Сверхпроводящий фотоприемник

 

СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ ФОТОПРИЕМНИК миллиметрового, субмиллиметрового и ИК-диапазонов длин волн, состоящий из приемной площадки, содержащей чувствительные элементы, и контактных площадок, совместно расположенных на одной из сторон диэлектрической подложки, отличающйй с я тем, что, с целью получения высокой чувствительности в широкой области спектра и повышения быстродействия , а также избирательного отклй-ка на определенное направление поляризации принимаемого излучентш чувствительные элементы выполнены из полосок сверхпроводника II рода, толщиной порядка глубины скйн-елря и шириной порядка глубины проникновения перпендикулярного магнитного поля| которые соединены последовательно-параллельно . 2.Фотоприемиик по п. 1, о т л ич а ю щ и и с я тем, что, с целью пространственной селекции и приема (Л изображения, приемная площадка выполнена в многоэлементном виде 3.Фотоприемник по п. 1, отличающий ся тем, что, с цeJIЬю анализа поляризации,принимаемо го нэпу чения, выполнен с возможностью кругового вращения.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ.

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (191 (И) А1 (50 4 Н Ol L 39!14

ОПИСАНЙЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3331631/18-25 (22) 06.08.81 (46) 15.05.89в Бюл. № 18 (7l) Московский государственный педагогический институт им. В.И.Ленина (72) Е ° М.Гершензон, М.Е.Гершензон, Г.H.Ãîëúöìàí и А.Д.Семенов (53) 621.326(088.8) (56) Martin D.Н. В1оох D. the Application of Superconductivity tothe

detection of. radiant energy Cryogenics I, 159, (1961).

Зайцев Г.А., Хребтов И.А. Быстродействующий сверхпроводящнй болометр на основе. двойных пленок Ag + Sn. . ПТЭ ¹ 2, 1254 (1979). (54)(57) СВЕРХПРОВОДЯШИЙ ФОТОПРИЕМНИК миллиметрового, субмиллиметрового и ИК-диапазонов длин волн, состоящий из приемной площадки, содержащей чувствительные элементы, и контактных площадок, совместно расположенных на одной из сторон диэлектриИзобретение относится к технике приема электромагнитного излучения, точнее к фотоприемникам миллйметрового, субмиллиметрового и инфракрасного диапазона длин волн.

Существуют фотоприемники, чувствительные к излучению в очень широкой области электромагнитного спектра — от радиоволн, до видимой области, т.е. в миллиметровом, субмиллиметровом и ИК-диапазонах длин волн,— это болометры. Среди различных типов таких приборов можно выделить в ка2 ческой подложки, о т л и ч а ю щ н йс я тем, что, с целью получения вы" сокой чувствительности в широкой области спектра и повышения быстродействия, а также избирательного отклика на определенное направление поляризации принимаемого излучения., чувствительные элементы выполнены иэ полосок сверхпроводника II рода, толщиной порядка глубины скин-слоя и шириной порядка глубины проникновения перпендикулярного магнитного поля, которые соединены последовательно-параллельно.

2. Фотоприемник по п. 1, о т л нч а ю шийся тем, что, с целью пространственной селекции и приема изображения, приемная площадка выполнена в многоэлементном виде.

3. Фотоприемник по и. 1, о т л ичающий с я тем, что, с цепью анализа поляризации, принимаемого излучения; выполнен с возможностью кругового вращения. честве аналогов предлагаемого устройства сверхпроводящие болометры, чувствительным элементом которых служит сверхпроводящая пленка с контактами на диэлектрической подложке.

Чувствительный элемент имеет температуру, соответствующую максимальной крутизне зависимости сопротивления пленки от температуры в области сверхпроводящего перехода. Регистрируется изменение сопротивления пленки из-за увеличения температуры при поглощении падающего излучения.

