Detectores infrarrojos -...

12 September 2018 Michael Richer 1

Detectores infrarrojosReferencias• Glass, I. S. 1999, Handbook of Infrared Astronomy (Cambridge University

Press: Cambridge, UK)• Rieke, G. 2003, Detection of Light (Cambridge University Press:

Cambridge, UK)• Fowler, A. M. (ed.) 1995, Infrared Detectors and Instrumentation for

Astronomy (SPIE: Bellingham, USA), vol. 2475• Iye, M., & Moorwood, A. F. (eds.) 2002, Instrument Design and

Performance for Optical/Infrared Ground-based Telescopes (SPIE: Bellingham, USA), vol. 4841

• Gillett, F. C. 1995, SPIE, 2475, 2• Stapelbroek, M. G., Seib, D. H., Huffman, J. E., & Florence, R. A. 1995,

SPIE, 2475, 41• Beletic, J. W., & Amici, P. 2002, SPIE, 4841, 749• McLean, I. S. 1993, in Infrared Astronomy, IV Canary Islands Winter School

of Astrophysics, A. Mampaso, M. Prieto & F. Sanchez, eds. (Cambridge University Press, Cambridge, UK)


Regímenes espectrales infrarrojos• Es importante notar que el IR abarca un rango espectral MUCHO más largo que

el óptico. Por lo tanto, no es de sorprenderse que un solo detector o método de observación no funciona para todo el intervalo espectral.

• Infrarrojo cercano: 1.1µm < ' < 5µm (NIR)• Infrarrojo medio: 5µm < ' < 40µm (MIR)• Infrarrojo lejano: 40µm < ' < 350µm (FIR)• Observaciones terrestres son factibles (aunque lejos de idóneas) para la

mayoría del intervalo l < 30µm, pero el infrarrojo lejano tiene que observarse desde el espacio, como indica la gráfica (transmisión atmosférica en función de l; McLean 1993).

McLean (1993)

Tran

smita

ncia


Zoología de detectores IR• Los materiales indicados abajo son los usados para detectores en

el infrarrojo cercano y medio (' < 40µm).• Para el infrarrojo lejano, se usan diferentes tipos de detectores a

base de materiales estresadas, p.ej., Ge con contaminación de Ga o Sb y al parecer Ga:As también es una posibilidad futura.

• Para los fotoconductores extrínsecos, se puede extender su rango espectral según el grado de contaminación.

hoy: Teledyne: detectores “Hawai’I”Beletic & Amici (2002)

detectores BIB

detectores “Vista”


Fotoconductores intrínsecos• Los semiconductores son fotoconductores intrínsecos.• Los CCDs son construidos de Si puro, lo que es un ejemplo de un

fotoconductor intrínseco. – Los fotones ópticos (l < 1.1µm) tienen suficiente energía para

promover los electrones del Si directamente de la banda de valencia a la de conducción.

• Se puede usar “CCDs” de Ge para extender el intervalo espectral hasta 1.8µm.

• Los detectores NIR son normalmente semiconductores normales. – HgCdTe (los detectores Nicmos y Hawaii; Boeing/Rockwell/Teledyne) – InSb (Raytheon/Santa Barbara Research Centre)– PtSi

• Hay otros materiales semiconductores que tienen energías de excitación entre las bandas de valencia y conducción más pequeños que Si y Ge y que pueden usarse a longitudes de ondas hasta en el MIR, pero pero estos materiales tienen otros problemas (p.ej., falta de rigidez mecánica).


Fotoconductores extrínsecos• Muchos de los detectores infrarrojos son construidos de fotoconductores

extrínsecos. – Se contamina un fotoconductor intrínseco (Si o Ge normalmente) con otro elemento

(p.ej., As, Sb) que requiere menos energía para desprender uno de sus electrones.– Los electrones del contaminante se promueven a la banda de conducción del

fotoconductor intrínseco.

