、高信噪比发展高灵敏度、高信噪比的太赫兹探测技术尤为重要。的太赫兹探测技术尤为重要。4.太赫兹波探测器太赫兹波探测器第1页/共74页第二页，共74页。Bolometer：4.2 K 容易受到各种热源的干扰容易受到各种热源的干扰 不便于携带不便于携带Pyroelectric Detector：低速低速 Golay cell：灵敏度较差灵
3、敏度较差 探测效率较低探测效率较低Schottky Diode：0.1 THz 1 THzRoom temperatureHigh responsivityLow NEP and High-speed太赫兹波探测器的研究太赫兹波探测器的研究(ynji)背景及意义背景及意义第2页/共74页第三页，共74页。4German team（U.R.Pfeiffer,E.jefors,A.Lisauskas,D.Glaab,and H.G.Roskos,et al）Institute for High-Frequency and Communication Technology，University of
4、 Wuppertal0.25 m-Si CMOS,3x5 FPA(readout circuits integrated)5.3 mA/W or 150 V/W 650 GHzNEP 0.5 nW/Hz0.5 Self-mixingPanasonic Corp.（Tohoku University,Japan(2010)）68th Device Research Conference 2010,Nano T-gate(80 nm)GaN/AlGaN-HEMTR 1100 V/W 1000 GHz.Resonant detection关于关于(guny)太赫兹探测器的一些最新研究太赫兹探测器的一
5、些最新研究进展进展Patch antennas&Nano gateDipole antenna&Nano gate第3页/共74页第四页，共74页。用用FDTDFDTD模拟设模拟设计适合自混频探计适合自混频探测原理的天线结测原理的天线结构和滤波器等。构和滤波器等。模拟设计模拟设计 设计光刻板，设计光刻板，首先从工艺制作首先从工艺制作上证明单步工艺上证明单步工艺的可行性，并进的可行性，并进行整体器件的加行整体器件的加工。工。器件加工器件加工 搭建搭建THzTHz探测探测的电学和光学的电学和光学测试系统（包测试系统（包括括PCBPCB板，偏振板，偏振片，三维手动片，三维手动微动平台等）微动平台等）
6、测试分析测试分析结构优化结构优化 对测试结果进对测试结果进行分析，并反馈行分析，并反馈设计，优化器件设计，优化器件结构，最终实现结构，最终实现高灵敏度，高响高灵敏度，高响应度和较低的应度和较低的NEPNEP。研究研究(ynji)方方法法第4页/共74页第五页，共74页。自混频探测自混频探测(tnc)的模型及原理的模型及原理工作原理图CMOS or HEMT 背景(bijng)电流光电流a.选用电子迁移率较高的材料选用电子迁移率较高的材料b.设计高效的太赫兹混频设计高效的太赫兹混频(hn pn)天线天线栅控能力天线耦合效率第5页/共74页第六页，共74页。天线天线收集并增THz电场跟HEMT器件
7、的相互作用，进而提高探测效率。隔离天线跟引线电极，用以保证天线的谐振性能。滤波器滤波器 SDGHEMTAlGaNGaN器件器件(qjin)整整体结构体结构第6页/共74页第七页，共74页。1.裂片，清洗，光刻，裂片，清洗，光刻，ICP刻蚀刻蚀2.ALD生长生长AL2O33.欧姆窗口腐蚀欧姆窗口腐蚀4.蒸金，剥离和退火蒸金，剥离和退火5.光刻制作电子束对准标记，光刻制作电子束对准标记，蒸金，剥离，电子束曝光，蒸蒸金，剥离，电子束曝光，蒸金，剥离金，剥离6.光刻，蒸金，剥离制作天线光刻，蒸金，剥离制作天线和和pad工艺流程工艺流程(n y li chn)第7页/共74页第八页，共74页。chopp
8、er检测信号THz信号参考探测器HR-Si BSiTDGSRgVgVdsLock-in Amp.Sig.Amp.Ref.A/V测试(csh)装置图测试(csh)电路连接示意图 I-V 电导(din do)跨导 ITHz-Vg 响应度 等效噪声功率 响应频谱 响应速度 偏振特性场场效效应应基基本本特特性性测测试试太太赫赫兹兹检检测测特特性性测测试试BWO:0.85 THz0.95 THz,P50nWChopper：04 KHzPE detector:6x103 V/W 317 Hz测试及优化测试及优化第8页/共74页第九页，共74页。测试及优化测试及优化测试及优化测试及优化_ _无特意设计无特意
9、设计无特意设计无特意设计(shj)(shj)天天天天线结构线结构线结构线结构10 验证测试光路和测试系统验证测试光路和测试系统;初步检测到微弱的光电流初步检初步检测到微弱的光电流初步检 测到微弱的光电流；测到微弱的光电流；响应度约为响应度约为 10 V/W;跟自混频跟自混频(hn pn)模型吻合；模型吻合；低温下光电流增加（低温下电子低温下光电流增加（低温下电子 的迁移率增加的迁移率增加)Spad=100 um,Lg=2 um,Lw=8 um,Lds=8um Characterization of a room temperature terahertz detector based on a
