InSb-infrarooddetectoren

InSb-infrarooddetectoren zijn gevoelig voor golflengten van ongeveer 1 µm tot 5,5 µm. Dit bereik bestrijkt het grootste deel van de middengolf-infraroodband (MWIR). De langgolvige afsnijgrens van de detector ligt rond 5,3–5,5 µm en wordt bepaald door de bandgap van indiumantimonide bij cryogene temperaturen. Kortere golflengten tot ~1 µm worden ook gedetecteerd (fotonen met energie boven de bandgap genereren een signaal), wat betekent dat deze fotodiodes delen van het nabij-IR tot en met de volledige MWIR-regio bestrijken.

InSb-detectoren moeten cryogeen worden gekoeld (doorgaans tot ongeveer 77 K, het kookpunt van vloeibare stikstof) om hun hoge gevoeligheid te bereiken. Bij kamertemperatuur (300 K) zou een InSb-fotodiode last hebben van een extreem hoge donkere stroom en thermische ruis als gevolg van de smalle bandgap van het materiaal. Door de detector tot 77 K (of vergelijkbaar lage temperaturen) te koelen, wordt veel van deze thermische ruis onderdrukt en neemt de donkere stroom drastisch af. Het resultaat is dat de detector in een achtergrondgelimiteerd regime kan werken, waarbij de dominante ruisbron de externe infraroodachtergrond is in plaats van de eigen thermische ruis van de detector. In de praktijk worden deze detectoren vaak geïntegreerd in vloeibare-stikstofdewars of koelsystemen met gesloten cyclus om tijdens gebruik de vereiste lage temperatuur te handhaven.

Achtergrondgelimiteerde infraroodprestaties (BLIP) betekenen dat de ruis van de detector voornamelijk wordt veroorzaakt door achtergrondstraling (omgevingsinfrarood uit de omgeving of scène), en niet door de interne ruisbronnen van de detector. Met andere woorden: zodra de InSb-detector correct is gekoeld, worden zijn eigen uitleesruis en donkere stroomruis zo laag dat de resterende ruisvloer wordt bepaald door de statistische fluctuaties van invallende achtergrondfotonen. Dit is in feite een wenselijke situatie, omdat het impliceert dat de detector werkt op zijn theoretische gevoeligheidslimiet gegeven de omgeving. Een BLIP-detector kan een zeer hoge detectiviteit bereiken, omdat verdere vermindering van interne ruis de prestaties niet significant zou verbeteren – alleen het verminderen van de achtergrond (bijvoorbeeld door het gezichtsveld te verkleinen of spectrale filters te gebruiken) zou een merkbare verbetering van de gevoeligheid opleveren. Ingenieurs maken hier soms gebruik van door gekoelde openingen of interferentiefilters te gebruiken om de achtergrond die de detector bereikt te beperken, waardoor de signaal-ruisverhouding (SNR) onder specifieke meetomstandigheden verder wordt verbeterd.

Deze indiumantimonidedetectoren bieden een zeer hoge gevoeligheid in het midden-IR. Hun piekdetectiviteit D ligt in de orde van 10^11 cm·Hz^1/2/W (of hoger) bij de optimale golflengte (rond het gebied van 5 µm) wanneer ze worden gebruikt bij 77 K met een typische achtergrond van 300 K en ~f/1-verzameloptiek (gezichtsveld van 60°). In praktische termen geeft D > 1×10^11 aan dat de detector extreem lage stralingsfluxniveaus kan onderscheiden – het is een van de hoogste D-waarden voor middengolf-IR-fotodiodes. De piek-responsiviteit ligt over het algemeen boven 3 A/W, wat betekent dat de detector meer dan 3 ampère fotostroom per watt invallende midden-IR-straling produceert bij zijn piekresponsgolflengte. Deze hoge responsiviteit vertaalt zich in een sterk elektrisch uitgangssignaal, zelfs bij bescheiden invallende IR-signalen, wat gunstig is voor toepassingen zoals spectroscopie of thermografie, waar signaalniveaus zeer klein kunnen zijn. Het is vermeldenswaard dat zowel D als de responsiviteit meestal maximaal zijn aan het langgolvige uiteinde van de detector (net vóór de afsnijding bij 5,5 µm) en licht afnemen bij kortere golflengten. Over het geheel genomen onderstrepen deze cijfers dat InSb-detectoren uiterst gevoelige apparaten zijn die geschikt zijn voor het detecteren van uiterst kleine IR-signalen.

