3. Линейчатыеиматричные

ФОТОПРИЕМНИКИИФОТОПРИЕМНЫЕУСТРОЙСТВАНАОСНОВЕПЛЕНОКСОТ<IN>

ЭторассмотрениеначнемслинейчатыхиматричныхФПУнаосно-ветвердогораствораPb_1–xSn_xTe,легированногоиндием(Pb_1–xSn_xTe:InилиСОТ<In>)[8.7].Этотвыборобусловленследующейпричиной.

Таккакбольшоевниманиездесьбудетуделенотехнологическимаспектамсозданиямногоэлементныхфотоприемныхустройствипрактикеихизмерений,тоудобнееиспользоватьрезультаты,получен-ныеколлективомИнститутафизикиполупроводниковСОРАН.Такоерассмотрениепозволитдатьпонятиеохарактерныхтехнологическихприемах,применяемыхприизготовленииидругих,такназываемыхгибридных,ФПУ,вкоторыхматрицаФПвыполненанатребуемомма-

териале,асхемаобработкисигнала(мультиплексор)–накремнии.

Преждечемперейтикизучениюфотоприемников,разработанныхнаосновеописанныхвышеэпитаксиальныхпленоксоединенияСОТ<In>,рассмотримметодикуиаппаратурудляизмеренияихпара-метров,посколькуониодинаковыкакдляодиночных,такидлямного-элементныхлинейчатыхиматричныхфотоприемников.

1. Составипринципработыизмерительногостенда

КакследуетизизвестныхданныхобэлектрофизическихсвойствахпленокСОТ<In>,ониобладаютбольшимвременемжизнинеравновес-ныхносителейзарядаималойтемновойпроводимостьюпритемпера-турениже20К.ЭтидвасвойствавсочетаниииделаютпленкиСОТ<In>перспективнымидлясозданияфоторезисторовдальнегоИК-диапазонасвысокимипороговымипараметрами.

Ранееупоминалось,чтоприминимизациисобственныхшумовфо-топриемникаегопороговыехарактеристикимогутпринципиальноог-раничиватьсяшумом,создаваемымвизмерительнойцепифоновымпотокомизлучения.Вчастности,привнешнемквантовомвыходе,рав-номединицевовсемдиапазонечувствительности,икраснойгранице

_кр=11мкммаксимальнаяобнаружительнаяспособность,ограничен-наяфоном,равнавеличине4·10^10см·Гц^0,5·Вт^–1приуглезрениянафон2.Этавеличинанезначительновозрастаетсувеличениемкраячувствительностидо20…30мкм.ДлявысокочувствительныхФПфо-новыепотокидолжныбытьнастольконизкими,чтовэтомслучаеможноговоритьвообщеоботсутствиифоновогоизлучения.Например,наличиефонастемпературойТ=77К,втомчислесниженномнапо-рядокиболеепосравнениюспотокомизлученияизполусферы,ведеткпоявлениюзаметноготокавописываемыхструктурахиухудшениюиххарактеристик.Можетсоздатьсявпечатление,чтоусловияреализа-циивысокихпараметровфотоприемниковприэтомтаковы,чтоихне-возможноиспользоватьнапрактике.Вдействительностиуказанныеусловияработыреализуютсявнекоторыхсистемахдляастрофизиче-скихисследованийилиприприменениифотоприемниковвкриоген-нойтехнике,когданаблюдаемыеполятемпературмогутнаходитьсявблизитемпературыжидкогоазотаидажениже.

Такимобразом,аппаратурадляизмеренийдолжнаобеспечиватьне

толькотребуемыенизкиерабочиетемпературыфотоприемников,ноипредельнонизкиезначенияфоновогопотокаизлучения,атакжевоз-можностьконтролируемогоивоспроизводимогоизмененияпотокаизлучениянафотоприемнуюплощадкувширокомдиапазонезначе-ний.Последнеесвязаностем,чтодинамическийдиапазонработыбольшинствафотоприемниковдостаточноограничен,аотношениесигналакшумуфотоприемниказависитотуровняосвещенностифо-топриемнойплощадки.

Нарис.8.9схематичноизображеноразработанноеустройстводляизмеренияхарактеристикфотоприемниковпригелиевыхтемпературах

вусловияхнизкихфоновыхпотоков–холодногостенда.

