เครื่องตรวจจับแถวลำดับอินฟราเรด

เครื่องตรวจจับแถวลำดับอินฟราเรดคือแถวลำดับสารกึ่งตัวนำที่ถูกทำให้เย็นด้วยความเย็นยิ่งยวด ซึ่งใช้ในการถ่ายภาพรังสีความร้อน ขยายขีดความสามารถในการตรวจจับทางอิเล็กทรอนิกส์ให้พ้นจากขีดจำกัดของซิลิคอนไปสู่ช่วงอินฟราเรดใกล้และอินฟราเรดกลาง

Definition

เครื่องตรวจจับแถวลำดับอินฟราเรดคือแถวลำดับสองมิติของโฟโตไดโอดหรือโฟโตคอนดักเตอร์ที่ไวต่ออินฟราเรด ซึ่งถูกรวมเข้ากับวงจรอ่านค่าซิลิคอนและถูกทำให้เย็นลงถึงอุณหภูมิเยือกแข็ง ใช้ในการถ่ายภาพความยาวคลื่นที่เกินขีดจำกัดประมาณหนึ่งไมครอนของ CCD ซิลิคอน

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมวัสดุเครื่องตรวจจับ เช่น สารประกอบปรอทแคดเมียมเทลลูไรด์และอินเดียมแอนติโมไนด์ รวมถึงซิลิคอนเจือสารสำหรับความยาวคลื่นที่ยาวขึ้น สถาปัตยกรรมแบบไฮบริดที่เชื่อมต่อกับมัลติเพล็กเซอร์อ่านค่าซิลิคอน การสุ่มตัวอย่างแบบไม่ทำลายและแบบเพิ่มขึ้นตามเวลา กระแสความมืดและความจำเป็นในการทำความเย็นอย่างลึกซึ้ง และพฤติกรรมพิกเซลเสียและการคงอยู่ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของแถวลำดับอินฟราเรด

Core questions

• เหตุใด CCD ซิลิคอนจึงไม่สามารถตรวจจับแสงอินฟราเรดส่วนใหญ่ได้?
• วัสดุและสถาปัตยกรรมใดบ้างที่ใช้สำหรับแถวลำดับอินฟราเรด?
• เหตุใดแถวลำดับอินฟราเรดจึงต้องถูกทำให้เย็นลงอย่างมาก?
• แผนการอ่านค่าช่วยลดสัญญาณรบกวนในเครื่องตรวจจับอินฟราเรดได้อย่างไร?

Key theories

ช่องว่างพลังงานและการเลือกวัสดุ

เครื่องตรวจจับจะตอบสนองต่อโฟตอนที่มีพลังงานเพียงพอที่จะข้ามช่องว่างพลังงานของมัน ดังนั้นความยาวคลื่นอินฟราเรดที่ยาวขึ้นจึงต้องการวัสดุที่มีช่องว่างพลังงานแคบ เช่น ปรอทแคดเมียมเทลลูไรด์ หรือซิลิคอนเจือสาร

สถาปัตยกรรมเครื่องตรวจจับแบบไฮบริด

ชั้นที่ไวต่ออินฟราเรดจะถูกเชื่อมต่อแบบพิกเซลต่อพิกเซลเข้ากับมัลติเพล็กเซอร์ซิลิคอนแยกต่างหาก ทำให้สามารถปรับปรุงวัสดุโฟโตดีเทคเตอร์และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับการอ่านค่าได้อย่างอิสระ

การอ่านค่าแบบไม่ทำลายและการสุ่มตัวอย่างแบบเพิ่มขึ้นตามเวลา

เนื่องจากพิกเซลอินฟราเรดสามารถอ่านค่าได้โดยไม่ต้องลบประจุ การสุ่มตัวอย่างซ้ำๆ ในระหว่างการเปิดรับแสงช่วยลดสัญญาณรบกวนและระบุการชนของรังสีคอสมิกได้

Clinical relevance

แถวลำดับอินฟราเรดช่วยให้สามารถถ่ายภาพและสเปกโทรสโกปีของการก่อตัวดาวฤกษ์ที่ถูกบดบังด้วยฝุ่น ดาวฤกษ์เย็นและดาวแคระน้ำตาล ดาวเคราะห์นอกระบบ และกาแล็กซีที่มีการเลื่อนแดงสูงได้ โดยเป็นหัวใจสำคัญของเครื่องมือในสิ่งอำนวยความสะดวกต่างๆ เช่น กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์

History

เครื่องตรวจจับอินฟราเรดแบบเดี่ยวได้พัฒนาไปสู่แถวลำดับขนาดเล็กในช่วงทศวรรษ 1980 เมื่อเทคโนโลยีไฮบริดมีความสมบูรณ์ และรูปแบบต่างๆ ก็เติบโตอย่างรวดเร็วตลอดทศวรรษ 1990 และ 2000 ปัจจุบันแถวลำดับปรอทแคดเมียมเทลลูไรด์และอินเดียมแอนติโมไนด์มีจำนวนพิกเซลถึงหลายล้านพิกเซล และเป็นส่วนสำคัญของเครื่องมืออินฟราเรดทั้งบนพื้นโลกและในอวกาศ

Key figures

• Frank Low
• Craig McCreight

Seminal works

• rieke2003
• mclean2008

Frequently asked questions

เหตุใด CCD ทั่วไปจึงไม่สามารถใช้สำหรับการสำรวจทางดาราศาสตร์อินฟราเรดได้?

CCD ซิลิคอนจะตรวจจับเฉพาะโฟตอนที่มีพลังงานเพียงพอที่จะข้ามช่องว่างพลังงานของซิลิคอน ซึ่งสอดคล้องกับความยาวคลื่นที่สั้นกว่าประมาณ 1.1 ไมครอน โฟตอนอินฟราเรดที่ยาวกว่าจะผ่านไปโดยไม่ถูกดูดซับ ดังนั้นงานอินฟราเรดจึงต้องการเครื่องตรวจจับที่ทำจากวัสดุที่มีช่องว่างพลังงานที่แคบกว่า

เหตุใดแถวลำดับอินฟราเรดจึงถูกทำให้เย็นลงมากกว่า CCD แบบออปติคัลมาก?

วัสดุอินฟราเรดที่มีช่องว่างพลังงานแคบจะสร้างกระแสความมืดจำนวนมากที่อุณหภูมิปานกลาง เนื่องจากแม้แต่พลังงานความร้อนเพียงเล็กน้อยก็สามารถปลดปล่อยพาหะประจุได้ การทำความเย็นให้เหลืออุณหภูมิหลายสิบเคลวินหรือต่ำกว่านั้นจะช่วยยับยั้งกระแสความมืดนี้ ทำให้แถวลำดับสามารถตรวจจับสัญญาณอินฟราเรดทางดาราศาสตร์ที่จางๆ ได้