Тепловые приемники излучения

Термисторный полупроводниковый болометр содержит два включенных по мостовой схеме термистора, выполненных в виде тонких пленок (толщиной до 10 мкм) прямоугольной формы. Один из термисторов болометра является активным, т. к. непосредственно подвергается воздействию измеряемого излучения. Сопротивление этого термистора изменяется в результате нагрева при облучении электромагнитным излучением оптического или инфракрасного диапазона частот. Второй термистор служит для компенсации влияния изменения температуры окружающей среды. Компенсирующий термистор должен быть экранирован от измеряемого излучения. Активный и компенсационный термисторы помещают в герметичный корпус. Болометры имеют три внешних вывода - от активного и компенсационного термистора и от средней точки. Термисторы для болометров БКМ-1, БКМ-2, БКМ-4 делают на основе кобальто-марганцевых оксидных систем со стеклянными, кварцевыми подложками или без подложек.

Пленочные термисторы изготавливаются методом разлива предварительно приготовленной однородной суспензии из размельченных окислов с органической связкой или растворителем. После просушки пленку разрезают на куски нужных размеров и формы и обжигают при Т=1200С, на заготовку наносят контакты, обычно методом вжигания серебра при восстановлении его из серебряной пасты при Т=600С700С. От режима обжига и качества выполнения контактов в значительной степени зависит уровень шумов термисторов, что влияет на пороговую чувствительность болометра. Необходим стабильный источник питания и балластный резистор, чтобы тепловой нагрев не мог привести к сгоранию болометра.

Пироэлектрические приемники излучения. Пироэлектрический эффект проявляется в некоторых чувствительных к изменению температуры ферроэлектриках, включая триглицинсульфат TGS, SBN (Sr_1-x Ba_x NB₂O₆), LiNiO₃, PLZT (цирконаттитанатная керамика). В таких кристаллах наблюдается электрополяризация, приводящая к появлению напряжения на присоединенных к образцу контактах. Если температура постоянна, то внутренний заряд уравновешивается зарядом свободных электронов и поверхностными зарядами. При быстрых изменениях температуры изменяется и внутренний дипольный момент, обеспечивая появление разности электрических потенциалов. Этот эффект можно использовать для создания чувствительного к модулированному излучению фотоприемника, работающего при комнатной температуре.

Пироэлектрический приемник - конденсатор с двумя металлическими электродами, присоединенными к противоположным сторонам термочувствительного ферроэлектрического кристалла. Пироэлектрические приемники регистрируют только модулированный сигнал. При этом не требуют источник питания, т.к. они сами являются генераторами ЭДС.

Термоэлементы основаны на эффекте Зеебека, заключающемся в возникновении ЭДС в цепи состоящей из двух разнородных материалов. При нагревании их спая эффект Зеебека наблюдается как в металлах, так и в полупроводниках. У металлических термоэлементов термоЭДС, возникающая в единичном перепаде температуры находится в пределах от единиц до десятков мкВ/С, у полупроводников - на порядок выше.

Металлические термоэлементы изготавливают из меди, Al, Ni, Co, Zn, Bi, константана и серебра, а в полупроводниковых термоэлементах применяют Sb, Si, Te, Se. Конструкция термоэлемента - две проволоки (медь-константан и висмут-сурьма) диаметром 25мкм и длиной 34 мм, соединенные на одном конце. Этот конец образует термоэлементный спай, к которому подсоединяют чувствительную площадку - черненую золотую фольгу толщиной 0,5мкм. Свободные концы проволок контактируют с массивным металлическим держателем, что обеспечивает их неизменную температуру. Постоянная времени термоэлементов порядка нескольких сотых долей секунды, что ограничивает их применение в ИК системах с большой частотой модуляции принимаемого сигнала. Существуют некомпенсированные и компенсированные термоэлементы, точность работы последних не зависит от температуры окружающей среды. Компенсированный термоэлемент состоит из двух одинаковых спаев, включенных навстречу друг другу, один из спаев имеет непрозрачный экран. Оба спая помещены в стеклянный вакуумированный баллон, закрытый металлическим кожухом. На торцевой поверхности кожуха против чувствительной площадки активного слоя имеется отверстие, закрытое материалом, прозрачным для ИК излучения. В баллоне термоэлемента установлен газопоглотитель (геттер) многоразового действия, служащий для поддержания вакуума. Шумы термоэлемента не более, чем в 1,5 раза превышают тепловой шум проволочного резистора той же величены.

Развитие тонкопленочной технологии привело к появлению дешевых и надежных термопарных приемников, изготавливаемых напылением в едином техпроцессе.

Термисторы - это полупроводниковые резисторы с большим температурным коэффициентом сопротивления. Наибольшее распространение получили термисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. Уменьшение сопротивления полупроводника с увеличением температуры может быть обусловлено увеличением концентрации носителей заряда или увеличением их подвижности, а также фазовыми превращениями.