1032959

1О

20

Наиболее близким по технической сущности является сверхпроводящий болометр, который работает как фотоприемник миллиметрового, субмиллиметрового и ИК-диапазонов длин волн, состоящий из приемной площадки, содержащей чувствительные элементы, и контактных площадок, совместно расположенных на одной из сторон диэлектрической подложки. Этот приемник имеет в качестве чувствительного элемента двойную пленку Ag-Sn общей толщиной около ЗОО А и соотношением толщин слоев Ag и $п 1:l. Пленка напылялась на подложку из сапфира 17 мм и формировалась приемная площадка

12«12 мм . На пленку наносилась система царапин для увеличения сопротивления постоянному току, причем ширина полоски была много больше глубины проникновения перпендикулярноro магнитноro поля д, На обратную сторону подложки напылялась пленка из нихрома, использовавшаяся как нагреватель B системе стабилизации температуры.. Для плавного изменения в нешироких пределах критической температуры пленки применялось магнитное поле, напряженностью много меньше критической.

Для получения малой инерционности отклика болометра необходимо осуществить хороший теплоотвод от чувствительного элемента, для чего его помещают в сверхтекучий гелий. Чтобы критическая температура соответствовала сверхтекучести гелия нужно уменьшить значение параметра порядка Sn, что в описываемом прототипе достигается. металлическим подслоем из Ag. Так как чувствительность (P) балометра прямо связана с температурной крутизной сопротивления, то последнюю величину стремятся сделать как можно большей, а это приводит к сильному влияйию флуктуаций температуры галиевой ванны на характеристики прибора. Такое влияние удается значительно уменьшить лишь применением специальных схем стабилизации температуры.

Основным недостатком такого прибора, как и болометров вообще, является то, что он не позволяет получить высокое быстродействие без значительной потери чувствительности, так как чувствительность (P) и постоянная времени () болометра

55 связаны соотношениемp /< =const. По— этому в рассматриваемом прототипе при быстродействии 5 нс пороговая чувствительность оказалась низкой, 10 +10 Вт Гц . Кроме того, к существенным недостаткам его относятся необходимость стабилизации рабочей температуры а также то, что без специальных устройств он не позволяет анализировать поляризацию принимаемого излучения.

Цель изобретения — получение высокой чувствительности в широкой области спектра и повышение быстродействия, а также избирательного отклика на определенное направление поляризации принимаемого излучения.

Цель достигается тем, что в фотоприемнике миллиметрового, субмиллиметрового и ИК-диапазонов длин волн, состоящем из приемной площадки, со-. держащей чувствительные элементы, и контактных площадок, совместно расположенных на одной из сторон диэлектрической подложки, чувствительные элементы изготовлены из полосок сверхпроводника II рода толщиной порядка глубины скин-слоя и шириной порядка глубины проникновения перпендикулярного магнитного поля, ко— торые соединены последовательно-параллельно.

С целью пространственной селекции или приема изображения приемная площадка выполнена в многоэлементном виде. Кроме того, с целью анализа поляризации принимаемого излучения фо— топриемник выполнен с воэможностью кругового вращения.

Приемная площадка помещается вмагнитное поле Б < К„ (П„ — верхнее критическое поле) перпендикулярное плоскости пленки. Через полоску пропускается транспортный ток I, При любой другой температуре величина поля и тока подбирается так, чтобы реализовать абсолютный максимум двухпараметрической зависимости чувствительности (I,Í).

При таких условиях полоски находятся в неоднородном по длине резистивном со стоянии. Величина соп ро тивления поло с к и on р еде ля ется средним значением параметров порядка, зависящим в свою очередь от магнитного поля и транспортного тока. Электромагнитное излучение поглощается квазичастицами и изменяет их функцию

1032959 распределения, что приводит к умень шению среднего значения параметра по рядка и увеличению сопро тивления полоски. Быстродействие такого механизма детектирования определяется временем остывания газа квазичастиц и не связано с чувствительностью.