10、 GaN/AlGaN HEMTH,Journal of Semiconductors.32,064005(2011).第9页/共74页第十页，共74页。Lds=8 um,Lg=2 um,Santenna=20 um x 45 um,Spad=200 um x 200 um,双极子天线器件三极子蝶形共振天线器件RV=180 V/WRV=25 V/W1st step:双极子天线双极子天线(tinxin)to 三极子蝶形共三极子蝶形共振天线振天线(tinxin)Enhancement of Terahertz coupling efficiency by improved antenna desig
11、n in GaN/AlGaN HEMT detectors,Chinese physics B,21,10.(2012).Rx7RV=25 V/WRV=180 V/W第10页/共74页第十一页，共74页。nanogate(700 nm)90 umsourcedrainfiltersOhmiccontactsgatenanogate(700 nm)sourcedrainOhmiccontactsgate90 um三极子蝶形共振天线+纳米栅三极子蝶形共振天线+纳米栅+滤波器RV=250 V/WRV=1050 V/WLds=5um,Lg=700 nm,Santenna=20 um x 45 um,S
12、pad=200 um x 200 um,电学特性光学特性2nd step:三极子蝶形共振三极子蝶形共振(gngzhn)天线器天线器件对比件对比 Room temperature GaN/AlGaN self-mixing terahertz detector enhanced by resonant antennas,Applied Physics Letters.98,252103(2011)Rx4RV=250 V/WRV=1050 V/W第11页/共74页第十二页，共74页。SEM 图片器件的特征尺寸参数3nd step:三极子蝶形共振三极子蝶形共振(gngzhn)天线天线+微米栅器件的优
13、化微米栅器件的优化 Enhancement of Terahertz coupling efficiency by improved antenna design in GaN/AlGaN HEMT detectors,Chinese physics B,21,10.(2012).室温下不同器件的测试优化结果第12页/共74页第十三页，共74页。响应(xingyng)度 以器件以器件#4为例进行测量为例进行测量(cling)室温下器件的响应度达室温下器件的响应度达 到了到了9.45x102 V/W。低温下器件的响应度超低温下器件的响应度超 过了过了8 KV/W。PE探测器真实(zhnsh)能量
14、：为PE响应度为PE响应电压HEMT探测器真实能量：#4：Spad=200 um,Lg=2 um,Lw=5um,Lds=4 um第13页/共74页第十四页，共74页。等效(dn xio)噪声功率 以器件以器件(qjin)#4为例进行测量为例进行测量室温下器件室温下器件(qjin)的的NEP达达58 pW/Hz0.5。低温下器件低温下器件(qjin)的的NEP达到达到4p W/Hz0.5。第14页/共74页第十五页，共74页。偏振(pin zhn)特性 天线天线(tinxin)具有良好的偏振特性。具有良好的偏振特性。THz电场平行于天线电场平行于天线(tinxin)的长边时：的长边时：器件的响应
15、最大。器件的响应最大。THz电场垂直于天线电场垂直于天线(tinxin)的长边时：的长边时：器件的响应最小。器件的响应最小。偏振偏振(pin zhn)特性：特性：Room temperature GaN/AlGaN self-mixing terahertz detector enhanced by resonant antennas,Applied Physics Letters.98,252103(2011)第15页/共74页第十六页，共74页。响应速度响应速度响应速度响应速度 以器件以器件#4为例进行测量为例进行测量室温下铁电探测器的响应速度低室温下铁电探测器的响应速度低 于于500 H
16、z室温下测辐射热计在室温下测辐射热计在 4 KHz的调的调 制频率下，衰减制频率下，衰减(shui jin)了将近了将近10倍。倍。室温下室温下HEMT探测器的响应速度探测器的响应速度 远高于远高于4 KHzBolometerPE detectorHEMT detector 500Hz接近接近(jijn)4KHz远高于远高于4KHz第16页/共74页第十七页，共74页。光谱(gungp)响应High-responsivity,low-noise,room-temperature,self-mixing terahertz detector realized using floating ant
