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 sintonizable que abarca el infrarrojo de onda corta a las regiones infrarrojas 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 electronvoltios (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.
Hg 1−x Cd x Te tiene una estructura de zincblenda con dos redes cúbicas interpenetrantes centradas en las caras desplazadas por (1/4,1/4,1/4)a o en la celda primitiva. Los cationes Cd y Hg están estadísticamente mezclados en la subred amarilla, mientras que los aniones Te forman la subred gris en la imagen.
La movilidad electrónica del HgCdTe con un alto contenido de Hg es muy alta. Entre los semiconductores comunes utilizados para la detección infrarroja, sólo el InSb y el InAs superan la movilidad electrónica del HgCdTe a temperatura ambiente. A 80 K, la movilidad electrónica del Hg 0,8 Cd 0,2 Te puede ser de varios cientos de miles de cm 2 /(V·s). Los electrones también tienen una gran longitud balística a esta temperatura; su recorrido libre medio puede ser de varios micrómetros.
La concentración de portador intrínseco viene dada por [1]
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]
Usando la relación , 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 :
Dos tipos de recombinación Auger afectan al HgCdTe: la recombinación Auger 1 y 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 mayor que la banda prohibida. La recombinación de Auger 7 es similar a la de Auger 1, pero involucra un electrón y dos huecos.
La vida útil del portador minoritario Auger 1 para HgCdTe intrínseco (no dopado) viene dada por [3]
donde FF es la integral de superposición (aproximadamente 0,221).
La vida útil del portador minoritario Auger 1 para HgCdTe dopado viene dada por [4]
donde n es la concentración de electrones en equilibrio.
La vida útil del portador minoritario Auger 7 para HgCdTe intrínseco es aproximadamente 10 veces más larga que la vida útil del portador minoritario Auger 1:
La vida útil del portador minoritario Auger 7 para HgCdTe dopado está dada por
La contribución total de la recombinación Auger 1 y Auger 7 a la vida útil del portador minoritario se calcula como
El HgCdTe es un material blando debido a los enlaces débiles que forma el Hg con el teluro. Es un material 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 Hg 0,5 Cd 0,5 Te es 4. La dureza de las sales de plomo es aún menor. [ cita necesaria ]
La conductividad térmica del HgCdTe es baja; en concentraciones bajas de cadmio es tan bajo como 0,2 W·K −1 m −1 . Esto significa que no es adecuado para dispositivos de alta potencia. Aunque los diodos emisores de luz infrarroja y los láseres se han fabricado en HgCdTe, deben funcionar en frío para que sean eficientes. La capacidad calorífica específica es 150 J·kg −1 K −1 . [5]
El HgCdTe es transparente en el infrarrojo a energías de fotones por debajo de la brecha de energía. El índice de refracción es alto, llegando casi a 4 para el HgCdTe con alto contenido de Hg.
HgCdTe es el único material común que puede detectar radiación infrarroja en ambas ventanas atmosféricas accesibles . Estos 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] cadmio respectivamente. El HgCdTe también puede detectar ventanas atmosféricas SWIR infrarrojas de onda corta de 2,2 a 2,4 μm y de 1,5 a 1,8 μm.
HgCdTe es un material común en los fotodetectores de los espectrómetros infrarrojos por transformada de Fourier . Esto se debe al gran rango espectral de los detectores de HgCdTe y también a la alta eficiencia cuántica. También se encuentra en el campo militar, la teledetección y la investigación de astronomía infrarroja . La tecnología militar ha dependido del HgCdTe para la visión nocturna . En particular, la fuerza aérea estadounidense hace un uso extensivo del HgCdTe en todos los aviones y para equipar bombas inteligentes en el aire . Una variedad de misiles buscadores de calor también están equipados con detectores de HgCdTe. También se pueden encontrar conjuntos de detectores de HgCdTe en la mayoría de los principales telescopios de investigación del mundo , incluidos varios satélites. Muchos detectores de HgCdTe (como los detectores Hawaii y NICMOS ) llevan el nombre de los observatorios o instrumentos astronómicos para los que fueron desarrollados originalmente.