Rieke (2003)

• Se puede construir fotoconductores extrínsecos con sensibilidad hasta el IR lejano(l ~ 120µm).

• ',-.: Para cualquier fotoconductor, se puede determinar una l límite, ',-., para la cual el detector no tiene sensibilidad para ' > ',-..

',-. =1.24234

µm=1.24

25 − 27µm;

donde 25, 27 y 234 son las energías de conducción, valencia y excitación (en eV).


Estructura electrónica

• En un fotoconductor extrínseco, la banda de valencia del contaminante queda entre las bandas de valencia y de conducción del semiconductor huésped (fotoconductor intrínseco).

• Es factible generar fotoelectrones tanto del contaminante como del semiconductor huésped.

• Dado que hay muchos más átomos del semiconductor huésped, esta fuente dominará la producción de fotoelectrones a menos de que se tome las medidas para suprimirlo (filtrar la luz).

gráfica: Rieke (2003)

salto menor salto mayorba

ndas

de

cond

ucci

ónba

ndas

de

vale

ncia

permite la conducción


Fotoconductores extrínsecos• Hay una diferencia fundamental entre las propiedades eléctricas de

fotoconductores intrínsecos y extrínsecos.– Para un semiconductor, la absorción de un fotón resulta en un electrón en la

banda de conducción y un hoyo en la banda de valencia. Ambas “cargas” tienen movilidad y están separadas energéticamente.

– Para un fotoconductor extrínseco, la absorción de un fotón genera un electrón en la banda de conducción del semiconductor huésped y un átomo ionizado inmóvil. En este caso, el “hoyo” es inmóvil (no produce corrientes) y tiene la posibilidad de recapturar el electrón liberado.

• Densidad de átomos:– la densidad del Si es de 2.33 g/cm3

– la masa del Si es de 28.0855 a.m.u.– entonces, el cristal de Si tiene 5x1022 átomos/cm3

– Normalmente, se tiene que limitar la concentración de los contaminantes 1015-1016 átomos/cm3 (en Si), así que la gran mayoría de los átomos son del elemento principal (contaminación 1 parte en ~106).

Fotoconductores extrínsecos• No se puede aumentar la concentración de la especie

contaminante en un fotoconductor extrínseco a voluntad para aumentar la sensibilidad del detector. – El coeficiente de absorción de fotones por el efecto fotoeléctrico, 9 ' ,

es dado por 9 ' = : ' ;5, donde : ' es la sección recta para fotoionización y ;5es la concentración de los átomos contaminantes.

– La concentración está limitada para evitar que las funciones de onda de los átomos contaminantes se traslapen, lo cual permitiría la conducción de sus electrones sin que fueran excitados por fotones.

– (Recuerde que habrá un contacto que aplicará un campo eléctrico.)– Este efecto normalmente ocurre (1 parte en ~106) antes de llegar al

límite de saturación del fotoconductor intrínseco (1 parte en ~103).• Para evitar este efecto, un detector hecho de un fotoconductor

extrínseco puede ser mucho más grueso que uno hecho de un fotoconductor intrínseco para que tenga un volumen activo lo suficientemente grande para obtener una eficiencia cuántica aceptable.



Efectos de composición• El rango espectral de un

fotoconductor extrínseco depende de su composición química.– El detector Si:Sb tiene una

sensibilidad a longitudes de ondas mayores que Si:As.

• El rango espectral también depende de la concentración del contaminante.– El detector Si:As BIB tiene una

concentración mayor del contaminante (As) que el detector Si:As normal.

– Los detectores NIR comunes “Hawaii” están hechas del semiconductor HgxCd1-xTe y tienen sensibilidades hasta ',-.~2.5µm. Dependiendo de la concentración relativa de Hg y Cd, el intervalo de sensibilidad espectral puede extenderse hasta ',-.~12µm.

Stapelbroek et al. (1995)

Rieke (2003)

Efectos de la composición: ',-.

