पारा कैडमियम टेल्यूराइड

Hg_1−xCd_xTe या मरकरी कैडमियम टेल्यूराइड (कैडमियम पारा टेलराइड, MCT, MerCad टेलुराइड, MerCadTel, MerCaT या CMT) कैडमियम टेल्यूराइड(CdTe) और मरकरी टेल्यूराइड(HgTe) का रासायनिक यौगिक है, जिसमें ट्यून करने योग्य बैंडगैप शॉर्टवेव इन्फ्रारेड को बहुत लंबी तरंग अवरक्त क्षेत्रों तक फैलाता है। मिश्र धातु में कैडमियम (Cd) की मात्रा को चुना जा सकता है जिससे सामग्री के ऑप्टिकल अवशोषण को वांछित इन्फ्रारेड तरंगदैर्ध्य में ट्यून किया जा सके।

CdTe कक्ष के तापमान पर लगभग 1.5 इलेक्ट्रॉन वोल्ट (eV) के बैंडगैप वाला अर्धचालक है। HgTe उपधातु है, जिसका अर्थ है कि इसकी बैंडगैप ऊर्जा शून्य है। इन दो पदार्थों को मिलाने से 0 और 1.5 eV के बीच किसी भी बैंडगैप को प्राप्त करने की अनुमति मिलती है।

कैडमियम संरचना के कार्य के रूप में ऊर्जा अंतराल।

गुण

भौतिक

एक जिंकब्लेंड यूनिट सेल

Hg_1−xCd_xTe में जिंकब्लेंड संरचना है जिसमें दो इंटरपेनेट्रेटिंग फेस-सेंटर्ड क्यूबिक लैटिस हैं जो आदिम सेल में (1/4,1/4,1/4)a_o द्वारा ऑफसेट हैं। उद्धरण Cd और Hg सांख्यिकीय रूप से पीले उप-वर्ग पर मिश्रित होते हैं जबकि Te आयन छवि में ग्रे उप-वर्ग बनाते हैं।

इलेक्ट्रॉनिक

बड़ी Hg सामग्री के साथ HgCdTe की इलेक्ट्रॉन गतिशीलता बहुत अधिक है। अवरक्त पहचान के लिए उपयोग किए जाने वाले सामान्य अर्धचालकों में, मात्र इंडियम एंटीमोनाइड(InSb) और इंडियम आर्सेनाइड(InAs) कक्ष के तापमान पर HgCdTe की इलेक्ट्रॉन गतिशीलता को पार करते हैं।

80 K पर, Hg_0.8Cd_0.2Te इलेक्ट्रॉन गतिशीलता कई लाख सेमी²/(V·s) हो सकती है. इस तापमान पर इलेक्ट्रॉनों की लंबी बैलिस्टिक लंबाई भी होती है; उनका माध्य मुक्त पथ कई माइक्रोमीटर हो सकता है।

आंतरिक वाहक एकाग्रता द्वारा दिया जाता है

$n_{i}(t,x)=(5.585-3.82x+(1.753\cdot 10^{-3})t-1.364\cdot 10^{-3}t\cdot x)\cdot 10^{14}\cdot E_{g}(t,x)^{0.75}\cdot t^{1.5}\cdot e^{\frac {-E_{g}(t,x)\cdot q}{2\cdot k\cdot t}}$

जहाँ k बोल्ट्ज़मैन का स्थिरांक है, q प्राथमिक विद्युत आवेश है, t पदार्थ का भौतिक तापमान है, x कैडमियम सांद्रता का प्रतिशत है, और E_g द्वारा दिया गया बैंडगैप है,

x संरचना और तापमान के एक फलन के रूप में इलेक्ट्रॉन वोल्ट में HgCdTe बैंडगैप

x रचना और तापमान के कार्य के रूप में HgCdTe कटऑफ तरंग दैर्ध्य μm में ।

बैंडगैप और कटऑफ वेवलेंथ के बीच संबंध

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

संबंध $\lambda _{p}={\frac {1.24}{E_{g}}}$ का उपयोग करना, जहां λ µm में है और E_g इलेक्ट्रॉन वोल्ट में है, कोई x और t के कार्य के रूप में विच्छेद तरंगदैर्ध्य भी प्राप्त कर सकता है:

