Detectores de Matriz Infravermelha

Detectores de matriz infravermelha são matrizes semicondutoras resfriadas criogenicamente que imageiam a radiação de calor, estendendo a detecção eletrônica além do limite do silício para o infravermelho próximo e médio.

Definition

Um detector de matriz infravermelha é uma matriz bidimensional de fotodiodos ou fotocondutores sensíveis ao infravermelho hibridizados a um circuito de leitura de silício e resfriados a temperaturas criogênicas, usados para imagear comprimentos de onda além do limite de aproximadamente um mícron dos CCDs de silício.

Scope

Este tópico abrange materiais detectores como telureto de cádmio e mercúrio e antimoneto de índio e silício dopado para comprimentos de onda mais longos, arquiteturas híbridas ligadas a multiplexadores de leitura de silício, amostragem não destrutiva e "up-the-ramp", corrente escura e a necessidade de resfriamento profundo, e o comportamento de pixel defeituoso e persistência característico das matrizes infravermelhas.

Core questions

• Por que os CCDs de silício não conseguem detectar a maioria da luz infravermelha?
• Quais materiais e arquiteturas são usados para matrizes infravermelhas?
• Por que as matrizes infravermelhas devem ser resfriadas tão profundamente?
• Como os esquemas de leitura reduzem o ruído em detectores infravermelhos?

Key theories

Bandgap e seleção de materiais

Um detector responde a fótons energéticos o suficiente para transpor seu bandgap, portanto, comprimentos de onda infravermelhos mais longos exigem materiais de bandgap estreito, como telureto de cádmio e mercúrio ou silício dopado.

Arquitetura de detector híbrido

A camada sensível ao infravermelho é ligada pixel a pixel a um multiplexador de silício separado, permitindo que o material fotodetector e a eletrônica de leitura sejam otimizados independentemente.

Leitura não destrutiva e amostragem "up the ramp"

Como os pixels infravermelhos podem ser lidos sem apagar sua carga, a amostragem repetida durante uma exposição permite que o ruído seja reduzido e os impactos de raios cósmicos sejam identificados.

Clinical relevance

As matrizes infravermelhas permitem a imagem e a espectroscopia da formação estelar obscurecida por poeira, estrelas frias e anãs marrons, exoplanetas e galáxias de alto redshift; elas são o coração de instrumentos em instalações como o Telescópio Espacial James Webb.

History

Detectores infravermelhos únicos deram lugar a pequenas matrizes na década de 1980, à medida que a tecnologia híbrida amadurecia, e os formatos cresceram rapidamente nas décadas de 1990 e 2000. As matrizes de telureto de cádmio e mercúrio e antimoneto de índio agora atingem milhões de pixels e dominam a instrumentação infravermelha terrestre e espacial.

Key figures

• Frank Low
• Craig McCreight

Seminal works

• rieke2003
• mclean2008

Frequently asked questions

Por que um CCD normal não pode ser usado para astronomia infravermelha?

Um CCD de silício detecta apenas fótons energéticos o suficiente para atravessar o bandgap do silício, o que corresponde a comprimentos de onda menores que cerca de 1,1 mícrons. Fótons infravermelhos mais longos passam sem serem absorvidos, então o trabalho infravermelho precisa de detectores feitos de materiais com bandgap mais estreito.

Por que as matrizes infravermelhas são resfriadas muito mais do que os CCDs ópticos?

Materiais infravermelhos de bandgap estreito geram grandes correntes escuras em temperaturas modestas porque mesmo pequenas energias térmicas podem liberar portadores de carga. O resfriamento a dezenas de kelvins ou menos suprime essa corrente escura para que a matriz possa detectar sinais infravermelhos astronômicos fracos.