Кіріспе
Hg1−xCdxTe немесе сынап кадмий теллуриді (сондай-ақ кадмий сынап теллуриді, MCT, MerCad Telluride, MerCadTel, MerCaT немесе CMT) – кадмий теллуриді (CdTe) мен сынап теллуридінің (HgTe) химиялық қосылысы, оның жолақтық аралығы қысқа толқынды инфрақызылдан өте ұзақ толқынды инфрақызыл аймақтарына дейін реттеліп тұрғызылуға мүмкіндік береді. Қорытпадағы кадмийдің (Cd) мөлшерін материалдың оптикалық сіңіруін қажетті инфрақызыл толқын ұзындығына қарай баптау үшін таңдауға болады. CdTe – бөлме температурасында шамамен 1,5 электронвольт (eV) жолақтық аралығы бар жартылай өткізгіш. HgTe – жартылай металл, яғни оның жолақтық энергиясы нөлге тең. Осы екі затты араластыру арқасында 0 мен 1,5 ЭВ арасындағы кез келген жолақтық аралықты алуға болады.
Hg1−xCdxTe or mercury cadmium telluride (also cadmium mercury telluride, MCT, MerCad Telluride, MerCadTel, MerCaT or CMT) is a chemical compound of cadmium telluride (CdTe) and mercury telluride (HgTe) with a tunable bandgap spanning the shortwave infrared to the very long wave infrared regions. The amount of cadmium (Cd) in the alloy can be chosen so as to tune the optical absorption of the material to the desired infrared wavelength. CdTe is a semiconductor with a bandgap of approximately 1.5 electronvolts (eV) at room temperature. HgTe is a semimetal, which means that its bandgap energy is zero. Mixing these two substances allows one to obtain any bandgap between 0 and 1.5 eV.
Физикалық
Hg1−xCdxTe цинкбленде құрылымына ие, оның бастапқы жасушасында екі бір-біріне енетін, бет-орталық текше торлары (1/4,1/4,1/4)ao-мен ығыстырылған. Cd және Hg катиондары сары суретторда статистикалық түрде араласады, ал Te аниондары кескіндегі сұр суретторды құрайды.
Механикалық
HgCdTe теллурмен күрделі байланыстардың нәтижесінде жұмсақ материал болып табылады. Ол кез келген кең таралған III-V жартылай өткізгіштен де жұмсақ. HgTe-нің Мосс шкаласы бойынша қаттылығы 1,9, CdTe-нікі 2,9, ал Hg0,5Cd0,5Te-нікі 4-ке тең. Қорғасын тұздарының қаттылығы одан да төмен.
Термиялық
HgCdTe жылу өткізгіштігі төмен; кадмий концентрациясы төмен болғанда ол 0,2 Вт·К−1м−1 дейін төмендейді. Бұл оның жоғары қуатты құрылғылар үшін қолайсыз екенін көрсетеді. HgCdTe-ден инфрақызыл сәуле шығаратын диодтар мен лазерлер жасалғанмен, олардың тиімді жұмыс істеуі үшін салқындатылып жұмыс істеуі қажет. Оның нақты жылу сыйымдылығы 150 Дж·кг−1К−1 тең.
Оптикалық
HgCdTe энергиялық саңылаудан төмен фотон энергияларында инфрақызыл сәулелерге өткізгіш. Оның сындыру көрсеткіші жоғары, құрамында көп мөлшерде сынап бар HgCdTe үшін шамамен 4-ке жетеді.