• En este ejemplo de detectores Hawai’i (HgCdTe), se puede variar ',-. del óptico hasta el infrarrojo medio cambiando la fracción de Cd del duo Hg/Cd.

• Esto sucede porque Cd y Hg tienen energías de ionización distintas (Cd menor).

• Hoy en día, Teledyne vende detectores con ',-. hasta 12 µm.


Publicación de Teledyne Imaging Sensors

Efectos de la composición: eficiencia cuántica

• Nuevamente, detectores Hawai’i: Se presentan las profundidades para absorción de fotones en función de l.

• La capa detectora debe tener una profundidad de al menos ',-.. • Para cada ',-., se requiere una sección recta mínima en átomos de Cd.



Efectos de la composición: corriente oscura

• Detectores Hawai’i de nuevo: La corriente oscura depende de la composición química ('=>?).

• Cuando el salto energético es menor, es más fácil generar una corriente oscura con una fluctuación térmica.



Estadística Fermi-Dirac: @ 2 = 1 + B CDCE FG⁄ DI

gráfica: Rieke (2003)

Estructura de detectores IR

• Los detectores infrarrojos normalmente tienen dos capas.• Cada capa se encarga de funciones específicas del proceso

de grabar imágenes.• Esto permite optimizar cada capa en función de sus tareas.




Estructura de detectores IR• Los detectores infrarrojos

normalmente tienen una estructura de dos capas. – La capa superior forma el

detector mismo.– La capa inferior contiene

toda la electrónica de lectura.

• Esta estructura se llama un “hybrid array”.

• Se juntan las capas por presión, las protuberancias de In deformándose y servían tanto para pegar las dos capas como para establecer la comunicación entre ellas.

• La construcción es difícil ya que los detectores se construyen a temperatura ambiente (20 C) mientras que se usan a temperaturas criogénicas (30-90 K). – Se tienen que elegir los materiales de las capas para que expanden y

contraen de manera similar sin romperse.

Rieke (2003)

Estructura de detectores IR• Esta estructura se conoce como “CMOS”: complementary

metal oxide semiconductor, la cual es comúnmente usado en la fabricación de circuitos integrados.

• En comparación con CCDs, los detectores CMOS– tienen una estructura más complicada, aunque su fabricación es

más común.– tienen mucho más electrónica (menos uniformidad en su

sensibilidad, más ruido de patrón fijo).– son más costosos.– pueden leer la señal de cualquier pixel en cualquier momento.– pueden leer la imagen más rápidamente (mayor número de

amplificadores de salida).– consumen menos energía.



La lectura de detectores IR• A diferencia de los CCDs, cada píxel tiene su propio amplificador y

circuito de lectura.• Por lo tanto, se lee cada píxel individualmente.• Con la geometría de dos capas, los detectores IR se iluminan desde

atrás.• Los amplificadores pueden leer la señal de entrada del detector sin

afectar el estado de los píxeles.• Esto no implica que no hay ruido de lectura, sino que el amplificador

puede leer su señal de entrada sin afectar ese señal (o el detector). • Los instrumentos IR normalmente no tienen obturador, sino que

dependen de la lectura de los datos para definir el principio y fin de la exposición.

• Al principio de la exposición, se reinician los voltajes en cada píxel. • Inmediatamente, se lee el voltaje de todos los píxeles.• Al cabo de la exposición, se leen los voltajes de nuevo.• La señal es la diferencia en los voltajes.


La lectura de detectores IR

Fowler & Gatley (1990, ApJ, 353, L33)

pendiente = ;lecturas�

• Esta doble lectura permite evitar la incertidumbre con la cual inician los voltajes de cada píxel.

• Este esquema de doble lectura es el más comúnmente usado (“doublecorrelated sampling”).

• Se puede disminuir el ruido de lectura midiendo la carga en los píxeles Nveces antes y después de la misma, promediando el los resultados.

