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 las regiones infrarrojas de onda corta a las 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 aproximadamente1,5 eV a temperatura ambiente. El HgTe es un semimetal , lo que significa que su energía de banda prohibida es cero. Mezclando estas dos sustancias se puede obtener cualquier banda prohibida entre 0 y 1,5 eV.
El Hg 1− x Cd x Te tiene una estructura de blenda de cinc 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, solo 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 intrínseca del portador se da 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]
Utilizando 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 la recombinación Auger 7. La recombinación Auger 1 involucra dos electrones y un hueco, donde un electrón y un hueco se combinan y el electrón restante recibe energía igual o mayor que la banda prohibida. La recombinación Auger 7 es similar a la Auger 1, pero involucra un electrón y dos huecos.
La vida útil del portador minoritario Auger 1 para el HgCdTe intrínseco (sin dopar) 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 se da por [4]
donde n es la concentración de electrones en equilibrio.
La vida útil del portador minoritario Auger 7 para el 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 viene dada por
La contribución total de la recombinación de 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 telurio. Es un material más blando que cualquier semiconductor común III-V. La dureza de 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 requerida ]
La conductividad térmica del HgCdTe es baja; en concentraciones bajas 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 en HgCdTe, deben funcionar en frío para que sean eficientes. La capacidad calorífica específica es de 150 J·kg −1 ⋅K −1 . [5]
El HgCdTe es transparente en el infrarrojo a energías de fotones inferiores a la brecha energética. El índice de refracción es alto y alcanza casi 4 para el HgCdTe con alto contenido de Hg.
El HgCdTe es el único material común que puede detectar la 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 cadmio al 30% [(Hg 0,7 Cd 0,3 )Te] y al 20% [(Hg 0,8 Cd 0,2 )Te] respectivamente. El HgCdTe también puede detectar en las ventanas atmosféricas SWIR infrarrojas de onda corta 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 los espectrómetros infrarrojos por transformada de Fourier . Esto se debe al amplio 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 astronómica infrarroja . La tecnología militar ha dependido del HgCdTe para la visión nocturna . En particular, la fuerza aérea de los EE. UU. hace un uso extensivo del HgCdTe en todas las aeronaves y para equipar bombas inteligentes aerotransportadas . 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 ) reciben el nombre de los observatorios astronómicos o instrumentos para los que se desarrollaron originalmente.
La principal limitación de los detectores basados en HgCdTe LWIR es que necesitan refrigeración 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 refrigerada ). Las cámaras HgCdTe MWIR pueden funcionar a temperaturas accesibles para los refrigeradores termoeléctricos con una pequeña pérdida de rendimiento. Por lo tanto, los detectores HgCdTe son relativamente pesados en comparación con los bolómetros y requieren mantenimiento. Por otro lado, el HgCdTe disfruta de una velocidad de detección mucho mayor (velocidad de cuadros) y es significativamente más sensible que algunos de sus competidores más económicos.
El 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 láseres de CO2 . En el modo de detección heterodino, el HgCdTe se puede dejar sin enfriar, aunque se consigue una mayor sensibilidad mediante el enfriamiento. Se pueden utilizar fotodiodos, fotoconductores o modos fotoelectromagnéticos (PEM). Se puede conseguir 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 (véase la cámara infrarroja no refrigerada ), el InSb y los conjuntos 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 alternativa posible, aunque sus límites de rendimiento teóricos son inferiores a los conjuntos 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 de superred coloidal o de tipo II . Los efectos únicos de confinamiento cuántico 3-D , 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 a este respecto y los QDIP pueden ser uno de los primeros productos nanotecnológicos importantes que surjan.
En el caso del HgCdTe, la detección se produce cuando un fotón infrarrojo de suficiente energía expulsa un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción . Dicho electrón es recogido por un circuito integrado de lectura externa (ROIC) adecuado y transformado en una señal eléctrica. El acoplamiento físico del conjunto de detectores de HgCdTe al ROIC se suele denominar " conjunto de plano focal ".
En cambio, en un bolómetro , la luz calienta un trocito 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 más pronunciado de brecha energética con la composición de 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 un líquido fundido. Este fue el principal método de crecimiento desde finales de la década de 1950 hasta principios de la de 1970.
El HgCdTe altamente puro y cristalino se fabrica por epitaxia sobre sustratos de CdTe o CdZnTe . El 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 coincidente con el HgCdTe, pero es mucho más barato, ya que se puede cultivar por epitaxia sobre sustratos de silicio (Si) o germanio (Ge).
Epitaxia en fase líquida (EPL), en la que se baja un sustrato de CdZnTe y se hace girar sobre la superficie de una masa fundida de HgCdTe líquida que se enfría lentamente. Esta técnica ofrece los mejores resultados en términos de calidad cristalina y sigue siendo una técnica habitual de elección para la producción industrial.
En los últimos años, la epitaxia de haz molecular (MBE) se ha generalizado debido a su capacidad de apilar capas de diferente composición de aleación. Esto permite la detección simultánea en varias longitudes de onda. Además, la MBE, y también la MOVPE , permiten el crecimiento en sustratos de gran superficie como CdTe sobre Si o Ge, mientras que la 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 esto, continúa desarrollándose y utilizándose en sus aplicaciones. [6]
