Инфракрасные матричные детекторы

Инфракрасные матричные детекторы представляют собой охлаждаемые до криогенных температур полупроводниковые матрицы, которые формируют изображения теплового излучения, расширяя возможности электронного детектирования за пределы кремниевого отсечения в ближний и средний инфракрасный диапазон.

Definition

Инфракрасный матричный детектор — это двухмерная матрица чувствительных к инфракрасному излучению фотодиодов или фотопроводников, гибридизированная с кремниевой схемой считывания и охлажденная до криогенных температур, используемая для получения изображений на длинах волн, превышающих примерно одномикронный предел кремниевых ПЗС-матриц.

Scope

Эта тема охватывает материалы детекторов, такие как теллурид кадмия-ртути и антимонид индия, а также легированный кремний для более длинных волн; гибридные архитектуры, связанные с кремниевыми мультиплексорами считывания; неразрушающее считывание и накопление сигнала в процессе экспозиции; темновой ток и необходимость глубокого охлаждения; а также характерное для инфракрасных матриц поведение, связанное с дефектными пикселями и персистенцией.

Core questions

• Почему кремниевые ПЗС-матрицы не могут детектировать большую часть инфракрасного света?
• Какие материалы и архитектуры используются для инфракрасных матриц?
• Почему инфракрасные матрицы необходимо так глубоко охлаждать?
• Как схемы считывания уменьшают шум в инфракрасных детекторах?

Key theories

Ширина запрещенной зоны и выбор материала

Детектор реагирует на фотоны, энергия которых достаточна для преодоления его запрещенной зоны, поэтому для более длинных инфракрасных волн требуются материалы с узкой запрещенной зоной, такие как теллурид кадмия-ртути или легированный кремний.

Гибридная архитектура детектора

Чувствительный к инфракрасному излучению слой связывается пиксель за пикселем с отдельным кремниевым мультиплексором, что позволяет оптимизировать материал фотодетектора и электронику считывания независимо друг от друга.

Неразрушающее считывание и накопление сигнала в процессе экспозиции

Поскольку инфракрасные пиксели могут быть считаны без стирания их заряда, многократное считывание во время экспозиции позволяет уменьшить шум и идентифицировать попадания космических лучей.

Clinical relevance

Инфракрасные матрицы позволяют получать изображения и проводить спектроскопию звездообразования, скрытого пылью, холодных звезд и коричневых карликов, экзопланет и галактик с высоким красным смещением; они являются основой инструментов на таких объектах, как космический телескоп Джеймса Уэбба.

History

Одиночные инфракрасные детекторы уступили место небольшим матрицам в 1980-х годах по мере развития гибридных технологий, а форматы быстро росли в 1990-х и 2000-х годах. Матрицы из теллурида кадмия-ртути и антимонида индия в настоящее время достигают миллионов пикселей и доминируют в наземных и космических инфракрасных приборах.

Key figures

• Frank Low
• Craig McCreight

Seminal works

• rieke2003
• mclean2008

Frequently asked questions

Почему обычная ПЗС-матрица не может использоваться для инфракрасной астрономии?

Кремниевая ПЗС-матрица детектирует только фотоны, энергия которых достаточна для преодоления запрещенной зоны кремния, что соответствует длинам волн короче примерно 1,1 микрона. Более длинные инфракрасные фотоны проходят без поглощения, поэтому для работы в инфракрасном диапазоне требуются детекторы, изготовленные из материалов с более узкой запрещенной зоной.

Почему инфракрасные матрицы охлаждаются значительно сильнее, чем оптические ПЗС-матрицы?

Материалы с узкой запрещенной зоной, используемые в инфракрасных детекторах, генерируют большие темновые токи при умеренных температурах, поскольку даже небольшая тепловая энергия может высвободить носители заряда. Охлаждение до десятков кельвинов или ниже подавляет этот темновой ток, что позволяет матрице детектировать слабые астрономические инфракрасные сигналы.