• Se puede también tomar lecturas durante la exposición y así medir la tasa de acumulación de la carga, cuya incertidumbre será menor cuanto mayor sea el número de lecturas (“up the ramp sampling”).

• Lo anterior permite medir fuentes que se saturarían en exposiciones largas.

• Múltiples lecturas requiere electrónica rápida.

• La desventaja de múltiples lecturas es que el proceso genera calor.

Esquemas de lectura

• muestreo Fowler: Permite disminuir el ruido de lectura al promediar varias lecturas.

• muestreo “up the ramp”: Permite medir los brillos de fuentes brillantes y débiles simultáneamente.

• Para detalles: Ver el documento de Robberto (2007).


Si

Ri Fowler

up the ramp

detectores H2RG @ RATIR


Fox et al. 2012, SPIE, vol 8453

• Los detectores BIB son la elección de preferencia en el IR medio.• BIB: blocked impurity band• La idea es evitar el límite sobre la concentración del especie

contaminante con respecto a la conducción sin fotoionización.• Se construye el detector con capas cuyos fines son distintos:

– La detección de los fotones sucede en una capa con una muy alta concentración del especie contaminante (1017-1019 átomos/cm3)

– La acumulación de la carga sucede en otra capa.• Hay una capa de Si normal (baja contaminación) entre el contacto

eléctrico y el sustrato.• Esta capa conduce las cargas

promovidas a la banda de conducción por el efecto fotoeléctrico.

• Esta capa impide que la corriente oscura (traslape de funciones de onda) llegue al contacto eléctrico.


MIR: Detectores BIB

Rieke (2003)


MIR: Detectores BIB• La capa de detección está contaminada de tal grado que

normalmente tendría problemas de conducción sin que ésta fuera provocada por fotones.

• Este alto grado de contaminación provoca un ensanchamiento de la banda de valencia del contaminante, lo que la acerca a la banda de conducción del semiconductor huésped y extiende su intervalo espectral de sensibilidad.

• Se pueden lograr eficiencias cuánticas de 40-80% con detectores delgadas debido a la alta concentración del especie contaminante.

Rieke (2003)

MIR: Detectores BIB


FIG. 2.—Illustration of the geometry of an arsenic-doped silicon detector array. The light travels through 500 μm of pure silicon (which may be antireflection coated) and then a transparent contact into a thin active layer (25 μm for IRAC, 35 μm for MIRI baseline material) of arsenic-doped silicon, followed by an even thinner (4 μm for MIRI) blocking layer of pure silicon. Indium bump bonds, one per pixel, join evaporated contacts on the detectors and readout amplifiers to convey the photoelectrons generated in the active layer to the input of the amplifiers. See the electronic edition of the PASP for a color version of this figure.

Rieke et al. 2015, PASP, 127, 665http://dx.doi.org/10.1086/682257

Si puroSi contaminado

fuertemente con As

Si puro

MIR: Detectores BIB


FIG. 1.—Basic operation of a Si:As IBC detector array. The left side shows the physical arrangement of the detectors. They are manufactured on a lightly doped (high resistivity) transparent substrate. A 25–35 μm thick layer is relatively heavily doped with arsenic and absorbs the incident photons. An electric field is maintained across this layer by putting a voltage between the detector contact and the buried transparent common contact; connection to the buried contact is made through the V-etch (to one side of the detector array). The field is shown schematically by the gray-scale on the right pixel. An intrinsic layer blocks thermally generated free charge carriers in the arsenic impurity level from escaping from the IR-active layer and reaching the detector contact (because there is no corresponding energy level in intrinsic material), but allows the photoelectrons passage since they have been elevated into the conduction band. A photon is shown generating a photoelectron just at the edge of the depletion region where there is sufficient electric field to draw the free electron to the appropriate detector contact. When the array is hybridized to the readout wafer, contact to an output amplifier is made through an individual indium bump for each pixel. Figure based on that in Love et al. (2005).