Корпусстендаизготовленизмедидлявыравниваниятемпературы

внутринегоиееточногоконтролядатчикомтемпературы,которыйрасполагаетсяповысотевблизифотоприемника.Однородностьтем-пературыпредварительноконтролироваласьспомощьюдвухдопол-нительныхдатчиковтемпературы,располагавшихсявблизиверхней

8

7

Рис.8.9.Холодныйстенддляизмеренияхарактери- ₆

стикфотоприемниковпринизкихтемпературах

вусловияхмалыхфоновыхпотоков:

^{1–пьедесталсфотоприемником;2–отклоняющеезерка-} 5

ло;3–выходнаядиафрагмакалиброванногоисточника 4

излучения;4–заслонка;5–выходноеокноисточника ₃

излучения;6–излучательтипаАЧТ;7–термопаракон-

тролятемпературыАЧТ;8–трубкадлявакуумнойот-качкикорпусаизлучателя,дляподведенияпроводовна-

^{гревателяАЧТитермопары;9–внешнийкорпус} 1

холодногостенда ²

9

22

инижнейчастейстенда.Вовсемиспользуемомдиапазонерабочихтем-пературфотоприемниковТ=4,2...25Кразностьтемпературвверхнейинижнейчастейстенданепревышаланесколькихградусов.Диаметркорпусастендаравен22мм,чтопозволяетиспользоватьстенддляра-ботывстандартномгелиевомтранспортномсосудеДьюара.

Отклоняющеезеркалопредназначенодлянаправленияпотокаиз-

лученияотвыходнойдиафрагмыизлучателянафотоприемник.Такоеустройствостендапозволяетразмещатьвнутринегофотоприемникиифотоприемныеустройствасосравнительнобольшимиразмерамипье-десталов–примернодо18120мм^2илинесколькобольше.Зеркалоизготовленоизстандартнойполированнойкремниевойпластинысалюминиевымпокрытием.Вдальнейшемприрасчетахвовсеминтер-валедлинволнизлучениякоэффициентотражениязеркалаполагалсяравным100%,т.е.рассчитываемыевеличинычувствительностифото-приемниковмоглибытьтолькозаниженыпоотношениюкистинным.

Вверхнейчастикорпусастендарасположенысменныевыходныедиафрагмыизлучателя.Онипредставляютсобойметаллическиешай-

бысосквознымиотверстиямивцентредиаметромот0,3до2мм.Задиафрагмамирасположенамеханическаязаслонка,позволяющаяпере-крыватьилиоткрыватьпотокизлученияотизлучателянафотоприем-нуюплощадку.

Излучательпредставляетсобойотдельныйузелвверхнейчастистенда.Конструктивносоединениеизлучателяскорпусомстендавы-полненотак,чтонедопускаетпопаданиянеконтролируемогофоновогоизлучениячерездиафрагмунафотоприемнуюплощадку.Этоконтро-лируетсяпутемоткрытия–закрытиязаслонкипритемпературеизлу-чающейполости,равнойтемпературефотоприемника.

ВыходноеокноизлучателявыполненоизмонокристаллаZnSeи

имееттолщину2мм.Егокоэффициентпропусканияпревышает70%ислабоменяетсяотвидимогодиапазонадлинволнпримернодо20мкм.Точноезначениекоэффициентапропусканиявэтомдиапазонебылоизмереноприкомнатнойтемпературеииспользовалосьприрасчетеинтегральногопотокаизлучениянафотоприемнуюплощадку.

Излучающаяполостьизготовленаизграфитаиимеетдиаметр4ммприглубине30мм.Такоесоотношениеразмеровобеспечиваетвысо-куюстепеньчернотыдлямоделиАЧТскоэффициентомпоглощениянениже0,999.Полостьнагреваетсярезистивнымнагревателемсрав-номернойнамоткойвдольвсейполости,аконтрольтемпературыосу-ществляетсятермопароймедь–константан,спайкоторойдляхорошеготепловогоконтактазапрессованвверхнюючастьполостиспомощьюиндия.

Проводадляпитаниянагревателяипроводатермопарывыведеныв

верхнюючастьстенда(нарисункенепоказана)черезтонкостеннуютрубку,котораяодновременнообеспечиваетвакуумнуюоткачкупо-лостиизлучателя.Посколькурабочиетемпературыстендаблизкиктемпературежидкогогелия,тостенкикорпусаизлучателясамиявля-ютсясорбционнымнасосом,идляобеспечениявысокоговакуумавполостиизлучателядостаточноиспользоватьнизковакуумнуюоткачкувверхнейчаститрубки.

Измерительныепровода(нарисункенепоказаны)введенывстендчерезеговерхнюючастьтак,чтофоновоеизлучениеизсосудаДьюаранепопадаетвнутрьстендачерезместовводапроводов.Этодостигает-сяпутемпропусканияпроводовчерезизогнутыеметаллическиетруб-кииприменениемоптическихуплотнений.Съемныймедныйкорпускрепитсякстендуспециальнымоптическиплотнымспособом,аот-сутствиенеконтролируемогофоновогоизлучениявстендеспециальнопроверяется.Притакойконструкциистенданеконтролируемыйфоно-выйпотокизлучениявовремяизмеренияпревышает10^{–12Вт/см2}.

