红外阵列探测器

红外阵列探测器是低温冷却的半导体阵列，用于对热辐射成像，将电子探测的范围扩展到硅截止波长之外的近红外和中红外区域。

Definition

红外阵列探测器是一种二维的红外敏感光电二极管或光电导体制成的阵列，与硅读出电路混合集成并冷却至低温，用于对超出硅CCD约一微米限制的波长进行成像。

Scope

本主题涵盖了探测器材料，例如碲镉汞、锑化铟以及用于更长波长的掺杂硅；与硅读出多路复用器键合的混合架构；非破坏性读出和斜坡采样；暗电流和深度冷却的需求；以及红外阵列特有的坏像素和持久性行为。

Core questions

• 为什么硅CCD无法探测大多数红外光？
• 红外阵列使用哪些材料和架构？
• 为什么红外阵列必须进行深度冷却？
• 读出方案如何降低红外探测器中的噪声？

Key theories

带隙与材料选择

探测器响应能量足以跨越其带隙的光子，因此更长的红外波长需要窄带隙材料，例如碲镉汞或掺杂硅。

混合探测器架构

红外敏感层逐像素键合到独立的硅多路复用器上，从而可以独立优化光电探测器材料和读出电子设备。

非破坏性读出和斜坡采样

由于红外像素可以在不擦除其电荷的情况下进行读出，因此在曝光期间重复采样可以降低噪声并识别宇宙射线撞击。

Clinical relevance

红外阵列能够对尘埃遮蔽的恒星形成区、冷恒星和褐矮星、系外行星以及高红移星系进行成像和光谱分析；它们是詹姆斯·韦伯空间望远镜等设施上仪器的核心。

History

随着混合技术日趋成熟，单一红外探测器在20世纪80年代逐渐被小型阵列取代，其尺寸在20世纪90年代和21世纪初迅速增长。碲镉汞和锑化铟阵列现在已达到数百万像素，并主导了地面和空间红外仪器。

Key figures

• Frank Low
• Craig McCreight

Seminal works

• rieke2003
• mclean2008

Frequently asked questions

为什么普通CCD不能用于红外天文学？

硅CCD只能探测能量足以跨越硅带隙的光子，这对应于波长短于约1.1微米的光。更长的红外光子会未经吸收地穿过，因此红外工作需要由窄带隙材料制成的探测器。

为什么红外阵列的冷却程度远超光学CCD？

窄带隙红外材料在适中温度下会产生较大的暗电流，因为即使很小的热能也能释放载流子。冷却到几十开尔文或更低可以抑制这种暗电流，从而使阵列能够探测微弱的天文红外信号。