जब रोजमर्रा की थर्मल इमेजिंग की बात आती है, तो अधिकांश लोग तापमान मापने, भवन निरीक्षण, उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स और सुरक्षा कैमरों में उपयोग किए जाने वाले अनकूल्ड इन्फ्रारेड डिटेक्टर से परिचित हैं।लेकिन लंबी दूरी की निगरानी जैसे अनुप्रयोगों के लिए, सटीक तापमान माप, एयरोस्पेस अवलोकन और खगोल विज्ञान, एक और प्रकार का डिटेक्टर एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता हैः इंडियम एंटीमोनॉइड (InSb) ठंडा अवरक्त फोकल प्लेन सरणी (FPA) ।इनएसबी मध्य तरंग अवरक्त (एमडब्ल्यूआईआर) इमेजिंग के लिए सबसे स्थापित फोटॉन डिटेक्टर सामग्री में से एक हैइसकी उच्च संवेदनशीलता, तेजी से प्रतिक्रिया के संयोजन,और परिपक्व विनिर्माण प्रौद्योगिकी इसे उच्च प्रदर्शन ठंडा अवरक्त कैमरों के लिए एक महत्वपूर्ण विकल्प बना दिया है.
1.InSb क्या है और यह MWIR डिटेक्शन के लिए उपयुक्त क्यों है?
InSb इंडियम एंटीमोनॉइड का संक्षिप्त नाम है, जो इंडियम (In) और एंटीमोन (Sb) से बना एक III-V यौगिक अर्धचालक है।यह एक संकीर्ण-बैंड गैप अर्धचालक है जिसमें स्पेक्ट्रल प्रतिक्रिया है जो मध्य तरंग अवरक्त क्षेत्र के लिए विशेष रूप से उपयुक्त है3 ̊5 μm MWIR बैंड एक महत्वपूर्ण वायुमंडलीय संचरण खिड़की है। उच्च तापमान वाली वस्तुओं जैसे विमानों के निकास, जेट इंजन, औद्योगिक लौ, दहन प्रक्रियाओं से इन्फ्रारेड विकिरण,इस तरंग दैर्ध्य सीमा के भीतर अन्य ताप स्रोतों का प्रभावी ढंग से पता लगाया जा सकता है। क्योंकि वायुमंडलीय अवशोषण इस खिड़की में उपयुक्त पर्यावरणीय परिस्थितियों में अपेक्षाकृत कम है,MWIR इमेजिंग विशेष रूप से लंबी दूरी के अवलोकन के लिए मूल्यवान हैयह स्पेक्ट्रल विशेषता इनएसबी को उन अनुप्रयोगों में एक प्राकृतिक लाभ देती है जहां लंबी दूरी पर अपेक्षाकृत कमजोर थर्मल विकिरण का पता लगाने की क्षमता महत्वपूर्ण है।
एक अनकूल्ड माइक्रोबोलोमीटर के विपरीत, जो विद्युत प्रतिरोध में तापमान-प्रेरित परिवर्तन के माध्यम से अप्रत्यक्ष रूप से अवरक्त विकिरण का पता लगाता है, InSb एक फोटॉन डिटेक्टर है।आने वाले इन्फ्रारेड फोटॉन सीधे अर्धचालक सामग्री के साथ बातचीत करते हैं और चार्ज वाहक उत्पन्न करते हैं, जो तब एकत्र किए जाते हैं और एक विद्युत संकेत के रूप में पढ़ा जाता है। यह फोटॉन-डिटेक्शन तंत्र InSb को कई महत्वपूर्ण विशेषताएं देता है, जिनमें उच्च संवेदनशीलता, तेजी से प्रतिक्रिया,और तेजी से बदलते थर्मल संकेतों को पकड़ने के लिए उत्कृष्ट क्षमताइस कारण से, इनएसबी उच्च प्रदर्शन वाले एमडब्ल्यूआईआर कैमरों के लिए एक महत्वपूर्ण डिटेक्टर सामग्री बनी हुई है, भले ही अनकूल्ड इन्फ्रारेड तकनीक तेजी से व्यापक हो गई है।
2.इनएसबी डिटेक्टर को लगभग 77 कैलोरी तक ठंडा करने की आवश्यकता क्यों है?
