Криогенный болометр Советский патент 1993 года по МПК G01J5/20 

Предлагаемое изобретение относится к технике регистрации и измерения инфракрасного излучения, а конкретно к глубокоохяаждаемым полупроводниковым болометрам. Оно может быть использовано в спектроскопии, в исследованиях по физике твердого тела, физике плазмы, процессов энергообмена в молекулярных пучках, в астрономических и других исследованиях в инфракрасной области спектра.

Известен болометр, содержащий полупроводниковый термочувствительный элемент.

Недостатком этого болометра является невысокая чувствительность.

Наиболее близким техническим решением является криогенный болометр, содержащий полупроводниковый чувствительный элемент.

Работа этих болометров основана на прыжковой проводимости в материал термочувствительного элемента. Необходимым условием ее проявления является наличие в материале компенсирующей примеси при определенной концентрации основной. В германиевых болометрах концентрация основной примеси обычно составляет 1-5 -10 см и выбирается а соответствии с требуемым интервалом рабочих температур. Чувствительность болометра прямо пропорциональна температурному коэффициенту сопротивления а материала термочувствительного элемента, который в случае проявления одного механизма проводимости пропорционален энергии активации Eai где k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура. Энергия активации прыжковой проводимости в германии, используемом для построения болометров, не превосходит 1,2- Ю э8, а в кремнии 5,5- Ю эВ. Таким образом, германиевые болометры, работающие на прыжковой проводимости при Т 4,2 К, имеют lo; 0,8К , а кремниевые- |а| 3,6К При решении определенных задач чувствительность таких болометров становится недостаточной. Цель изобретения - увеличение чувствительности болометра. Указанная цель достигается тем, что в криогенном болометре, содержащем полупроводниковый термочувствительный элемент, термочувствительный элемент выполнен из материала, имеющего при рабочей температуре примесную проводимость. Чувствительный материал может быть выполнен из германия, легированного элементами третьей и пятой групп, при этом концентрация легирующей примеси составляет 3 -10 см -3-10 см

На фиг.1 изображен описываемый криогенный болометр; на фиг.2 - экспериментальные кривые температурной зависимости удельного сопротивления образцов германия, легированного гелием с различной концентрацией примесей; на фиг.З зависимость температурной коэффициента

сопротивления болометра от температуры. Криогенный болотомер содержит полупроводниковый термочувствительный элемент 1, к его контактным площадкам 2 присоединены металлические проволоки 3,

обеспечивающие нужную тепловую связь термочувствительного элемента с деталями теплового фильтра 4 и электрический контакт с электронной частью прибора. Для улучшения поглощения чувствительный элемент покрыт чернью 5. Тепловой фильтр имеет непосредственный тепловой контакт с гелиевым резервуаром криостата.

При поглощении инфракрасной радиации термочувствительный элемент нагревается на АТ и его сопротивление изменяется на R -Д Т, что регистрируется электронной схемой.

Отклик болометра на изменение его температуры пропорционален а. Температурный коэффициент определяют по формуле. где /э-удельное сопротивление. На фиг.2 приведены экспериментальные зависимости удельного сопротивленмя в логарифмическом масштабе от обратной температуры образцов германия, легированного галием и компенсированного сурьмой. Концентрация примесей этих материалов увеличивается от 3 -10 см до 4 -10 см . При наиболее низких температурах все образцы обнаруживают прыжковую проводимость (участки показаны штрихпунктирными линиями), с повышением температуры наблюдаются переходные области от прыжковой проводимости к примесной (штриховые линии) и далее наступает примесная проводимость (сплошные линии). С уменьшением концентрации переходные области сужаются, сопротивление при одной и той же температуре возрастает, а примесная проводимость проявляется до более низких температур. На участках проявления одного механизма р А ехр (Еа/аТ). где А - постоянная, энергию активации определяют по наклону зависимости логарифма удельного сопротивления от обратной температуры. Температурный коэффициент сопротивления -в этом случае Энергия активации прыжковой проводимости образцов, температурные зависимости р которых показаны на фиг,2, составляет 1,1-1,2 10 э8, а примесной 1,0-1,4 -10 эВ. На фиг,3 показана температурная зависимость а. болометра из германия, легированногогаллием. Участки, соответствующие прыжковой проводимости, переходной области и примесной проводимости показаны линиями, что и на фиг.2. График показывает, что и на фиг,2. График показывает, что or, соответствующий примесной проводимости, при Т « 6,6 К в 5,4 раза превосходит а, соответствующий прыжковой проводимости при 4,2 К, и в 1,9 раза а при Т 6.5 К материалов Формула изобретения 1. КРИОГЕННЫЙ БОЛОМЕТР, содержащий полупроводниковый термочувствительный элемент, отличающийся тем, что. с целью увеличения чувствительности, термочувствительный элемент выполнен из материала, имеющего при рабочей температуре примесную пооволимость. известных болометров с наибольшей энергией активации прыжковой проводимости. При уровне фона 1,5 10 Вт нецелесообразно выбирать температуру базы болометра ниже 4,2 К и более того оптимальная температура болометра в этом случае 5-8 К, Наиболее оптимальные концентрации легирующих примесей при этом составляют 3 , Предложенный болометр, рассчитанный на уровень фона 1,5 Вт, при тепловой связи чувствительного элемента с базой 4,8 10 Вт К и оптимальной температуре 6,7 К на частоте 12,5 Гц имеет вольт-Ю Вваттную чувствительность 4,9 два и более раз превосходящую вольт-ваттную чувствительность всех известных глубокоохлаждаемых полупроводниковых болометров, работающих на прыжковой проводимости при тех же условиях. Это позволяет при существующих токовых шумах в болометрах реализовать теоретический предел пороговой чувствительности, определяемый в названной задаче флуктуациями фона, (56) Марков М.Н. Приемники инфракрасного излучения. М.: Наука. 1968. с,118-121. Панкратов Н.А. и Короткое В,П. Полупроводниковые глубокоохлаждаемые болометры. Оптико-механическая промышленность. 1974, № 2. с.47-63. 2.Болометр по п.1, отличающийся тем. что термочувствительный элемент выполнен из германия, легированного элементами третьей и пятой групп, 3.Болометр по г.2. отличающийся тем, что концентрация легирующей примеси со10 см -ДоЗ10 «см-зсгааляет 310

//

.-

..

st--.

fOГ5

ff . ,г/ Jff //

Ф.г

/

Фе/f. /

ТМ