Infrarot-Array-Detektoren

Infrarot-Array-Detektoren sind kryogen gekühlte Halbleiter-Arrays, die Wärmestrahlung abbilden und die elektronische Detektion über die Silizium-Absorptionsgrenze hinaus in den nahen und mittleren Infrarotbereich erweitern.

Definition

Ein Infrarot-Array-Detektor ist ein zweidimensionales Array aus infrarotempfindlichen Photodioden oder Photoleitern, die mit einer Silizium-Ausleseschaltung hybridisiert und auf kryogene Temperaturen gekühlt werden, um Wellenlängen jenseits der etwa ein Mikrometer langen Grenze von Silizium-CCDs abzubilden.

Scope

Dieses Thema behandelt Detektormaterialien wie Quecksilber-Cadmium-Tellurid und Indium-Antimonid sowie dotiertes Silizium für längere Wellenlängen, hybride Architekturen, die mit Silizium-Auslesemultiplexern verbunden sind, zerstörungsfreie und „Up-the-Ramp“-Abtastung, Dunkelstrom und die Notwendigkeit einer Tiefkühlung sowie das für Infrarot-Arrays charakteristische Verhalten von fehlerhaften Pixeln und Persistenz.

Core questions

• Warum können Silizium-CCDs die meisten Infrarotlicht nicht detektieren?
• Welche Materialien und Architekturen werden für Infrarot-Arrays verwendet?
• Warum müssen Infrarot-Arrays so tief gekühlt werden?
• Wie reduzieren Ausleseschemata das Rauschen in Infrarotdetektoren?

Key theories

Bandlücke und Materialauswahl

Ein Detektor reagiert auf Photonen, die energetisch genug sind, um seine Bandlücke zu überbrücken. Längere Infrarotwellenlängen erfordern daher Materialien mit schmaler Bandlücke wie Quecksilber-Cadmium-Tellurid oder dotiertes Silizium.

Hybride Detektorarchitektur

Die infrarotempfindliche Schicht wird Pixel für Pixel mit einem separaten Silizium-Multiplexer verbunden, wodurch das Photodetektormaterial und die Ausleseelektronik unabhängig voneinander optimiert werden können.

Zerstörungsfreie Auslesung und „Sampling up the ramp“

Da Infrarotpixel ausgelesen werden können, ohne ihre Ladung zu löschen, ermöglicht eine wiederholte Abtastung während einer Belichtung die Reduzierung von Rauschen und die Identifizierung von kosmischen Strahlentreffern.

Clinical relevance

Infrarot-Arrays ermöglichen die Abbildung und Spektroskopie von staubverhüllter Sternentstehung, kühlen Sternen und Braunen Zwergen, Exoplaneten und Galaxien mit hoher Rotverschiebung; sie sind das Herzstück von Instrumenten an Einrichtungen wie dem James Webb Space Telescope.

History

Einzelne Infrarotdetektoren wichen in den 1980er Jahren kleineren Arrays, als die Hybridtechnologie ausgereift war, und die Formate wuchsen in den 1990er und 2000er Jahren rapide. Quecksilber-Cadmium-Tellurid- und Indium-Antimonid-Arrays erreichen heute Millionen von Pixeln und dominieren die bodengestützte und Weltraum-Infrarotinstrumentierung.

Key figures

• Frank Low
• Craig McCreight

Seminal works

• rieke2003
• mclean2008

Frequently asked questions

Warum kann ein normales CCD nicht für die Infrarotastronomie verwendet werden?

Ein Silizium-CCD detektiert nur Photonen, die energetisch genug sind, um die Bandlücke von Silizium zu überwinden, was Wellenlängen von weniger als etwa 1,1 Mikrometer entspricht. Längere Infrarotphotonen passieren unabsorbiert, daher erfordert die Infrarotarbeit Detektoren aus Materialien mit kleinerer Bandlücke.

Warum werden Infrarot-Arrays weitaus stärker gekühlt als optische CCDs?

Materialien mit schmaler Bandlücke im Infrarotbereich erzeugen bei moderaten Temperaturen große Dunkelströme, da bereits geringe thermische Energie Ladungsträger freisetzen kann. Eine Kühlung auf zehn Kelvin oder weniger unterdrückt diesen Dunkelstrom, sodass das Array schwache astronomische Infrarotsignale detektieren kann.