telururo de mercurio y cadmio

El Hg _{1− x} Cd _x Te o telururo de mercurio y cadmio (también telururo de cadmio y mercurio , MCT , MerCad Telluride , MerCadTel , MerCaT o CMT ) es un compuesto químico de telururo de cadmio (CdTe) y telururo de mercurio (HgTe) con una banda prohibida ajustable que abarca desde la región del infrarrojo de onda corta hasta la región del infrarrojo de onda muy larga.

La cantidad de cadmio (Cd) en la aleación se puede elegir para ajustar la absorción óptica del material a la longitud de onda infrarroja deseada . El CdTe es un semiconductor con una banda prohibida de aproximadamente 1,5 eV a temperatura ambiente. El HgTe es un semimetal , lo que significa que su energía de banda prohibida es cero. La mezcla de estas dos sustancias permite obtener cualquier banda prohibida entre 0 y 1,5 eV.

Propiedades

Físico

El Hg _{1− x} Cd _x Te tiene una estructura de blenda de zinc con dos redes cúbicas centradas en las caras interpenetrantes desplazadas por (1/4,1/4,1/4) a _o en la celda primitiva. Los cationes Cd y Hg se mezclan estadísticamente en la subred amarilla, mientras que los aniones Te forman la subred gris en la imagen.

Electrónico

Brecha de energía de HgCdTe en electronvoltios en función de la composición x y la temperatura.

Longitud de onda de corte de HgCdTe en μm en función de la composición x y la temperatura.

Relación entre la banda prohibida y la longitud de onda de corte

La movilidad electrónica del HgCdTe con alto contenido de Hg es muy elevada. Entre los semiconductores comunes utilizados para la detección infrarroja, solo _elInSb y el InAs superan la movilidad electrónica del HgCdTe a temperatura ambiente. A 80 K, la movilidad electrónica del Hg₀.₈Cd₀.₂Te _puede alcanzar varios cientos de miles de cm² / ⁽ V·s). Además, a esta temperatura, los electrones presentan una gran longitud balística; su recorrido libre medio puede ser de varios micrómetros.

La concentración intrínseca de portadores viene dada por ^{[ 1 ].}

n_{i}(T,x)=(5.585-3.82x+(1.753\cdot 10^{-3})T-1.364\cdot 10^{-3}T\cdot x)\cdot (10^{14}\cdot E_{\text{g}}^{3/4}\cdot T^{3/2}\cdot e^{\frac {-E_{\text{g}}}{2kT}})

donde k es la constante de Boltzmann, q es la carga eléctrica elemental, T es la temperatura del material, x es el porcentaje de concentración de cadmio y E _g es la banda prohibida dada por ^{[ 2 ].}

E_{\text{g}}(T,x)=-0.302+1.93\cdot x+(5.35\cdot 10^{-4})\cdot T\cdot (1-2\cdot x)-0.81\cdot x^{2}+0.832\cdot x^{3}

Utilizando la relación $\lambda _{\text{p}}={\frac {1.24}{E_{\text{g}}}}$ donde λ está en μm y E _g . está en electronvoltios, también se puede obtener la longitud de onda de corte en función de x y t :

\lambda _{\text{p}}=(-0.244+1.556\cdot x+(4.31\cdot 10^{-4})\cdot T\cdot (1-2\cdot x)-0.65\cdot x^{2}+0.671\cdot x^{3})^{-1}

Portador minoritario de por vida

Recombinación Auger

Dos tipos de recombinación Auger afectan al HgCdTe: la recombinación Auger 1 y la recombinación Auger 7. La recombinación Auger 1 implica dos electrones y un hueco, donde un electrón y un hueco se combinan y el electrón restante recibe una energía igual o superior a la banda prohibida. La recombinación Auger 7 es similar a la Auger 1, pero implica un electrón y dos huecos.

La vida útil del portador minoritario Auger 1 para HgCdTe intrínseco (sin dopar) viene dada por ^{[ 3 ].}

\tau _{\text{Auger1}}(T,x)={\frac {2.12\cdot 10^{-14}\cdot {\sqrt {E_{\text{g}}(T,x)}}\cdot e^{\frac {q\cdot E_{\text{g}}(T,x)}{kT}}}{\mathrm {FF} ^{2}\cdot ({\frac {kT}{q}})^{1.5}}}

donde FF es la integral de solapamiento (aproximadamente 0,221).

La vida útil del portador minoritario Auger 1 para HgCdTe dopado viene dada por ^{[ 4 ].}

\tau _{\text{Auger1(dopado)}}(T,x,n)={\frac {2\cdot \tau _{\text{Auger1}}(T,x)}{1+({\frac {n}{n_{i}(T,x)}})^{2}}}

donde n es la concentración de electrones en equilibrio.