Инфрақызыл диапазонды анықтау
HgCdTe – атмосфералық терезелердің екеуінде де инфрақызыл сәулеленуді анықтай алатын жалғыз материал. Бұл 3–5 мкм (орта толқынды инфрақызыл терезе, MWIR деп қысқартылады) және 8–12 мкм (ұзын толқынды терезе, LWIR). MWIR және LWIR терезелеріндегі анықтау 30% [(Hg0.7Cd0.3)Te] және 20% [(Hg0.8Cd0.2)Te] кадмийді пайдалану арқылы жүзеге асырылады. HgCdTe сондай-ақ 2,2–2,4 мкм және 1,5–1,8 мкм қысқа толқынды инфрақызыл SWIR атмосфералық терезелерді анықтауға мүмкіндік береді. HgCdTe – Фурье түрлендірілімді инфрақызыл спектрометрлерінің фотодетекторларында кеңінен қолданылатын материал. Бұл HgCdTe детекторларының кең спектрлік диапазонымен және жоғары кванттық тиімділігімен байланысты. Ол сондай-ақ әскери сала, қашықтан зондтау және инфрақызыл астрономия зерттеулерінде қолданылады. Әскери техника түнгі көру үшін HgCdTe-ге тәуелді. Атап айтқанда, АҚШ әуе күштері барлық ұшақтарда HgCdTe-ді кеңінен пайдаланады және әуедегі ақылды бомбаларды жабдықтау үшін қолданады. Жылу іздейтін ракеталардың көптеген түрлері HgCdTe детекторларымен жабдықталған. HgCdTe детекторлар тізімдерін әлемнің көптеген ірі зерттеу телескоптарында, соның ішінде бірнеше спутниктерде де кездестіруге болады. Көптеген HgCdTe детекторлары (мысалы, Гавай және NICMOS детекторлары) бастапқыда олар үшін әзірленген астрономиялық обсерваториялар немесе құралдардың атымен аталады. LWIR HgCdTe негізіндегі детекторлардың басты шектеуі – оларды термиялық қоздырылған ток тасымалдаушыларынан туындайтын шуды азайту үшін сұйық азот (77K) температурасына жуық температураға дейін салқындату қажеттігі (салқындатылған инфрақызыл камераны қараңыз). MWIR HgCdTe камераларын термоэлектрлік салқындатқыштармен қол жетімді температурада жұмыс істеуге болады, бұл өнімділікке минималды әсер етеді. Сондықтан HgCdTe детекторлары боллометрлерге қарағанда салыстырмалы түрде ауыр және техникалық қызмет көрсетуді қажет етеді. Екінші жағынан, HgCdTe анықтау жылдамдығы (кадр жылдамдығы) әлдеқайда жоғары және оның кейбір экономикалық бәсекелестерінен әлдеқайда сезімтал. HgCdTe лазерлік сәуленің қайтарылуымен жергілікті көз арасындағы интерференцияны анықтайтын гетеродиндік детектор ретінде де қолданылуы мүмкін. Бұл жағдайда ол CO2 лазері сияқты көздерді анықтай алады. Гетеродиндік анықтау режимінде HgCdTe салқындатылмауы мүмкін, бірақ салқындату арқылы жоғары сезімталдыққа қол жеткізіледі. Фотодиодтар, фотоөткізгіштер немесе фотоэлектромагниттік (PEM) режимдер қолданылуы мүмкін. Фотодиодты детекторлармен 1 ГГц-тен аспайтын жолақты кеңістікке қол жеткізуге болады. HgCdTe-нің басты бәсекелестері – аз сезімтал Si негізіндегі боллометрлер (салқындатылмаған инфрақызыл камераны қараңыз), InSb және фотон санауды жүзеге асыратын суперөткізгіш туннельдік құрылымдар (STJ) тізімдері. GaAs және AlGaAs сияқты III-V жартылай өткізгіш материалдарынан жасалған кванттық инфрақызыл фотодетекторлар (QWIP) тағы бір мүмкін балама болып табылады, бірақ олардың теориялық өнімділік шектері салыстырмалы температурада HgCdTe тізімдерінен төмен және олар тізімнің жауап беруіне әсер ететін белгілі бір поляризациялық шығару әсерлерін жеңу үшін күрделі