Криогенный болометр

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛИК

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) 1 (21) 2929586/25 (22) 2205.80 (46) 15.1193 Бюл. Na 41-42 (72) Панкратов НА; Куликов Ю,8„Нарыкнн Н.И„Ма(в) Я (п) 888670. Al (51) 5 G01Л 20 ляров 8Г. (54) КРИОГЕННЫЙ 80JIOMETP (57) 888670 а=—

p clT

ЕЯ=-— ,-г

Предлагаемое изббретение относится к технике регистрации и измерения инфракрасного излучения, а конкретно к глубокоохлаждаемым полупроводниковым болометрам. Оно может быть использовано в спектроскопии, в исследованиях по физике твердого тела, физике плазмы, процессов энергоабмена 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 в 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 Eg где k — постоянная Больцмана;

Т вЂ” абсолютная температура.

Энергия активации прыжковой проводимости в германии, используемом для построения болометров, не превосходит

1,2 10 эВ, а в кремнии 5,5 10" эВ. Таким образом, германиевые болометры, работающие на прыжковой проводимости при

Т > 4.2 К, имеют Ial «0,8 К, а кремниевые — 1а! w3,6 К-1

При решении определенных задач чувствительность таких болометров стаи овится недостаточной.

Цель изобретения — увеличение чувствительности болометра.

Указанная цель достигается тем, что в криогенном болометре, содержащем полупроводниковый термочувствительный элемент, термочувствительный элемент вы5

35 полнен из материала, имеющего при рабочей температуре примесную проводимость, Чувствительный материал может быть выполнен иэ 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.3— 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 AT и его сопротивление изменяется на hR - а R ЬТ, что регистрируется электронной схемой.

Отклик болометра на изменение его температуры пропорционален а, Температур н ый коэффициент on редел я ют и о ф ормуле где p — удельное сопротивление, На фиг.2 приведены экспериментальные зависимости удельного сопротивления 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 темпера16 -3 турах вс:= 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, 888670 а примесная проводимость проявляется до более низких температур.

На участках проявления одного механизма p= А ехр (Ea/aT). где А — постоянная, энергию активации определяют по наклону 5 .зависимости логарифма удельного сопротивления от обратной температуры, Температурный коэффициент сопротивления .в этом случае

10 а= Е

КТ

Энергия anивации пры>кковой проводимости образцов, температурные зависимости р которых показаны на фиг.2, составляет 1,1-1,2 10 эВ, а примесной

1.0-1,4 10 2 зВ.

На фиг,3 показана температурная за20 висимость а болометра из германия, легированного галлием. 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 а, 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 FI при Т - 6.5 К материалов

Формула изобретения

1. КРИОГЕННЫЙ БОЛОМЕТР, содер- 35 жащий полупроводниковый термочувствительный элемент, отличающийся тем, что. с целью увеличения чувствительности, термочувствительный элемент выполнен из материала, имеющего при рабочей темпе- 40 ратуре примесную пооволимость. известных болометров с наибольшей энергией активации прыжковой проводимости.

При уровне фона 1,5 10 Вт нецелесо-4 образно выбирать температуру базы болометра ниже 4,2 К и более того оптимальная температура болометра в этом случае 5 — 8 К.

Наиболее оптимальные концентрации легиру ощих примесей при этом составляют

3 10 смз — 3 100 8смз.

Предложенный болометр, рассчитанный на уровень фона 1.5 10 Вт, при теп-4 ловой связи чувствительного элемента с базой 4,8. 10 Вт К и оптимальной температуре 6,7 К на частоте 12,5 Гц имеет вольтваттную чувствительность 4 9 .10 В ° Вт 1, в 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 Коротков В,П. Полупроводниковые глубокоохлаждаемые болометры, Оптико-механическая промышленность, 1974, М 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 п.2, отличающийся тем, что концентрация легирующей примеси составляет 3 10 см — до 3 10 см

15 -3 1в -э

Составител ь

Редактор М.Кузнецова Техред М Моргентал Корректор С.Юско

Заказ 3239

Тираж Подписное АППО "Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-35, Раушскал наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", t, Ужгород, ул.Гагарина, 101