La principal limitación de los detectores LWIR basados en HgCdTe es que necesitan enfriarse a temperaturas cercanas a las del nitrógeno líquido (77 K), para reducir el ruido debido a los portadores de corriente excitados térmicamente (ver cámara infrarroja enfriada ). Las cámaras MWIR HgCdTe pueden funcionar a temperaturas accesibles para refrigeradores termoeléctricos con una pequeña penalización en el rendimiento. Por tanto, los detectores de HgCdTe son relativamente pesados en comparación con los bolómetros y requieren mantenimiento. Por otro lado, HgCdTe disfruta de una velocidad de detección mucho mayor (velocidad de fotogramas) y es significativamente más sensible que algunos de sus competidores más económicos.
HgCdTe se puede utilizar como detector heterodino , en el que se detecta la interferencia entre una fuente local y la luz láser devuelta. En este caso puede detectar fuentes como, por ejemplo, láseres de CO 2 . En el modo de detección heterodina, el HgCdTe puede no enfriarse, aunque se logra una mayor sensibilidad mediante el enfriamiento. Se pueden utilizar fotodiodos, fotoconductores o modos fotoelectromagnéticos (PEM). Se puede lograr un ancho de banda muy superior a 1 GHz con detectores de fotodiodos.
Los principales competidores del HgCdTe son los bolómetros basados en Si, menos sensibles (ver cámara infrarroja no refrigerada ), el InSb y los conjuntos de uniones de túnel superconductoras (STJ) con recuento 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 complicadas rejillas de reflexión/difracción. para superar ciertos efectos de exclusión de polarización que afectan la capacidad de respuesta del conjunto . En el futuro, el principal competidor de los detectores de HgCdTe puede surgir en forma de fotodetectores infrarrojos de puntos cuánticos (QDIP), basados en una estructura coloidal o superred de tipo II . Los efectos únicos de confinamiento cuántico tridimensional , 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 iniciales de laboratorio han mostrado resultados prometedores a este respecto y los QDIP pueden ser uno de los primeros productos nanotecnológicos importantes que surjan.
En el HgCdTe, la detección se produce cuando un fotón infrarrojo de suficiente energía lanza un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción . Un electrón de este tipo se recoge mediante un circuito integrado de lectura externo adecuado (ROIC) y se transforma en una señal eléctrica. El acoplamiento físico del conjunto de detectores de HgCdTe con el ROIC a menudo se denomina " conjunto de plano focal ".
En cambio, en un bolómetro , la luz calienta un pequeño trozo 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 mercurio y zinc tiene mejores características de estabilidad química, térmica y mecánica que el HgCdTe. Tiene un cambio de brecha de energía más pronunciado con la composición del mercurio que el HgCdTe, lo que dificulta el control de la composición.
El primer método de crecimiento a gran escala fue la recristalización en masa de una masa fundida líquida. Éste fue el principal método de crecimiento desde finales de los años cincuenta hasta principios de los setenta.
El HgCdTe altamente puro y cristalino se fabrica mediante epitaxia sobre sustratos de CdTe o CdZnTe . CdZnTe es un semiconductor compuesto , cuyo parámetro de red puede coincidir exactamente con el del HgCdTe. Esto elimina la mayoría de los defectos de la epicapa de HgCdTe. El CdTe se desarrolló como sustrato alternativo en los años 90. No tiene una red compatible con el HgCdTe, pero es mucho más barato, ya que puede cultivarse mediante epitaxia sobre sustratos de silicio (Si) o germanio (Ge).
Epitaxia en fase líquida (LPE), en la que un sustrato de CdZnTe se baja y gira sobre la superficie de una masa fundida de HgCdTe líquido que se enfría lentamente. Esto proporciona los mejores resultados en términos de calidad cristalina y sigue siendo una técnica de elección común para la producción industrial.
En los últimos años, la epitaxia de haz molecular (MBE) se ha generalizado debido a su capacidad para apilar capas de diferentes composiciones de aleaciones. Esto permite la detección simultánea en varias longitudes de onda. Además, MBE, y también MOVPE , permiten el crecimiento en sustratos de gran superficie como CdTe sobre Si o Ge, mientras que LPE no permite el uso de dichos sustratos.
Se sabe que el telururo de mercurio y cadmio es un material tóxico, con un peligro adicional debido a la alta presión de vapor del mercurio en el punto de fusión del material; a pesar de ello, continúa desarrollándose y utilizándose en sus aplicaciones. [6]