шағылысу/дифракциялық торларды қолдануды қажет етеді. Болашақта HgCdTe детекторларының басты бәсекелесі кванттық нүктелі инфрақызыл фотодетекторлар (QDIP) болуы мүмкін, олар колоидты немесе II типті суперрешеткалық құрылымға негізделген. Кванттық нүктелердің бірегей 3D кванттық шектеу әсері, сондай-ақ кванттық нүктелердің бірполярлы (экситонға негізделмеген фотоэлектрлік мінез-құлқы) табиғатымен үйлесіп, HgCdTe-ге қарағанда едәуір жоғары жұмыс температурасында салыстырмалы өнімділікке мүмкіндік беруі мүмкін. Алғашқы зертханалық жұмыстар осы бағытта үміттендірерлік нәтижелер көрсетті және QDIP нанотехнологияның алғашқы маңызды өнімдерінің бірі болуы мүмкін. HgCdTe-де анықтау инфрақызыл фотонның жеткілікті энергиясы электронды валенттік жолақтан өткізгіш жолаққа итеруімен жүзеге асырылады. Мұндай электрон тиісті сыртқы оқу интегралды схемалары (ROIC) арқылы жиналады және электр сигналына айналдырылады. HgCdTe детектор тізімінің ROIC-ке физикалық қосылуы көбінесе "фокалды жазықтық тізімі" деп аталады. Ал болметрде жарық кішкентай материалды қыздырады. Болометрдің температурасының өзгеруі кедергінің өзгеруіне әкеледі, ол өлшенеді және электр сигналына айналдырылады. Мырыш цинк теллуридінің химиялық, жылулық және механикалық тұрақтылық сипаттамалары HgCdTe-ге қарағанда жақсы. Оның энергиялық айырмашылығы HgCdTe-ге қарағанда сынап құрамындағы энергиялық айырмашылықтан күрт өзгереді, бұл құралымды бақылауды қиындатады.
Кристаллдардың жаппай өсуі
Бірінші кең көлемді өсіру әдісі – сұйық балқыманы жаппай қайта кристалдау болды. Бұл әдіс 1950 жылдардың соңынан 1970 жылдардың басына дейін басты өсіру әдісі болып табылды.
Эпитаксиалды өсу
Жоғары таза және кристалды HgCdTe, CdTe немесе CdZnTe субстраттарында эпитаксия арқылы өндіріледі. CdZnTe – қосымша жартылай өткізгіш, оның кристалдық тор параметрін HgCdTe параметрімен нақты сәйкестіруге болады. Бұл HgCdTe эпитаксиялық қабатындағы көптеген кемшіліктерді жояды. CdTe 1990-шы жылдары балама субстрат ретінде әзірленді. Ол HgCdTe-мен кристалдық тор бойынша сәйкес келмейді, бірақ кремний (Si) немесе германий (Ge) субстраттарында эпитаксия арқылы өсірілуге болатындықтан әлдеқайда арзан. Сұйық фазалық эпитаксия (LPE) кезінде CdZnTe субстраты баяу салқындатылатын сұйық HgCdTe қорытпасының бетіне түсіріліп, айналдырылады. Бұл кристалдық сапа жағынан ең жақсы нәтижелерді береді және әлі де өнеркәсіптік өндірісте таңдаулы әдіс болып табылады. Соңғы жылдары молекулалық сәулелі эпитаксия (MBE) әртүрлі қорытпалардың қабаттарын жинау мүмкіндігінің арқасында кеңінен таралды. Бұл бірнеше толқын ұзындығында бір уақытта анықтауға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, MBE және MOVPE Si немесе Ge-дегі CdTe сияқты үлкен аудандағы субстраттарда өсіруге мүмкіндік береді, ал LPE мұндай субстраттарды қолдануға рұқсат етпейді.
Уыттылық
Сынап кадмий телуридінің зиянды материал екені белгілі, оның қобалжу температурасында сынаптың жоғары булану қысымынан қосымша қауіп туындайды; осыған қарамастан, оның әзірленуі мен қолданылуы жалғасуда.
Қатынасты материалдар
Сынап телуриді, кадмий телуриді, сынап-мырыш телуриді.
Басқа
Инфрақызыл, термография.