Источники и приемники излучения - Ишанин Г.Г.
ISBN 5-7325-0164-9
Скачать (прямая ссылка):
2,1 К, 1 с * спектральной области до 40 мкм при частоте модул к., .1 > I ' постоянной времени 10'® с иФп1 =- I0"11 Вт х
X Гц~ г . ’-емпертура (2 К) ниже точки появления шумов, связанных температурными флуктуациями из-за пузырькового кипения жидкого гелия.
По тэкой чр,'п в дальнейшем реализовывали практически все по.-г>провидим ь е болометры В графитовых болометрах не удалось доел . .^рс-овсго тютокй, близкого к теоретическому,
ич-за ОЬ'ЛЬЯ'.НО ;-г";ЬО.ГО
Поиски более совершенных материалов для глубокоохлаждае-мых полупроводниковых болометр;ж привели к созданию приемных элементов из стеклоуглерода, полученного высокотемпературной обработкой фенол формальдегидной смолы в атмосфере аргона. Материал представляет собой стеклообразный непрозрачный монолит черного цвета. ТКС полученного материала в 100 раз больше, чем у болометров В. С. Бойла и Ф. Ф Роджерса.
Чувствительный элемент такого болометра (3x5 мм) вырезали из тонкой пластины стеклоуглерода и подшлифовывали до толщины 100 мкм. К напыленному в вакууме золотому покрытию на концах чувствительного элемента индием ппипаивали медные токоподводы 0 0, 12 мм. После напыления оставалась чувствительная площадка 3x3 мм. Чувствительный элемент подвешивали на то ко проводах в вакуумной полости из латуни. Излучение подводили световодом из нержавеющей стали 0 12 мм с конусом на конце. Между конусом и световодом помещали охлаждаемый фильтр из кристаллического кварца толщиной 1,5 мм, не пропускающий излучение 3,5—50 мкм. На тепловом конце световода устанавливали окно из полиэтилена с сажей или из кремния. Всю систему помещали в малогабаритный стеклянный сосуд Дыоара с гелием. Болометр чувствителен в областях 1,3—3,5 мкм и 0,7—1,3 мм.
Монокристаллические полупроводниковые болометры. Прово-дймость полупроводникового приемника связана с температурой зависимостью
da d/i , dU
~^jr ?U -gy j-- en »
где a и Г — проводимость и температура полупроводника; е — заряд электрона; U — подвижность носителей заряда; п — концентрация носителей заряда.
Таким образом, проводимость меняется при изменении подвижности или концентрации носителей, поэтому монокристаллические полупроводниковые болометры делятся на электронные и обычные.
Работа электронных болометров основана на изменении подвижности носителей от температуры (болометры на «горячих» электронах), наблюдающейся в полупроводниках с малым количеством примесей и с высокой подвижностью носителей, которые слабо взаимодействуют с решеткой. В этих полупроводниках состояние, близкое к состоянию теплового равновесия, легко нарушается перераспределением энергии за счет взаимодействия с излучением. Если излучение перекрывается, например диском модулятора, то носители охлаждаются до температуры решетки. Теплоемкость этой системы состоит из удельной теплоемкости носителей заряда, а теплопроводность определяется взаимодействием носителей с решеткой, служащей массивной тепловой ванной. Электронные болометры изготавливают на основе n — InSb, они низкоомны, чувствительны в далекой ИК-области, селективны,
215
обладают достаточно высокой чувствительностью или малой постоянной времени и возможностью расширять спектральную характеристику чувствительности в более коротковолновую область при помещении чувствительного элемента в магнитное поле.
Обычные болометры основаны на «прыжковой» проводимости, которая возникает в результате перехода носителя по примесному уровню от нейтрального атома к заряженному прыжком с некоторой энергией активации, пропорциональной ТКС. Проводимость н ее зависимость от температуры определяются материалом решетки полупроводника, концентрацией и характером компенсирующей примеси. Обычные полупроводниковые болометры делают из компенсированного германия п- и р-типа с разным содержанием галлия, индия, сурьмы, мышьяка, а также из кремния и арсенида галлия. Концентрация примеси в германии составляет около 1018 см’8. При уменьшении концентрации примесей чрезмерно растет сопротивление болометра, а при ее увеличении нарушается механизм прыжковой проводимости: примесный уровень размывается в зону, а проводимость по зоне становится металлической с положительным ТКС. В кремнии концентрация примеси может быть значительно большей, чем в германии. Падающее на болометр излучение поглощается либо специальным покрытием, либо непосредственно решеткой и примесями чувствительного элемента. Чаще болометры охлаждают жидким Не4 до 1,2— 4,23 К, но можно использовать и Не3, дающий температуру 0,3 К-
Сообщение о первом глубокоохлаждаемом германиевом болометре было опубликовано Ф. Дж. Лоу в 1961 г. Чувствительный элемент болометра выполняли из германия, легированного галлием, охлаждали до 2 К, а для получения малой теплопроводности подвешивали на тонких золотых проводниках. Изготовление болометров из германия, легированного галлием, показало, что их ФП1 изменяется от 10“18 до 10”10 Вт-Гц~1/2 в зависимости от температуры и размера чувствительного элемента, угла поля зрения и частоты модуляции (не превышающей 35 Гц).
Для приемников, работающих в коротковолновой области, чувствительный элемент помещают в интегрирующую полусферу или сферу. Для более глубокого охлаждения чувствительного элемента используют Не®: газообразный Не8 конденсируется в камере, охлажденной жидким Не* до 1,2 К, и температура болометра становится 0,3 К. Болометры, охлаждаемые жидким Не8,— самые чувствительные, но из-за сложности системы охлаждения их применяют пока только в уникальных исследованиях.