InSb ठंडा इन्फ्रारेड डिटेक्टर की सबसे विशिष्ट विशेषता इसका बेहद कम ऑपरेटिंग तापमान है। कई पारंपरिक InSb फोकल प्लेन एरे लगभग 77 K पर काम करते हैं,लगभग -196°C के बराबर, वायुमंडलीय दबाव पर तरल नाइट्रोजन के उबलने के बिंदु के करीब है। इसका कारण InSb के संकीर्ण बैंडगैप से निकटता से संबंधित है। कमरे के तापमान पर,थर्मल ऊर्जा अर्धचालक के अंदर इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े की एक महत्वपूर्ण संख्या उत्पन्न कर सकते हैं, भले ही कोई अवरक्त विकिरण डिटेक्टर में प्रवेश नहीं कर रहा हैये थर्मल रूप से उत्पन्न वाहक अंधेरे प्रवाह में योगदान करते हैं, जिससे एक अवांछित विद्युत संकेत उत्पन्न होता है।
एक अवरक्त डिटेक्टर के लिए, यह एक गंभीर समस्या है। एक दूर या अपेक्षाकृत कम विकिरण लक्ष्य से वास्तविक अवरक्त संकेत बेहद छोटा हो सकता है।यदि डिटेक्टर स्वयं बहुत अधिक विद्युत शोर उत्पन्न करता है, उपयोगी संकेत पृष्ठभूमि में दफन हो सकता है. ठंडा नाटकीय रूप से थर्मल उत्पन्न वाहक को दबाता है और अंधेरे करंट को कम करता है. परिणामस्वरूप,डिटेक्टर बहुत अधिक सटीकता के साथ कमजोर अवरक्त संकेतों को अलग कर सकता हैसरल शब्दों में कहें तो ठंडा करने से InSb डिटेक्टर अधिक संवेदनशील नहीं बनता है, बल्कि इससे एक मजबूत इन्फ्रारेड सिग्नल बनता है।यह डिटेक्टर के अपने ही थर्मल शोर को कम करता है ताकि कमजोर अवरक्त संकेतों का पता लगाना आसान हो जाएयह एक ठंडा InSb डिटेक्टर और एक uncooled microbolometer के बीच मौलिक मतभेदों में से एक है।
3.InSb FPA को कैसे ठंडा किया जाता है?
एक InSb डिटेक्टर को पर्यावरण के संपर्क में नहीं लाया जा सकता और 77 K का तापमान बनाए रखने की उम्मीद नहीं की जा सकती।Dewar ठंड डिटेक्टर और आसपास के वातावरण के बीच थर्मल इन्सुलेशन प्रदान करता हैएक मैकेनिकल क्रायोकूलर, आमतौर पर स्टर्लिंग चक्र कूलर, फिर लगातार डिटेक्टर असेंबली से गर्मी निकालता है और आवश्यक ऑपरेटिंग तापमान बनाए रखता है।यह वास्तुकला आम तौर पर कई प्रमुख घटकों को जोड़ती है: InSb डिटेक्टर चिप, रीडिंग इंटीग्रेटेड सर्किट, कोल्ड फिंगर, देवर कंटेनर, इन्फ्रारेड विंडो, और क्रायोजेनिक कूलर।परिणाम एक पूर्ण ठंडा अवरक्त डिटेक्टर या कैमरा कोर है जो इमेजिंग के दौरान स्थिर निम्न तापमान संचालन बनाए रखने में सक्षम है.
4.इनएसबी इन्फ्रारेड फोकल प्लेन एरे कैसे काम करता है?