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

ऑगर्स पुनर्संयोजन(बरमा पुनर्संयोजन)

बरमा पुनर्संयोजन के दो प्रकार HgCdTe को प्रभावित करते हैं: पहला बरमा(ऑगर्स) 1 पुनर्संयोजन और दूसरा बरमा 7 पुनर्संयोजन। बरमा 1 पुनर्संयोजन में दो इलेक्ट्रॉन और एक छिद्र सम्मिलित होता है, जहां एक इलेक्ट्रॉन और एक छिद्र जुड़ते हैं और शेष इलेक्ट्रॉन बैंड अंतराल के बराबर या उससे अधिक ऊर्जा प्राप्त करते हैं। बरमा 7 पुनर्संयोजन, बरमा 1 के समान है, किन्तु इसमें एक इलेक्ट्रॉन और दो छेद सम्मिलित हैं।

इंट्रिन्सिक अथवा आंतरिक(अनडॉप्ड) HgCdTe के लिए ऑगर्स 1 माइनॉरिटी कैरियर लाइफ़टाइम(अल्पसंख्यक वाहक जीवनकाल) दिया गया है

$\tau _{Auger1}(t,x)={\frac {2.12\cdot 10^{-14}\cdot {\sqrt {E_{g}(t,x)}}\cdot e^{\frac {q\cdot E_{g}(t,x)}{k\cdot t}}}{FF^{2}\cdot ({\frac {k\cdot t}{q}})^{1.5}}}$

जहां FF ओवरलैप इंटीग्रल (लगभग 0.221) है।

डोप्ड HgCdTe के लिए ऑगर्स 1 अल्पसंख्यक वाहक जीवनकाल दिया गया है

$\tau _{Auger1_{doped}}(t,x,n)={\frac {2\cdot \tau _{Auger1(t,x)}}{1+({\frac {n}{n_{i}(t,x)}})^{2}}}$

जहाँ n संतुलन इलेक्ट्रॉन सांद्रता है।

आंतरिक HgCdTe के लिए ऑगर्स 7 अल्पसंख्यक वाहक जीवनकाल ऑगर्स 1 अल्पसंख्यक वाहक जीवनकाल से लगभग 10 गुना अधिक है:

$\tau _{Auger7}(t,x)=10\cdot \tau _{Auger1}(t,x)$

डोप्ड HgCdTe के लिए ऑगर्स 7 अल्पसंख्यक वाहक जीवनकाल द्वारा दिया गया है

$\tau _{Auger7_{doped}}(t,x,n)={\frac {2\cdot \tau _{Auger7(t,x)}}{1+({\frac {n_{i}(t,x)}{n}})^{2}}}$

माइनॉरिटी कैरियर लाइफ़टाइम में ऑगर्स 1 और ऑगर्स 7 के पुनर्संयोजन के कुल योगदान की गणना इस प्रकार की जाती है:

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

यांत्रिक

HgCdTe टेल्यूरियम के साथ Hg फॉर्म के दुर्बल बंधन के कारण नरम सामग्री है। यह किसी भी सामान्य III-V अर्धचालक की तुलना में नरम सामग्री है। HgTe की मोह्स कठोरता 1.9, CdTe की 2.9 और Hg_0.5Cd_0.5Te की 4 है। सीसा लवण की कठोरता अभी भी कम है।

थर्मल

HgCdTe की तापीय चालकता कम है; कम कैडमियम सांद्रता पर यह 0.2 W·K⁻¹m⁻¹ जितना कम होता है, इसका कारण है कि यह उच्च शक्ति यंत्रों के लिए अनुपयुक्त है। चूंकि अवरक्त प्रकाश उत्सर्जक डायोड और लेजर HgCdTe में बनाए गए हैं, उन्हें संचालित होने के लिए ठंडा किया जाना चाहिए। विशिष्ट ताप क्षमता 150 J·kg⁻¹K⁻¹ है।