De standaardbehuizing voor deze InSb-detectoren is een hermetische cryogene dewar met een ingebouwd infraroodtransparant venster. Meestal wordt een saffiervenster gebruikt, omdat dit robuust is en het spectrum van 1–5,5 µm doorlaat. Er worden enkele dewar-configuraties aangeboden: een zijdelings kijkende metalen dewar (aangeduid als MSL) en een neerwaarts kijkende metalen dewar (MDL), elk verkrijgbaar met een houdtijd van ongeveer 8 uur of 12 uur (de houdtijd geeft aan hoelang het koelmiddel met vloeibare stikstof meegaat voordat bijvullen nodig is). Een “MSL-8”-dewar betekent bijvoorbeeld een zijdelings kijkende geometrie met een LN₂-houdtijd van ongeveer 8 uur. Deze opties stellen gebruikers in staat een geometrie te kiezen die het best bij hun optische opstelling past – zijdelings kijkende dewars worden vaak gebruikt wanneer de detector horizontaal uit de behuizing moet kijken, terwijl neerwaarts kijkende dewars door de onderzijde kijken (nuttig voor omhoog gerichte optische banen of montage op optische banken). Alle standaard-dewars worden gekoeld met vloeibare stikstof om de bedrijfstemperatuur van circa 77 K te bereiken. Daarnaast kunnen de detectoren indien nodig worden geïntegreerd met gekoelde optische componenten – sommige configuraties maken het bijvoorbeeld mogelijk om een gekoeld interferentiefilter of diafragma in de dewar vóór de detector te installeren. Hierdoor kan het spectrale of ruimtelijke Gezichtsveld (FOV) worden beperkt, waardoor de achtergrondruis voor specifieke meetvereisten verder afneemt. Voor toepassingen waarbij het gebruik van vloeibare stikstof onpraktisch is, kunnen deze detectoren ook worden gebruikt met cryokoelsystemen met gesloten cyclus (of Stirling-koelers) die ontworpen zijn om vergelijkbare temperaturen te bereiken, en de fabrikant kan ook begeleiding of behuizingsoplossingen voor dergelijke scenario’s bieden.

Onder normale bedrijfsomstandigheden hebben InSb-fotodiodedetectoren geen externe voorspanning nodig – ze worden gebruikt in de fotovoltaïsche modus (nulvoorspanning). Wanneer de fotodiode gekoeld is en zich in evenwicht bevindt, ligt het optimale werkpunt bij nul volt voorspanning, en produceert de detector een stroom als reactie op invallende infraroodstraling. In de praktijk wordt echter vrijwel altijd een transimpedantie-voorversterker of een vergelijkbare ruisarme versterker met de detector gebruikt om die fotostroom om te zetten in een meetbaar spanningssignaal en om impedantieaanpassing te bieden. De voorversterker versterkt niet alleen het zeer kleine signaal, maar kan indien nodig onder bepaalde omstandigheden ook een kleine spervoorspanning aanleggen. In situaties met zeer hoge niveaus van achtergrondinfrarood (bijvoorbeeld als de detector wordt blootgesteld aan een breed gezichtsveld of een warme scène), kan de fotodiode een constante offsetstroom produceren die haar wegduwt van het optimale punt bij nulvoorspanning. In zulke gevallen centreert het aanleggen van een kleine spervoorspanning (via het versterkercircuit) het werkpunt opnieuw en maximaliseert het het dynamisch bereik. De fabrikant biedt een speciale voorversterker voor deze InSb-detectoren, met instelbare voorspanning (typisch 0 tot +2.5 V) en variabele versterking. Het gebruik van de aanbevolen voorversterker of een gelijkwaardige ruisarme versterker is belangrijk – dit zorgt ervoor dat het systeem van detector plus versterker detectorruis-beperkt blijft, wat betekent dat de ruis van de versterker lager is dan de eigen ruis van de detector. Samengevat: u hoeft de detector niet van een voorspanning te voorzien om hem te laten werken, maar u hebt wel een goede versterker nodig om zijn zeer kleine stroom uit te lezen, en die versterker kan een voorspanning introduceren als de toepassing daarom vraagt.

