पारा कैडमियम टेल्यूराइड

Hg1−xCdxTe या मरकरी कैडमियम टेल्यूराइड (कैडमियम पारा टेलराइड, MCT, MerCad टेलुराइड, MerCadTel, MerCaT या CMT) कैडमियम टेल्यूराइड (CdTe) और मरकरी टेल्यूराइड (HgTe) का एक 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 एक अर्धचालक है। HgTe एक अर्द्ध धातु 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।



भौतिक
Hg1−xCdxTe में एक जिंकब्लेंड संरचना है जिसमें दो इंटरपेनेट्रेटिंग फेस-सेंटर्ड क्यूबिक लैटिस हैं जो आदिम सेल में (1/4,1/4,1/4)ao 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, Hg0.8Cd0.2Te 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 Eg द्वारा दिया गया बैंडगैप है,

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

संबंध $$\lambda _{p} = \frac{1.24}{E_{g}}$$ का उपयोग करना, जहां λ µm में है और Eg 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 एक 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  Hg0.5Cd0.5Te 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 MWIR) और 8 से 12 µm (लॉन्ग-वेव विंडो, LWIR) हैं। MWIR और LWIR विंडो में डिटेक्शन 30% [(Hg0.7Cd0.3) ते] और 20% [(Hg0.8Cd0.2) ते] कैडमियम क्रमशः। HgCdTe 2.2 से 2.4 माइक्रोमीटर और 1.5 से 1.8 माइक्रोमीटर के इन्फ्रारेड वायुमंडलीय विंडो के अंदर शॉर्ट वेव इन्फ्रारेड #क्षेत्रों का भी पता लगा सकता है।

HgCdTe फूरियर रूपांतरण अवरक्त स्पेक्ट्रोस्कोपी के फोटोडिटेक्टर में एक आम 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।

LWIR 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)। MWIR HgCdTe कैमरों को एक 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 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 एक स्थानीय स्रोत और लौटाए गए लेजर प्रकाश के बीच हस्तक्षेप का पता लगाया जाता है। इस स्थितियों में यह सीओ जैसे स्रोतों का पता लगा सकता है2 लेसर। हेटेरोडाइन डिटेक्शन मोड में HgCdTe को बिना ठंडा किया जा 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 (STJ) सरणियाँ हैं। GaAs और AlGaAs जैसे III-V सेमीकंडक्टर सामग्रियों से निर्मित क्वांटम वेल इन्फ्रारेड फोटोडेटेक्टर्स (QWIP), एक अन्य संभावित विकल्प हैं, चूंकि उनकी सैद्धांतिक प्रदर्शन सीमा तुलनीय तापमान पर HgCdTe सरणियों से कम है और उन्हें जटिल प्रतिबिंब/विवर्तन झंझरी के उपयोग की आवश्यकता होती है। सरणी उत्तरदायित्व को प्रभावित करने वाले कुछ ध्रुवीकरण बहिष्करण प्रभावों को दूर करने के लिए। भविष्य में, HgCdTe डिटेक्टरों का प्राथमिक प्रतियोगी क्वांटम डॉट इन्फ्रारेड फोटोडेटेक्टर्स (QDIP) 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 QDIP उभरने वाले पहले महत्वपूर्ण नैनो प्रौद्योगिकी उत्पादों में से एक हो सकते हैं।

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

इसके विपरीत, एक बोलोमीटर में, प्रकाश पदार्थ के एक 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 एक तेज परिवर्तन है, जिससे संरचनागत नियंत्रण कठिन हो जाता है।

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 (LPE), जिसमें एक CdZnTe सब्सट्रेट को उतारा 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, MBE, और MOVPE भी, Si या Ge पर CdTe जैसे बड़े क्षेत्र के सबस्ट्रेट्स पर विकास की अनुमति देते हैं, जबकि LPE 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।

संबंधित सामग्री

 * मरकरी टेल्यूराइड, कैडमियम टेल्यूराइड, मरकरी ज़िंक टेल्यूराइड.

अन्य अवरक्त पहचान सामग्री

 * इंडियम एंटीमोनाइड, इंडियम आर्सेनाइड, सीसा सेलेनाइड, QWIP

अन्य

 * इन्फ्रारेड, थर्मोग्राफी।

संदर्भ

 * Notes


 * Bibliography
 * . (Earliest known reference)
 * Properties of Narrow-Gap Cadmium-Based Compounds, Ed. P. Capper (INSPEC, IEE, London, UK, 1994) ISBN 0-85296-880-9
 * HgCdTe Infrared Detectors, P. Norton, Opto-Electronics Review vol. 10(3), 159–174 (2002)
 * Semiconductor Quantum Wells and Superlattices for Long-Wavelength Infrared Detectors M.O. Manasreh, Editor (Artech House, Norwood, MA), ISBN 0-89006-603-5 (1993).
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बाहरी संबंध

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