ऑप्टिकल

HgCdTe ऊर्जा अंतराल के नीचे फोटॉन ऊर्जा पर अवरक्त में पारदर्शी है। उच्च Hg सामग्री के साथ HgCdTe के लिए अपवर्तक सूचकांक उच्च है, यह लगभग 4 तक पहुंच गया है।

इन्फ्रारेड डिटेक्शन

HgCdTe एकमात्र सामान्य सामग्री है जो दोनों सुलभ इन्फ्रारेड खिड़की में इन्फ्रारेड डिटेक्टर कर सकती है। ये 3 से 5 µm (मिड-वेव इन्फ्रारेड विंडो, संक्षिप्त एमडब्लूआईआर) और 8 से 12 µm (लॉन्ग-वेव विंडो, एलडब्लूआईआर) हैं। एमडब्लूआईआर और एलडब्लूआईआर विंडो में डिटेक्शन क्रमशः 30% (Hg_0.7Cd_0.3)Te और 20% (Hg_0.8Cd_0.2)Te कैडमियम का उपयोग करके प्राप्त किया जाता है। HgCdTe 2.2 से 2.4 माइक्रोमीटर और 1.5 से 1.8 माइक्रोमीटर के शॉर्ट वेव इन्फ्रारेड वायुमंडलीय विंडो के अंदर का भी पता लगा सकता है।

HgCdTe फूरियर रूपांतरण अवरक्त स्पेक्ट्रोस्कोपी के फोटोडिटेक्टर में सामान्य सामग्री है। यह HgCdTe डिटेक्टरों की बड़ी वर्णक्रमीय सीमा और उच्च क्वांटम दक्षता के कारण है। यह सैन्य क्षेत्र, दूरस्थ संवेदन और अवरक्त खगोल विज्ञान अनुसंधान में भी पाया जाता है। रात्रि दृष्टि के लिए सैन्य विधि HgCdTe पर निर्भर है। विशेष रूप से, यूएसएएफ सभी विमानों पर HgCdTe का व्यापक उपयोग करता है, और एयरबोर्न स्पष्ट-निर्देशित युद्ध सामग्री से लैस करता है। विभिन्न प्रकार की गर्मी चाहने वाली मिसाइलें भी HgCdTe डिटेक्टरों से लैस हैं। HgCdTe संसूचक सरणियों को कई उपग्रहों सहित विश्व के अधिकांश प्रमुख अनुसंधान दूरबीनों में भी पाया जा सकता है। कई HgCdTe डिटेक्टरों (जैसे कि मौना की वेधशाला और नियर अवरक्त कैमरा और मल्टी-ऑब्जेक्ट स्पेक्ट्रोमीटर डिटेक्टर) का नाम उन खगोलीय वेधशालाओं या यंत्रों के नाम पर रखा गया है जिनके लिए उन्हें मूल रूप से विकसित किया गया था।

एलडब्लूआईआर HgCdTe-आधारित डिटेक्टरों की मुख्य सीमा यह है कि उन्हें तरल नाइट्रोजन(77K) के पास के तापमान पर ठंडा करने की आवश्यकता होती है, जिससे ऊष्मीय रूप से उत्तेजित वर्तमान वाहकों के कारण होने वाले ध्वनि को कम किया जा सके(कूल्ड इन्फ्रारेड कैमरा देखें)। एमडब्लूआईआर HgCdTe कैमरों को छोटे से प्रदर्शन दंड के साथ ताप विद्युत कूलर के लिए सुलभ तापमान पर संचालित किया जा सकता है। इसलिए, HgCdTe डिटेक्टर बोलोमीटर की तुलना में अपेक्षाकृत भारी होते हैं और अधिक रखरखाव की आवश्यकता होती है। दूसरी ओर, HgCdTe को पता लगाने की उच्च गति (फ्रेम दर) प्राप्त है और यह अपने कुछ अधिक प्रभावकारी प्रतिस्पर्धियों की तुलना में अत्यधिक संवेदनशील है।

