赤外線アレイ検出器

赤外線アレイ検出器は、熱放射を画像化する極低温冷却半導体アレイであり、シリコンのカットオフを超えて近赤外および中赤外領域まで電子検出を拡張します。

Definition

赤外線アレイ検出器は、赤外線に敏感なフォトダイオードまたは光導電体の2次元アレイであり、シリコン読み出し回路とハイブリッド化され、極低温に冷却されて、シリコンCCDの約1ミクロンの限界を超える波長を画像化するために使用されます。

Scope

このトピックでは、テルル化カドミウム水銀やアンチモン化インジウム、長波長用のドープトシリコンなどの検出器材料、シリコン読み出しマルチプレクサに接合されたハイブリッドアーキテクチャ、非破壊およびランプアップサンプリング、暗電流と深部冷却の必要性、および赤外線アレイに特徴的な不良ピクセルと残像挙動について説明します。

Core questions

• シリコンCCDがほとんどの赤外線を検出できないのはなぜですか？
• 赤外線アレイにはどのような材料とアーキテクチャが使用されていますか？
• 赤外線アレイはなぜこれほど深く冷却されなければならないのですか？
• 読み出し方式は赤外線検出器のノイズをどのように低減しますか？

Key theories

バンドギャップと材料選択

検出器は、そのバンドギャップを橋渡しするのに十分なエネルギーを持つ光子に応答するため、より長い赤外線波長には、テルル化カドミウム水銀やドープトシリコンなどの狭ギャップ材料が必要です。

ハイブリッド検出器アーキテクチャ

赤外線感応層は、個別のシリコンマルチプレクサにピクセルごとに接合されており、光検出器材料と読み出し電子機器を独立して最適化できます。

非破壊読み出しとランプアップサンプリング

赤外線ピクセルは電荷を消去せずに読み出すことができるため、露光中の繰り返しサンプリングによりノイズを低減し、宇宙線ヒットを特定できます。

Clinical relevance

赤外線アレイは、塵に覆われた星形成、低温星と褐色矮星、系外惑星、高赤方偏移銀河の画像化と分光を可能にし、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡などの施設の機器の中核をなしています。

History

1980年代にハイブリッド技術が成熟するにつれて、単一の赤外線検出器は小型アレイに取って代わられ、1990年代から2000年代にかけてフォーマットは急速に拡大しました。テルル化カドミウム水銀およびアンチモン化インジウムアレイは現在、数百万ピクセルに達し、地上および宇宙の赤外線機器を支配しています。

Key figures

• Frank Low
• Craig McCreight

Seminal works

• rieke2003
• mclean2008

Frequently asked questions

通常のCCDを赤外線天文学に使用できないのはなぜですか？

シリコンCCDは、シリコンのバンドギャップを横断するのに十分なエネルギーを持つ光子のみを検出します。これは約1.1ミクロンより短い波長に対応します。より長い赤外線光子は吸収されずに通過するため、赤外線作業にはより狭いバンドギャップ材料で作られた検出器が必要です。

赤外線アレイが光学CCDよりもはるかに冷却されるのはなぜですか？

狭バンドギャップの赤外線材料は、わずかな熱エネルギーでも電荷キャリアを解放できるため、適度な温度で大きな暗電流を生成します。数十ケルビン以下に冷却することで、この暗電流が抑制され、アレイは微弱な天文学的赤外線信号を検出できるようになります。