Первое явление характерно для термисторов, изготовленных из ковалентных полупроводников (Ge, Si, карбид кремния, соединения типа А^IIIB^V и др.). Отрицательный температурный коэффициент сопротивления таких полупроводников наблюдается в области температур, когда не все примеси ионизированы или имеет место собственная электропроводность. И в том и другом случае зависимость удельного сопротивления полупроводника от температуры определяется в основном изменением концентрации носителей заряда, так как относительно слабым изменением их подвижности в данном случае можно пренебречь. При этом зависимость сопротивления полупроводника от температуры:

R = R₀ e^(/T)

 - коэффициент температурной чувствительности

R₀ - постоянная, характеризующая материал и размеры термистора

При полной ионизации примесей и отсутствии компенсации:

_n/2k,

_n - энергия ионизации примесей (доноров или акцепторов). Для компенсированного полупроводника при неполной ионизации примесей

  _n/k

Для случая собственной электропроводности: ( - ширина запрещенной зоны).

  /2k

Значительная часть термисторов, выпускаемых промышленностью, изготавливают из поликристаллических окисных полупроводников, в которых преобладает ионная связь. Электропроводимость этих материалов отличается от электропроводимости ковалентных полупроводников. Как правило, полупроводники являются окисью так называемых переходных металлов (от Ti до Zn в таблице Менделеева), для которых характерно наличие незаполненных электронных оболочек и переменная валентность. В результате при образовании окисла при определенных условиях (наличие примесей, отклонение от стехиометрии) в одинаковых кристаллографических положениях оказываются ионы с разными зарядами. Обменом электронами между этими ионами объясняется электропроводимость окисных полупроводников. Так как энергия, необходимая для такого обмена невелика, все электроны (или дырки), которые могут переходить от одного поля к другому, можно считать свободными носителями заряда, а их концентрацию постоянной при температурах в рабочем для термистора диапазоне.

Из-за сильного взаимодействия носителей заряда с ионами, подвижность носителей в окисном полупроводнике оказывается довольно низкой и экспоненциально возрастающей с ростом температуры, т.е. зависимость сопротивления окисного полупроводника такая же, как у ковалентных полупроводников (1), но коэффициент температурной чувствительности характеризует в этом случае изменение подвижности носителей заряда, а не изменение их концентрации.

В окислах ванадия V₂О₄ и V₂О₃ при температурах фазовых превращений (68С и -110С) наблюдается увеличение проводимости на несколько порядков. На основе этих окислов созданы термисторы с очень большим температурным коэффициентом сопротивления.

Металлический болометр. Металлы имеют положительный термический коэффициент сопротивления, т. е. их сопротивление увеличивается с ростом температуры. Они обладают меньшей чувствительностью, поэтому тепловой нагрев не способен привести к сгоранию металлического болометра. Применяемые металлы - никель Ni, висмут Bi, золото Ag и платина Pt. Пленка металла очень тонкая (напыление) для уменьшения теплоемкости чувствительного слоя и увеличения быстродействия приемника. Из-за сильного отражения металлами света необходимо наносить на их поверхность золотую или платиновую чернь, которая поглощает излучение. Как и термисторные, большинство металлических болометров работают при комнатной температуре.

Криогенные болометры. К ранним типам таких приборов относятся угольные болометры. Они состоят из угольного резистора на медной медной подложке, охлаждаемой жидким He. Благодаря большому температурному коэффициенту сопротивления и малой теплоемкости угольных резисторов, многие болометры имеют высокую чувствительность. В последнее время в качестве чувствительных элементов применяют Ge:Ga; Ge:In; Si:In, TeSe, IuSb. Достоинства этих болометров: Т_раб=4,2К, высокая чувствительность, широкая область спектральной чувствительности, низкий уровень шумов и хорошая воспроизводимость.

Сверхпроводящие болометры. Привлекли к себе интерес из-за сильной зависимости их сопротивления от температуры вблизи точки перехода сверхпроводящее состояние. Температура болометра поддерживается несколько меньше температуры перехода в сверхпроводящее состояние, поэтому небольшое ее повышение, обусловленное поглощением внешнего излучения вызовет очень большое изменение сопротивления и выходной сигнал будет очень большим. Наибольшую сложность вызывают обеспечение стабилизации температуры вблизи точки перехода в сверхпроводящее состояние и трудности, связанные со слабым поглощением ИК излучения в сверхпроводниках.

Сверхиндуктивные болометры используют эффект увеличения индуктивности сверхпроводящих тонких пленок при переходе через критическую температуру. Сверхпроводящие болометры на этом эффекте с применением пленки Al показал высокую чувствительность при Т=2К.

Криогенные, сверхпроводящие и сверхиндуктивные болометры используются для дальней ИК области спектра и особенно широко применяются в астрономии.