HgCdTe का उपयोग हेटेरोडाइन डिटेक्टर के रूप में किया जा सकता है, जिसमें स्थानीय स्रोत और लौटाए गए लेजर प्रकाश के बीच हस्तक्षेप का पता लगाया जाता है। इन स्थितियों में यह Co₂ लेसर जैसे स्रोतों का पता लगा सकता है। चूंकि ठंडा करके अधिक संवेदनशीलता प्राप्त की जाती है। फोटोडायोड्स, फोटोकंडक्टर या फोटोइलेक्ट्रोमैग्नेटिक (पीईएम) मोड का उपयोग किया जा सकता है। फोटोडायोड डिटेक्टरों के साथ 1 GHz से अधिक की बैंडविड्थ प्राप्त की जा सकती है।

HgCdTe के मुख्य प्रतियोगी कम संवेदनशील Si-आधारित बोलोमीटर (अनकूल्ड इन्फ्रारेड कैमरा देखें), InSb और फोटॉन-काउंटिंग सुपरकंडक्टिंग सुरंग जंक्शन (एसटीजे) सरणियाँ हैं। GaAs और AlGaAs जैसे III-V सेमीकंडक्टर सामग्रियों से निर्मित क्वांटम वेल इन्फ्रारेड फोटोडेटेक्टर्स(क्यूडब्लूआईपी), अन्य संभावित विकल्प हैं, चूंकि उनकी सैद्धांतिक प्रदर्शन सीमा तुलनीय तापमान पर HgCdTe सरणियों से कम है और उन्हें कुछ ध्रुवीकरण बहिष्करण प्रभावों को दूर करने के लिए जटिल प्रतिबिंब अथवा विवर्तन झंझरी के उपयोग की आवश्यकता होती है जो सरणी के उत्तरदायित्व को प्रभावित करते हैं।भविष्य में, HgCdTe डिटेक्टरों का प्राथमिक प्रतियोगी क्वांटम डॉट इन्फ्रारेड फोटोडेटेक्टर्स(क्यूडीआईपी) के रूप में उभर सकता है, जो या तो कोलाइडयन का या टाइप- II सुपर लेटेक्स संरचना पर आधारित होता है। अद्वितीय 3-डी क्वांटम कारावास प्रभाव, क्वांटम डॉट्स की एकध्रुवीय (गैर-उत्तेजना आधारित फोटो इलेक्ट्रिक व्यवहार) प्रकृति के साथ संयुक्त रूप से उच्च ऑपरेटिंग तापमान पर HgCdTe के तुलनीय प्रदर्शन की अनुमति दे सकता है। प्रारंभिक प्रयोगशाला कार्य ने इस संबंध में आशाजनक परिणाम दिखाए हैं और क्यूडीआईपी उभरने वाले पहले महत्वपूर्ण नैनो प्रौद्योगिकी उत्पादों में से एक हो सकते हैं।

HgCdTe में, पता लगाना तब होता है जब पर्याप्त ऊर्जा का इन्फ्रारेड फोटॉन संयोजी बंध से चालन बैंड तक एक इलेक्ट्रॉन को किक करता है। इस तरह के इलेक्ट्रॉन को उपयुक्त बाहरी रीडआउट एकीकृत परिपथों(आरओआईसी) द्वारा एकत्र किया जाता है और विद्युत संकेत में परिवर्तित किया जाता है। आरओआईसी के लिए HgCdTe डिटेक्टर सरणी के भौतिक संगम को प्रायः स्टारिंग सरणी के रूप में संदर्भित किया जाता है।