17、ennas on a GaN-based field-effect transistor,Applied Physics Letters.100,013506(2012)PE探测器HEMT 探测器第17页/共74页第十八页，共74页。整体面积(min j)为：2mm*4mm每个单元的面积(min j)约为：0.6mm2测试(csh)结果加工(ji gng)结果 探测器的应用研究探测器的应用研究_线阵列探测器线阵列探测器(a)(b)(c)光电流偏差光电流偏差N2，即受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质时，光强按指数衰减，这种物质称为吸收物质。如果(rgu)N2N1，即受激辐射大于受激吸收，当光
18、通过这种物质时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质。N2N1的分布，和正常状态(N1N2)的分布相反，所以称为粒子(电子)数反转分布。问题：如何得到粒子数反转分布的状态呢?小结(xioji)第58页/共74页第五十九页，共74页。导带 价带 导带 价带正常(zhngchng)分布反转(fn zhun)分布产生(chnshng)激光的必要条件二：粒子数反转分布第59页/共74页第六十页，共74页。产生产生(chnshng)粒子数反转的粒子数反转的方法方法n n注入载流子对注入载流子对PN结施加正向结施加正向偏压偏压n n 半导体激光器半导体激光器n n强光对激光物质进行照射固强光对激光物质进行
19、照射固体体(gt)激光器激光器n n气体电离气体激光器气体电离气体激光器第60页/共74页第六十一页，共74页。激光振荡激光振荡(zhndng)(zhndng)和光学谐振腔和光学谐振腔工作(gngzu)物质产生激光(jgung)的必要条件三：有光学谐振腔第61页/共74页第六十二页，共74页。产生稳定振荡的条件(tiojin)（相位条件(tiojin)）q纵模模数，n 激光(jgung)媒质的折射率第63页/共74页第六十四页，共74页。1什么(shn me)是太赫兹波？2太赫兹波的特点(tdin)有哪些？3自混频(hn pn)探测的机理是什么？4在红宝石Q调制激光器中，有可能将全部Cr3(铬
20、离子)激发到激光上能级并产生巨脉冲。设红宝石直径0.8cm，长8cm，铬离子浓度为21018cm3，巨脉冲宽度为10ns。求：(1)输出0.6943m激光的最大能量和脉冲平均功率；(2)如上能级的寿命102s，问自发辐射功率为多少瓦？第64页/共74页第六十五页，共74页。5(1)普通光源发射0.6000m波长时，如受激辐射与自发辐射光功率体密度之比 ，求此时单色能量密度 为若干？(2)在HeNe激光器中若 ，=0.6328m，设1，求 为若干？第65页/共74页第六十六页，共74页。谢谢谢谢(xi xie)！第66页/共74页第六十七页，共74页。第一章 光电导探测器1.本征半导体？杂质半导
21、体？（课件）2.欧姆定律的微分形式？电导率跟迁移率的关系？3.金属、半导体、绝缘体的能带示意图？4.电导率的表达式？5.光电导效应？产生光电导效应的条件是什么？提高光电导效应的方法(fngf)是什么？6.暗电流、亮电流、光电流、暗电导、亮电导、暗电阻和亮电阻之间的关 系？7.光电流的表达式？光电导增益？光电导灵敏度？量子效率？光电导惰性？前历效应？8.光敏电阻的敏感机理？期末考试复习(fx)要点第69页/共74页第七十页，共74页。第二章 结型光电器件(qjin)(重点)1.金属半导体接触？肖特基基础？欧姆接触？2.光电效应？外光电效应？内光电效应？光电导效应？光生伏特效应？3.解释不同光照下
22、PN结的伏安特性曲线。4.简述光电池与光电二极管的基本工作原理，并说明两个的区别（结构、原理）5.光电二极管与普通二极管的区别？6.光电三极管与普通三极管的区别？7.说明PIN管、雪崩光电管的工作原理和各自(gz)特点?PIN管的频率特性为什么 比普通光电管好？8.试述PSD的工作原理。与象限探测器相比，PSD有什么优点？9.光伏探测器的频率特性优于光电导探测器，试从二者的机理上解释？第70页/共74页第七十一页，共74页。1.光电阴极？使阴极发射电子的方式？2.常用的光电阴极有哪几种？特点？3.作为光电阴极，金属(jnsh)和半导体各自的特点是什么？4.PMT是由哪几部分组成的?并说明其工作
23、原理?5.什麽是负电子亲和势光电阴极?它与正电子亲和势光电阴极相比具有哪些优点?6.光电培增管的倍增级结构形式有几种,各有哪些特点？7.什麽是二次电子?并说明二次电子发射的三个过程?第三章 光电阴极(ynj)和光电培增管第71页/共74页第七十二页，共74页。1、CCD摄像传感器的结构，原理、以及工作过程2.电荷的产生(chnshng)、收集和转移过程第六章 太赫兹(hz)波探测器1.热辐射的一般规律？温升？热容？热导？以及它们之间的关系？2.热敏电阻(r mn din z)的分类及其工作原理3 热电偶？解释温差电动势和接触电动势？4.热释电探测器的工作原理？居里温度？自发极化？5.高莱探测器的工作原理？第四章 CCD简介第五章 热辐射探测器件1什么是太赫兹波？2太赫兹波的特点有哪些？3自混频探测的机理是什么？第72页/共74页第七十三页，共74页。第七章 激光器1产生激光的条件？要素?原理？2.黑体辐射？斯特潘-玻尔兹曼定理？维恩位移定理？瑞利金斯公式 3.自发辐射(z f f sh)？受激辐射？受激吸收？以及三者之间的关系？第73页/共74页第七十四页，共74页。