फोकल प्लेन एरे या एफपीए को दो आयामी अवरक्त छवि सेंसर के रूप में समझा जा सकता है जिसमें हजारों या लाखों व्यक्तिगत पिक्सेल होते हैं।प्रत्येक पिक्सेल दृश्य में एक संबंधित स्थान से अवरक्त विकिरण प्राप्त करता हैइस प्रकार, संपूर्ण सरणी स्थानिक सूचनाओं को कैप्चर करती है और इन्फ्रारेड विकिरण वितरण को विद्युत छवि में परिवर्तित करती है।
एक InSb FPA आम तौर पर दो महत्वपूर्ण अर्धचालक घटकों से बना होता हैः InSb फोटोडेटेक्टर सरणी और रीडआउट एकीकृत सर्किट (ROIC) ।InSb डिटेक्टर सरणी में बड़ी संख्या में फोटोड पिक्सेल होते हैंजब MWIR फोटॉन इन पिक्सेल तक पहुंचते हैं, तो वे फोटॉन अवशोषण के माध्यम से चार्ज वाहक उत्पन्न करते हैं।उत्पन्न विद्युत संकेत बहुत छोटे होते हैं और इसलिए उन्हें कुशलता से एकत्र और संसाधित करने की आवश्यकता होती हैआरओआईसी इस महत्वपूर्ण रीडिंग फ़ंक्शन को पूरा करता है. यह व्यक्तिगत डिटेक्टर पिक्सेल से संकेत एकत्र करता है, चार्ज को एकीकृत करता है और बढ़ाता है,और बाद के संकेत प्रसंस्करण के लिए जानकारी तैयार करता हैडिटेक्टर सरणी और आरओआईसी आमतौर पर इंडियम बंप हाइब्रिडाइजेशन प्रक्रिया के माध्यम से जुड़े होते हैं, जिससे एक कॉम्पैक्ट हाइब्रिड फोकल प्लेन असेंबली बनती है।
5.InSb कूल्ड FPA: MWIR इमेजिंग के लिए एक उच्च-प्रदर्शन विकल्प
InSb ठंडा इन्फ्रारेड फोकल प्लेन एरे को समझने की कुंजी सामग्री गुणों, स्पेक्ट्रल प्रतिक्रिया और क्रायोजेनिक संचालन के बीच संबंध को पहचानना है।InSb स्वाभाविक रूप से MWIR क्षेत्र के लिए उपयुक्त है, विशेष रूप से 3 5 μm वायुमंडलीय संचरण खिड़की। एक फोटॉन डिटेक्टर के रूप में, यह तेजी से प्रतिक्रिया और उच्च संवेदनशीलता प्रदान कर सकता है।इसकी संकीर्ण बैंडगैप भी इसे कमरे के तापमान पर थर्मल रूप से उत्पन्न वाहक के लिए अत्यधिक संवेदनशील बनाता है, यही कारण है कि उच्च प्रदर्शन संचालन के लिए गहरी शीतलन आवश्यक है।
ROIC के साथ एक InSb डिटेक्टर सरणी को एकीकृत करके, एक वैक्यूम Dewar के अंदर विधानसभा पैकेजिंग, और एक cryocooler के साथ एक कम ऑपरेटिंग तापमान बनाए रखने,निर्माता उच्च परिशुद्धता के साथ कमजोर MWIR संकेतों का पता लगाने में सक्षम अवरक्त इमेजिंग सिस्टम बना सकते हैंहालांकि ठंडा InSb सिस्टम बड़े हैं, अधिक जटिल, और अधिक शक्ति भूखदार uncooled अवरक्त कैमरों की तुलना में,उनकी कार्यक्षमता उन्हें उन अनुप्रयोगों में प्रतिस्थापित करना मुश्किल बनाती है जहां लंबी दूरी का पता लगाने, उच्च संवेदनशीलता, तेज प्रतिक्रिया और उच्च गुणवत्ता वाली एमडब्ल्यूआईआर इमेजिंग महत्वपूर्ण हैं। जैसे-जैसे डिटेक्टर पिक्सेल छोटे होते हैं, सरणी प्रारूप बड़े होते हैं, आरओआईसी अधिक उन्नत हो जाते हैं,और क्रायोजेनिक प्रणाली अधिक कॉम्पैक्ट हो जाती है, InSb प्रौद्योगिकी की मांग वाले MWIR इमेजिंग अनुप्रयोगों के लिए एक महत्वपूर्ण विकल्प बने रहने की उम्मीद है।
सिस्टम डिजाइनरों के लिए, विकल्प अंततः आवेदन पर निर्भर करता हैः जब कॉम्पैक्टनेस और कम शक्ति प्राथमिकता होती है, तो एक अनकूल्ड डिटेक्टर बेहतर समाधान हो सकता है;जब अधिकतम MWIR संवेदनशीलता और त्वरित प्रतिक्रिया की आवश्यकता होती है, एक ठंडा InSb फोकल प्लेन सरणी एक सिद्ध उच्च प्रदर्शन तकनीक बनी हुई है।