इसके विपरीत, बोलोमीटर में, प्रकाश पदार्थ के छोटे से टुकड़े को गर्म करता है। बोलोमीटर के तापमान परिवर्तन के परिणामस्वरूप प्रतिरोध में परिवर्तन होता है जिसे मापा जाता है और विद्युत संकेत में परिवर्तित किया जाता है।

पारा जिंक टेलुराइड में HgCdTe की तुलना में उत्तम रासायनिक, थर्मल और यांत्रिक स्थिरता विशेषताएँ हैं। इसमें HgCdTe की तुलना में पारा संरचना के साथ ऊर्जा अंतराल का तीव्र परिवर्तन है, जिससे संरचनागत नियंत्रण कठिन हो जाता है।

HgCdTe विकास विधि

थोक क्रिस्टल विकास

पहली बड़े मापदंड की वृद्धि विधि एक तरल धातु का थोक पुन: क्रिस्टलीकरण थी। 1950 के दशक के अंत से 1970 के दशक के प्रारंभ तक यह मुख्य विकास पद्धति थी।

एपिटैक्सियल ग्रोथ

अत्यधिक शुद्ध और क्रिस्टलीय HgCdTe एपिटॉक्सी द्वारा CdTe या कैडमियम जिंक टेल्यूराइड सबस्ट्रेट्स पर निर्मित होता है। CdZnTe एक यौगिक अर्धचालक है, जिसका जाली पैरामीटर HgCdTe से बिल्कुल मेल खा सकता है। यह HgCdTe के एपिलेयर से अधिकांश दोषों को समाप्त करता है। CdTe को 90 के दशक में एक वैकल्पिक सब्सट्रेट के रूप में विकसित किया गया था। यह HgCdTe से जाली-मिलान नहीं है, किन्तु यह बहुत सस्ता है, क्योंकि इसे सिलिकॉन (Si) या जर्मेनियम (Ge) सबस्ट्रेट्स पर एपिटॉक्सी द्वारा उगाया जा सकता है।

तरल चरण एपिटॉक्सी(एलपीई), जिसमें एक CdZnTe सब्सट्रेट को लाया जाता है और धीरे-धीरे ठंडा होने वाले तरल HgCdTe की सतह के ऊपर घूमता है। यह क्रिस्टलीय गुणवत्ता के स्थितियों में सर्वोत्तम परिणाम देता है, और अभी भी औद्योगिक उत्पादन के लिए पसंद की एक सामान्य विधि है।

हाल के वर्षों में, विभिन्न मिश्र धातु संरचना की परतों को ढेर करने की क्षमता के कारण आणविक बीम एपिटॉक्सी (एमबीई) व्यापक हो गया है। यह कई तरंग दैर्ध्य पर एक साथ पता लगाने की अनुमति देता है। इसके अतिरिक्त, एमबीई, और एमओवीपीई भी, Si या Ge पर CdTe जैसे बड़े क्षेत्र के सबस्ट्रेट्स पर विकास की अनुमति देते हैं, जबकि एलपीई ऐसे सबस्ट्रेट्स का उपयोग करने की अनुमति नहीं देता है।

विषाक्तता

मरकरी कैडमियम टेल्यूराइड को एक विषैली सामग्री के रूप में जाना जाता है, सामग्री के गलनांक पर पारे के उच्च वाष्प दबाव से अतिरिक्त खतरे के साथ; इसके बावजूद, इसका विकास और इसके अनुप्रयोगों में उपयोग किया जाना जारी है।

यह भी देखें

संबंधित सामग्री

• मरकरी टेल्यूराइड, कैडमियम टेल्यूराइड, मरकरी ज़िंक टेल्यूराइड.

अन्य अवरक्त पहचान सामग्री

• इंडियम एंटीमोनाइड, इंडियम आर्सेनाइड, सीसा सेलेनाइड, क्यूडब्लूआईपी

अन्य

• इन्फ्रारेड, थर्मोग्राफी।

संदर्भ

Notes

Bibliography

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बाहरी संबंध

• National Pollutant Inventory - Mercury and compounds Fact Sheet
• Korea i3system in Daejeon