La vida útil de los portadores minoritarios Auger 7 para el HgCdTe intrínseco es aproximadamente 10 veces mayor que la vida útil de los portadores minoritarios Auger 1:

\tau _{\text{Auger7}}(T,x)=10\cdot \tau _{\text{Auger1}}(T,x)

La vida útil del portador minoritario Auger 7 para HgCdTe dopado viene dada por

\tau _{\text{Auger7(dopado)}}(T,x,n)={\frac {2\cdot \tau _{\text{Auger7}}(T,x)}{1+({\frac {n_{i}(T,x)}{n}})^{2}}}

La contribución total de la recombinación Auger 1 y Auger 7 a la vida útil del portador minoritario se calcula como

\tau _{\text{Auger}}(T,x)={\frac {\tau _{\text{Auger1}}(T,x)\cdot \tau _{\text{Auger7}}(T,x)}{\tau _{\text{Auger1}}(T,x)+\tau _{\text{Auger7}}(T,x)}}

Mecánico

El HgCdTe es un material blando debido a los enlaces débiles que el mercurio forma con el telurio. Es más blando que cualquier semiconductor III-V común. La dureza Mohs del HgTe es 1,9, la del CdTe es 2,9 y la del Hg₀ ,₅Cd₀, _₅Te_es 4. La dureza de las sales de plomo es aún menor.

Térmico

La conductividad térmica del HgCdTe es baja; a bajas concentraciones de cadmio, es tan baja como 0,2 W·K⁻¹ ^· m⁻¹ ^. Esto significa que no es adecuado para dispositivos de alta potencia. Aunque se han fabricado diodos emisores de luz infrarroja y láseres con HgCdTe, deben funcionar a bajas temperaturas para ser eficientes. La capacidad calorífica específica es de 150 J· ^kg⁻¹^· K⁻¹ . ^{[ 5 ]}

Óptico

El HgCdTe es transparente en el infrarrojo para energías de fotones inferiores a la banda prohibida. Su índice de refracción es elevado, alcanzando casi 4 para el HgCdTe con alto contenido de mercurio.

Detección infrarroja

El HgCdTe es el único material común capaz de detectar radiación infrarroja en ambas ventanas atmosféricas accesibles . Estas son de 3 a 5 μm (la ventana infrarroja de onda media, abreviada MWIR ) y de 8 a 12 μm (la ventana de onda larga, LWIR ). La detección en las ventanas MWIR y LWIR se obtiene utilizando 30 % [(Hg _0,7 Cd _0,3 )Te] y 20 % [(Hg _0,8 Cd _0,2 )Te] de cadmio, respectivamente. El HgCdTe también puede detectar en las ventanas atmosféricas infrarrojas de onda corta (SWIR) de 2,2 a 2,4 μm y de 1,5 a 1,8 μm.

El HgCdTe es un material común en los fotodetectores de espectrómetros infrarrojos de transformada de Fourier . Esto se debe a su amplio rango espectral y a su alta eficiencia cuántica. También se utiliza en el ámbito militar, la teledetección y la investigación en astronomía infrarroja . La tecnología militar ha dependido del HgCdTe para la visión nocturna . En particular, la Fuerza Aérea de los Estados Unidos lo utiliza ampliamente en todas sus aeronaves y para equipar bombas inteligentes aerotransportadas . Diversos misiles guiados por calor también están equipados con detectores de HgCdTe. Los conjuntos de detectores de HgCdTe se encuentran en la mayoría de los principales telescopios de investigación del mundo , incluyendo varios satélites. Muchos detectores de HgCdTe (como los detectores Hawaii y NICMOS ) reciben su nombre de los observatorios astronómicos o instrumentos para los que fueron desarrollados originalmente.

La principal limitación de los detectores LWIR basados en HgCdTe radica en que requieren refrigeración a temperaturas cercanas a la del nitrógeno líquido (77 K) para reducir el ruido generado por los portadores de corriente excitados térmicamente (véase cámara infrarroja refrigerada ). Las cámaras MWIR de HgCdTe pueden funcionar a temperaturas accesibles mediante enfriadores termoeléctricos con una ligera pérdida de rendimiento. Por consiguiente, los detectores de HgCdTe son relativamente pesados en comparación con los bolómetros y requieren mantenimiento. Sin embargo, el HgCdTe ofrece una velocidad de detección (velocidad de fotogramas) mucho mayor y es significativamente más sensible que algunos de sus competidores más económicos.