InSb-infrarooddetectoren worden gebruikt in een breed scala aan wetenschappelijke, industriële en militaire toepassingen wanneer hooggevoelige detectie van midden-golf IR vereist is. Enkele prominente voorbeelden zijn:

• Medische thermografie: InSb-detectoren kunnen zeer kleine temperatuurverschillen vastleggen in medische diagnostiek of bij het in kaart brengen van de huidoppervlaktetemperatuur, dankzij de gevoeligheid in de 3–5 µm-band waarin de straling van het menselijk lichaam significant is.
• Thermische Beeldvorming en bewaking: veel MWIR-warmtebeeldcamera’s en nachtzichtsystemen (vooral systemen van oudere generaties of hoogwaardige gekoelde systemen) gebruiken InSb-Focal Plane Array (FPA)’s of enkelvoudige detectoren die een scène scannen. Een InSb-detector met één element kan worden gebruikt in een scannende thermische beeldvormer of als referentiesensor in gekalibreerde apparatuur voor Thermische Beeldvorming.
• Spectroscopie: InSb-fotodiodes dienen als detectoren in IR-spectrometers voor chemie, gasanalyse en materiaalkunde. Ze zijn geschikt voor het detecteren van absorptie- of emissielijnen in het bereik van 2–5 µm (bijvoorbeeld voor koolwaterstofgassen of andere moleculaire signaturen) met zeer lage detectielimieten.
• Radiometrie en IR-standaarden: vanwege hun stabiele en voorspelbare respons worden gekoelde InSb-detectoren vaak gebruikt in radiometrische metingen en kalibratiesystemen als referentiedetector voor midden-infrarood vermogen of energie.
• Wetenschappelijk onderzoek en IR-microscopie: in laboratoria kunnen InSb-detectoren worden aangetroffen in IR-microscoopaccessoires, lasermeetopstellingen (voor lasers die werken in het bereik van 1–5 µm) of in elk experiment waarbij zwakke midden-IR-signalen moeten worden gedetecteerd. Hun snelle respons maakt het ook mogelijk ze te gebruiken in tijdsgeresolveerde metingen van IR-fenomenen.

In al deze toepassingen zijn de belangrijkste redenen om voor een InSb-detector te kiezen de hoge gevoeligheid, de lage ruis (wanneer gekoeld) en de sterke prestaties precies in het relevante midden-golf infraroodgebied.

InSb-fotodiodedetectoren hebben een snelle respons, maar de totale bandbreedte wordt beïnvloed door hun junctiecapaciteit en de uitleeselektronica. Een InSb-detector met een klein oppervlak (zoals het 1×1 mm-element) in combinatie met een standaard voorversterker biedt doorgaans een bandbreedte in de orde van honderden kilohertz. Een conventionele transimpedantieversterkerconfiguratie kan bijvoorbeeld een frequentierespons van DC tot ongeveer 150 kHz ondersteunen (dit wordt vaak beperkt door de RC-tijdconstante van de detectorcapaciteit en de terugkoppelweerstand in de versterker). Met speciale hogesnelheidsconfiguraties kan de bandbreedte echter worden uitgebreid tot in het lage megahertz-bereik. Door een kleinere detector te gebruiken (om de capaciteit te verlagen), een lichte omgekeerde bias toe te passen (die ook de effectieve capaciteit verlaagt en de ladingsdragerverzameling versnelt), en een hogesnelheidsversterkerontwerp te gebruiken, zijn bandbreedtes tot ongeveer 1–5 MHz haalbaar. De fabrikant merkt zelfs op dat met aangepaste configuraties bandbreedtes tot 5 MHz beschikbaar zijn voor InSb-detectoren. Het is belangrijk om de voorversterker en bias-instellingen af te stemmen op de gewenste snelheid: het bereiken van de hoogste bandbreedte in het MHz-bereik kan ten koste gaan van een deel van de gevoeligheid (aangezien het toepassen van bias de ruis licht kan verhogen). Voor de meeste toepassingen zoals spectroscopie of Thermische Beeldvorming is de standaardbandbreedte van <0.2 MHz meer dan voldoende. Maar voor tijdsgeresolveerde infraroodlasermetingen of snelle scansystemen kunnen de detectoren voor die hogere frequenties worden geconfigureerd.