Теоретический расчет чувствительности при современном состоянии теории не представляется возможным, Чувствительный элемент помещается в жидкий Не и располагается так, чтобы длинная сторона полоски была перпендикулярна вектору Е принимаемого излучения. В этом случае коэффициент отражения излучения от поверхности элемента оказывается значительно меньше, большая часть излучения проходит внутрь, а отклик относительно велик. Тем самым .осуществляется избирательность по направлению поляризации излучения. Для одновременного согласования с прини.маемым излучением и схемой последующей регистрации применяется последовательно-параллельное соединение чувствительных элементов, заполняющих приемную площадку, а толщина пленки выбирается порядка d -глубины скин-слоя. Таким саособом можно подобрать сопротивление фотоприемника, согласованное с входом последующего усилителя, не делая пленку ни слишком толстой (тогда излучение поглощалось бы лишь в поверхностном слое, а отклик шунтировался остальной ча-. стью пленки), ни слишком тонкой (тогда излучение проходило бы насквозь, мало поглощаясь в пленке). Ширина полоски должна быть сделана порядка д для достижения равномерного

J» растекания транспортного тока по сечению чувствительного элемента и, тем самым, лучшего взаимодействия излучения с электронным газом пленки. Температурная крутизна сопротивления теперь вообще не связана с чувствительностью и поэтому отпадает необходимость делать ее большой и стабилизировать рабочую температуру.

Пленочная технология (напыление и фотолитография) позволяет легко приспосабливать геометрию приемной площадки к конкретным задачам фотоприема, Так, мультиплицируя чувствительные элементы, можно сформировать линейную многоэлементную структуру или матрицу с целью пространственной

10-20

1О

Изменяя характер включения поло° сок сверхпроводника от параллельного

45 до последовательного, получаем следующий диапазон изменения парамет-. ров.

Рабочее сопротивление, Ом 10-10

Воль т-ва ттная

50 чувствительность, В. Вт

Рабочий ток I, А

10 -10

5 ° 10 — 10

Полученное сочетание чувствитель55 ности и быстродействия является рекордным для субмиллиметрового диапазона длин волн. Оно позволяет использовать. устройство для создания супергетеродинных приемных схем. селекции и получения изображения.

Единичный элемент структуры или матрицы выполняется в виде последовательного, последовательно-параллельного или параллельного соединения полосок сверхпроводника. Если необходимо перевести принимаемую информацию -на СВЧ, то формируется несимметричная полосковая линия, для чего контактная площадка выполняется в виде полоски, а обратная сторона диэлектрической подложки металлиэируется. Толщина металлизации и контактных площадок превышает глубину скин-слоя на СВЧ.

На фиг. 1 показан общий вид фотоприемника; на фиг. 2 — общий вид многоэлементной (мозаичной) прием20 ной площадки.

Фотоприемник содержит сверхпроводящую пленку l, диэлектрическую подложку 2, контактные площадки 3.

Примером устройства является при25 емник, изготовленный из пленки Nb о толщиной 100 А и шириной 1 мкм, напыленной на сапфировую подложку размером 8 8 0,5 мм . Геометрия пленки з формировалась с помощью фотолитоград0 фин. Фотоприемник из Nb имеет следующие характеристики:

Критическая температура, К 7

Рабочая температура, К 4, 2-2

Рабочее магнитное поле Н, кЭ

Динамический диапазон

Поляризационная из40 бирательность 10 — 5к10 с; p= 10 Вт Гц

1 032959

Составитель В.Лукичев

Техред И. Ходанич

Корректор Н.Король

Редактор Л.Письман

Тираж 694

Подписное

Заказ 2773

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д..4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.Ужгород, ул. Гагарина,!01

Кроме того, к преимуществам предложенного фотоприемника относятся высокий динамический диапазон и возможность изменения в широких пределах его рабочего сопротивления. Имеется возможность анализировать поляризацию принимаемого излучения, для чего приемник располагают в поворотном устройстве. Приемник удобен в работе, так как не требует специальной стабилизации ни одного из внешних параметров (магнитное поле, температура, трансйортный ток), а малые размеры и способ изготовления (фотолитография) позволяют создавать на его основе многоэлементные матричные структуры. Помимо этого, характеристики приемника слабо чувствительны к технологии напыления пленки, а прецизионная фотолитография, применяемая для формирования чувствительного элемента приемника, хорошо разработанный процесс, широко использующийся в электронной промышленности.