El HgCdTe puede utilizarse como detector heterodino , donde se detecta la interferencia entre una fuente local y la luz láser reflejada. En este caso, puede detectar fuentes como láseres de CO₂ _. En el modo de detección heterodina, el HgCdTe puede funcionar sin refrigeración, aunque se logra una mayor sensibilidad con refrigeración. Se pueden utilizar fotodiodos, fotoconductores o modos fotoelectromagnéticos (PEM). Con detectores de fotodiodo se puede alcanzar un ancho de banda muy superior a 1 GHz.

Los principales competidores del HgCdTe son los bolómetros basados en Si menos sensibles (véase cámara infrarroja sin refrigeración ), InSb y matrices de unión túnel superconductora (STJ) de conteo de fotones. Los fotodetectores infrarrojos de pozo cuántico (QWIP), fabricados a partir de materiales semiconductores III-V como GaAs y AlGaAs , son otra posible alternativa, aunque sus límites de rendimiento teóricos son inferiores a los de las matrices de HgCdTe a temperaturas comparables y requieren el uso de rejillas de reflexión/difracción complejas para superar ciertos efectos de exclusión de polarización que afectan la responsividad de la matriz . En el futuro, el principal competidor de los detectores de HgCdTe podría surgir en forma de fotodetectores infrarrojos de puntos cuánticos (QDIP), basados en una estructura de superred coloidal o de tipo II . Los efectos únicos de confinamiento cuántico 3D , combinados con la naturaleza unipolar ( comportamiento fotoeléctrico no basado en excitones ) de los puntos cuánticos podrían permitir un rendimiento comparable al del HgCdTe a temperaturas de funcionamiento significativamente más altas . Los trabajos de laboratorio iniciales han mostrado resultados prometedores en este sentido, y los QDIP podrían ser uno de los primeros productos nanotecnológicos importantes en surgir.

En el HgCdTe, la detección se produce cuando un fotón infrarrojo con la energía suficiente expulsa un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción . Este electrón es captado por un circuito integrado de lectura (ROIC) externo adecuado y transformado en una señal eléctrica. La conexión física del detector de HgCdTe con el ROIC se conoce comúnmente como " conjunto de plano focal ".

En cambio, en un bolómetro , la luz calienta una pequeña pieza de material. El cambio de temperatura del bolómetro produce un cambio en la resistencia, que se mide y se transforma en una señal eléctrica.

El telururo de zinc y mercurio presenta mejores características de estabilidad química, térmica y mecánica que el HgCdTe. Sin embargo, el cambio en la brecha energética con la composición de mercurio es más pronunciado que en el HgCdTe, lo que dificulta el control de la composición.

Técnicas de crecimiento de HgCdTe

Crecimiento de cristales a granel

El primer método de crecimiento a gran escala fue la recristalización en masa de una masa fundida líquida. Este fue el principal método de crecimiento desde finales de la década de 1950 hasta principios de la de 1970.

Crecimiento epitaxial

El HgCdTe, de alta pureza y cristalinidad, se fabrica mediante epitaxia sobre sustratos de CdTe o CdZnTe . El CdZnTe es un semiconductor compuesto cuyo parámetro de red se puede ajustar con precisión al del HgCdTe. Esto elimina la mayoría de los defectos de la capa epitaxial de HgCdTe. El CdTe se desarrolló como sustrato alternativo en la década de 1990. Si bien su red cristalina no coincide con la del HgCdTe, es mucho más económico, ya que se puede cultivar mediante epitaxia sobre sustratos de silicio (Si) o germanio (Ge).

La epitaxia en fase líquida (EPL) consiste en sumergir un sustrato de CdZnTe y hacerlo girar sobre la superficie de una masa fundida de HgCdTe líquida que se enfría lentamente. Este método ofrece los mejores resultados en términos de calidad cristalina y sigue siendo una técnica habitual en la producción industrial.

En los últimos años, la epitaxia de haces moleculares (MBE) se ha generalizado gracias a su capacidad para apilar capas de diferentes composiciones de aleación. Esto permite la detección simultánea en varias longitudes de onda. Además, tanto la MBE como la MOVPE permiten el crecimiento sobre sustratos de gran superficie, como CdTe sobre Si o Ge, mientras que la LPE no permite el uso de dichos sustratos.

Toxicidad

Se sabe que el telururo de mercurio y cadmio es un material tóxico, con el peligro adicional de la alta presión de vapor del mercurio en su punto de fusión; a pesar de esto, se sigue desarrollando y utilizando en sus aplicaciones. ^{[ 6 ]}

Véase también

Referencias

Notas

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Bibliografía

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Enlaces externos

Inventario Nacional de Contaminantes – Hoja informativa sobre mercurio y sus compuestos
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