Pourquoi un CCD normal ne peut-il pas être utilisé pour l'astronomie infrarouge ?

Un CCD en silicium ne détecte que les photons suffisamment énergétiques pour franchir la bande interdite du silicium, ce qui correspond à des longueurs d'onde inférieures à environ 1,1 micron. Les photons infrarouges plus longs traversent le silicium sans être absorbés ; le travail en infrarouge nécessite donc des détecteurs fabriqués à partir de matériaux à bande interdite plus étroite.

Pourquoi les matrices infrarouges sont-elles refroidies beaucoup plus que les CCD optiques ?

Les matériaux infrarouges à bande interdite étroite génèrent d'importants courants d'obscurité à des températures modérées, car même une faible énergie thermique peut libérer des porteurs de charge. Le refroidissement à des dizaines de kelvins ou moins supprime ce courant d'obscurité, permettant à la matrice de détecter de faibles signaux infrarouges astronomiques.

Détecteurs matriciels infrarouges

Les détecteurs matriciels infrarouges sont des matrices semi-conductrices refroidies cryogéniquement qui imagent le rayonnement thermique, étendant la détection électronique au-delà de la limite du silicium vers l'infrarouge proche et moyen.

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Definition

Un détecteur matriciel infrarouge est une matrice bidimensionnelle de photodiodes ou de photoconducteurs sensibles à l'infrarouge, hybridée à un circuit de lecture en silicium et refroidie à des températures cryogéniques, utilisée pour imager des longueurs d'onde au-delà de la limite d'environ un micron des CCD en silicium.

Scope

Ce sujet couvre les matériaux de détection tels que le tellurure de cadmium-mercure et l'antimoniure d'indium, ainsi que le silicium dopé pour les longueurs d'onde plus longues, les architectures hybrides liées aux multiplexeurs de lecture en silicium, l'échantillonnage non destructif et l'échantillonnage progressif (up-the-ramp), le courant d'obscurité et la nécessité d'un refroidissement profond, ainsi que le comportement de pixels défectueux et de persistance caractéristique des matrices infrarouges.

Core questions

Pourquoi les CCD en silicium ne peuvent-ils pas détecter la plupart de la lumière infrarouge ?
Quels matériaux et architectures sont utilisés pour les matrices infrarouges ?
Pourquoi les matrices infrarouges doivent-elles être refroidies si profondément ?
Comment les schémas de lecture réduisent-ils le bruit dans les détecteurs infrarouges ?

Key theories

Bande interdite et sélection des matériaux: Un détecteur répond aux photons suffisamment énergétiques pour franchir sa bande interdite ; les longueurs d'onde infrarouges plus longues nécessitent donc des matériaux à bande interdite étroite tels que le tellurure de cadmium-mercure ou le silicium dopé.
Architecture de détecteur hybride: La couche sensible à l'infrarouge est liée pixel par pixel à un multiplexeur de silicium séparé, ce qui permet d'optimiser indépendamment le matériau du photodétecteur et l'électronique de lecture.
Lecture non destructive et échantillonnage progressif (up the ramp): Étant donné que les pixels infrarouges peuvent être lus sans effacer leur charge, un échantillonnage répété pendant une exposition permet de réduire le bruit et d'identifier les impacts de rayons cosmiques.

Clinical relevance

Les matrices infrarouges permettent l'imagerie et la spectroscopie de la formation d'étoiles obscurcies par la poussière, des étoiles froides et des naines brunes, des exoplanètes et des galaxies à haut décalage vers le rouge ; elles sont au cœur des instruments d'installations telles que le télescope spatial James Webb.

History

Les détecteurs infrarouges uniques ont cédé la place à de petites matrices dans les années 1980 à mesure que la technologie hybride mûrissait, et les formats ont rapidement augmenté tout au long des années 1990 et 2000. Les matrices de tellurure de cadmium-mercure et d'antimoniure d'indium atteignent désormais des millions de pixels et dominent l'instrumentation infrarouge terrestre et spatiale.

Key figures

Frank Low
Craig McCreight

Seminal works

rieke2003
mclean2008

Frequently asked questions

Pourquoi un CCD normal ne peut-il pas être utilisé pour l'astronomie infrarouge ?: Un CCD en silicium ne détecte que les photons suffisamment énergétiques pour franchir la bande interdite du silicium, ce qui correspond à des longueurs d'onde inférieures à environ 1,1 micron. Les photons infrarouges plus longs traversent le silicium sans être absorbés ; le travail en infrarouge nécessite donc des détecteurs fabriqués à partir de matériaux à bande interdite plus étroite.
Pourquoi les matrices infrarouges sont-elles refroidies beaucoup plus que les CCD optiques ?: Les matériaux infrarouges à bande interdite étroite génèrent d'importants courants d'obscurité à des températures modérées, car même une faible énergie thermique peut libérer des porteurs de charge. Le refroidissement à des dizaines de kelvins ou moins supprime ce courant d'obscurité, permettant à la matrice de détecter de faibles signaux infrarouges astronomiques.