IBC: impurity band conduction

Rieke et al. 2015, PASP, 127, 665http://dx.doi.org/10.1086/682257

Si puro

Si puro

Si contaminado fuertemente con As

FIR: más variedad


Rieke (2003)

• Se puede emplear el esquema BIB usando cristales de Ge hasta ',-.~120µm.

• Para longitudes de onda más largas, se requieren cristales deformados o arreglos de bolómetros.

• Los instrumentos de los satélites Spitzer y Herschel así como el observatorio Sofia(avión) demuestran el estado del arte en el IR lejano.

• MIPS @ Spitzer (ejemplo):– canal de 24µm con detector BIB (IR medio)– canal de 70µm con detector Ge:Ga (esquema BIB, sustrato de Ge,

contaminado por Ga)– canal de 160µm con un detector Ge:Ga deformado (que disminuye el

salto energético.


FIR: cristal deformado

• Se puede extender el rango de sensibilidad de ciertos detectores distorsionándoles.

• Dado que la absorción de un fotón requiere la ionización de un átomo, se requiere menos energía para ionizar ese átomo en un cristal si se mantiene deformado el cristal (sin romperlo).

• Básicamente, la deformación controlada inyecta energía al cristal, lo que permite la ionización más fácil de sus átomos.

• Se utilizan los tornillos para aplicar la una presión que distorsiona el cristal de cada pixel.

MIPS @ Spitzer: canal de 160µm

Schnurr et al. 1998, Proc. of SPIE, 3354, 322

cada pixel es un cristal independiente

dobla la longitud del pixel



pixel

envuelva al pixel

• Aquí se ve la unidad que lleva las cavidades que envuelvan a cada pixel.

• Su propósito es aumentar la eficiencia cuántica del detector.

• La cara superior de la cavidad se cierre con la placa que aplica la presión al cristal.

• Esta unidad lleva también la electrónica para la lectura de los pixeles.




Las guías de onda alimentan las cavidades alrededor de cada pixel.

• Aquí se ven cinco de las unidades anteriores conformando un módulo de 2 x 5 pixeles.

• Las guías de onda permiten aumentar la fracción del detector efectivamente cubierta por los pixeles.

• En este caso, la cubertura llega casi al 100%, lo cual también ayuda a aumentar la eficiencia cuántica.

• (La eficiencia cuántica es baja porque la profundidad de los pixeles es limitada.)

• La luz ilumina este detector desde arriba.




• Aquí se ven los cuatro módulos de 2 x 5 píxeles que conforman el detector (imágenes de 2x20 píxeles).

• El largo camino óptico en cada píxel (volumen rectangular) mejora la eficiencia del detector (banda en 160 µm).

La luz viene de arriba.

4 módulos de 2 x 5 pixeles

12 September 2018 Michael Richer29

FIR: Ga:As (¿opción futura?)• Como parte del programa de desarrollo del satélite FIRST (infrarrojo-sub-

mm), se esta probando la factibilidad de construir detectores de Ga:As que funcionan hasta ~250µm.

• Estos detectores son actualmente experimentos en laboratorio (o lo fueron, porque no encuentro información reciente).

• Sin embargo, no requieren deformaciones y cubren naturalmente un rango espectral donde no hay otras opciones actualmente.

Katterloher & Jakob (1995, SPIE, 2475, 62)

W̃ ≈ 35 − 36cmDI

⟹ '~280µm

W̃ ≈ 43 − 90cmDI

⟹ '~110 − 230µm

FIR: bolómetros


'4

• Los bolómetros que se utilizan en el IR lejano están basados en el concepto de un filtro de reflexión.

• En estos filtros, una capa metálica está puesta a una distancia de ' 4⁄ en frente de una superficie reflectora.

• Tales filtros tienen una reflectanciateórica de 100% a las frecuencias de 2^W y absorben perfectamente a las frecuencias 2^ + 1 W.

• Como resultados, estos filtros tienen una “banda de absorción” en las frecuencias 2^ + 1 W.

• Recordamos que ℎW = `.• En este caso, no se trata de un detector

fotónico, sino de radiación coherente.• (Hay bolómetros que son detectores

fotónicos también.)

“banda de absorción”

Hadley & Dennison (1947, Journal of the Optical Society of America, 37, 451

FIR: bolómetros


• Este es el concepto del arreglo de bolómetros del instrumento PACS del satélite Herschel: Cada pixel es un filtro de absorción.

• PACS tiene tres bandas en 60-85µm, 85-125µm y 125-210µm, todos los cuales usan arreglos de bolómetros como sus detectores.

incluye las mallas de absorción.

depósito de calor: Drena la energía de las mallas de absorción.

altura = ' 4a

Simoens et al. 2004, Proc. of SPIE, 5498, 177

FIR: bolómetros• Se mide la energía

depositada en cada pixel comparando las lecturas de los termómetros en cada pixel con los termómetros de referencia (miden la temperatura del depósito de calor).

• El depósito de calor es mantenido a una temperatura de 300 mK.

• La altura de ' 4⁄ es dada por el tamaño de los “puentes de indio”.

• El detector azul completo se conforma de 4 pares de arreglos, cada uno de los cuales tiene 16 x 16 pixeles.

12 September 2018 Michael Richer 3216 x 16 pixelesdetector del canal 60-85µmBillot et al. 2006, Proc. of SPIE, 6265, 62650D


La nolinealidad de detectores IR• A diferencia de los CCDs, la carga acumulada por los detectores IR no está

manipulada, sino solamente medida, porque la “maquinaria” necesaria estáen la capa de medición, no la de detección.

• Como resultado, los píxeles en detectores IR funcionan como capacitores: a medida que se acumula la carga, los píxeles van descargándose.

• Una señal que satura un píxel no lo puede dañar, porque, al saturarse, el píxel deja de tener sensibilidad.

• La carga, Q, que puede tener un capacitor con capacitancia, C, es dada por b = cd, donde V es el voltaje.

• La derivada está relacionada con la corriente, ef3g, acumulada por el pixel (producida por fotoelectrones o corriente oscura)

hb = c + hchd hd = ef3ghi.• El cambio de voltaje con el tiempo, hd hi⁄ , es claramente no-lineal con

respecto a la corriente detectada por el pixel porque su capacitancia depende de su voltaje.

• Normalmente, esta no-linealidad es inferior al 10% y puede calibrarse precisamente.

Butler, N. 2013, com. privada

pendiente variablependiente uniforme

pixeles malos

saturación

Nolinealidad @ RATIR, 1.5m, OAN-SPM

• Se trata de un detector Hawai’i 2 del instrumento RATIR @ 1.5m, OAN-SPM.

• Ambas gráficas: Se presenta la señal para una muestra de pixeles en función del tiempo de integración (tiempo normalizado).

• Izquierda: no se corrige por la no-linealidad.• Derecha: corregida por no linealidad. Ahora la enorme mayoría de los

pixeles tienen el mismo comportamiento lineal hasta señales de ~30 mil conteos.

• Sin o con corrección, hay pixeles que se saturan con menos señal.12 September 2018 Michael Richer 34


Evolución de los detectores NIR

• Con el tiempo, – el tamaño de los detectores ha aumentado. Se están trabajando

actualmente en formatos 4096 x 4096 (Hawai’i 4). – los ruidos de lectura han bajado y las eficiencias cuánticas han aumentado.

• Se puede hacer mosaicos de los detectores 2048 x 2048 (Hawai’i 2).• Es importante que los detectores tengan un pozo profundo debido al

alto brillo del cielo en el IR (observaciones terrestres).

Glass (1999; ambas tablas)

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