ТемпературастендаифотоприемникавнемзадаетсяположениемстенданадуровнемжидкогогелиявтранспортномсосудеДьюара.Приэтомфотоприемникнаходитсялибовпарахгелия,либонепосред-ственновжидкомгелии.Этообеспечиваетсоответствиетемпературыфотоприемникатемпературеиспользуемогодатчикатемпературыдажевтомслучае,когдафотоприемникрассеиваетмощностьвнесколькомилливатт.

Мощность,попадающаянафотоприемнуюплощадку,рассчитыва-ласькак

d²

P

4

A

L²

25мкм



0

r()m()d

[Вт/элемент],

гдеd–диаметрвыходнойдиафрагмыизлучателя;A–площадьфото-приемнойплощадки;L–расстояниеотвыходнойдиафрагмыдофото-приемнойплощадки;r()–функцияПланка;m()–функцияспек-тральногопропусканияокнаизлучателяизZnSe.

Характеристикифотоприемниковизмеряютсяследующимобразом.

Выходнойсигналсблокауправлениялинейчатымииматричнымифо-топриемникамиподаетсянавход10-разрядногоамплитудно-цифровогопреобразователя(АЦП),встроенноговперсональныйком-пьютер.Приэтомизмеряетсясигналбезосвещенияфотоприемникаиприегоосвещении.Среднеквадратичноезначениешумаопределяетсяпо128измерениямтемнового сигналакак

V_ш

128



n1

_

n т

(V^2V²⁾

,

128

_ ₁₁₂₈

гдеV_n–n-eизмерениеамплитудытемновогосигнала,аV_{m }V_n–

128_n1

среднеезначениетемновогосигнала.Аналогичносреднемутемновому

_

сигналунаходитсясреднеезначениесигналаприосвещении

V_c.Ам-

_ _

^{плитудафотосигналаопределяетсякакV}_фс^V_c^Vт.

Значениешумовойполосы,покоторомувдальнейшемрассчитает-сяспектральнаяплотностьмощностишума,полагаетсяравнымобрат-

номувременинакоплениясигналавблокеуправленияфотоприемни-ками,котороесоставляетвовсехслучаях1мс,т.е.считаетсяравным

f10^3Гц.

ЧастотаобращенияАЦПквыходномусигналублокауправленияфотоприемникамитакжесоставляет1кГц,т.е.времяизмерениятем-новогонапряженияинапряженияшума,атакженапряженияприос-вещениидлякаждогоизэлементовфотоприемниковсоставляетоколо0,13с.Значениечувствительности,пороговоймощностииобнаружи-тельнойспособностирассчитываетсяпообщепринятымвыражениямисходяизприведенныхвышевеличин.

2. ЛИНЕЙЧАТЫЕФОТОПРИЕМНИКИНАОСНОВЕСОТ<In>

Линейкафоточувствительныхэлементов

Линейкафоточувствительныхэлементовсоздаваласьдляработывсоставефотоприемногоустройства(ФПУ),включающеговсебякрем-ниевыесхемыобработкифотосигнала(мультиплексоры)суправляю-щейэлектроникойисоединительныешлейфы.ВкачествебазовогоэлементаФПУбылвыбранмодульлинейкифотоприемников(ЛФП)длинойв64элемента.Такаядлинабазовогосегментаобеспечиваласравнительнуюпростотуибольшойпроцентвыходагодныхприизго-товлениисоответствующихеймультиплексоров.Приэтомнабаземо-дульнойтехнологииобеспечиваласьвозможностьразработкисхемсчитываниясигналовкакслинейчатогоФПУ(ЛФПУ),такисматрич-ногоФПУ(МФПУ)достаточнобольшогоформатадлярешениярядапрактическихзадач.

Какследуетизранеесказанного,комбинациятемновыхсвойствпленокСОТ<In>иихсвойствприосвещениипозволяетсоздаватьнаихосновечувствительныеприемникиизлучения.Малыетемновыето-ки(менее10^–11Априрабочихнапряженияхсмещения)обеспечиливозможностьиспользованиятехнологиикремниевыхмультиплексо-ров,работающихпринизкихтемпературах,вплотьдотемпературыжидкогогелия,свременемнакоплениясигнала1мс.КомпоновкаЛФПУисхемаЛФПбылисогласованыснадежнойивоспроизводимойтехнологиеймикросборкианалогичныхустройствдругогоназначения,

разработанныхвИФПСОРАН.Такимобразом,архитектуракакЛФПУиМФПУвцелом,такиихфоточувствительныхэлементовнаосновеСОТ<In>неявляетсяпроизвольной,апредставляетсобойслед-ствиекомплексногоподходакрешаемымпрактическимзадачам,кфи-зикеитехнологииэтогосоединения,атакжектехнологиикремниевыхмультиплексоровимикросборкиФПУвцелом.

3

4

2

1

Рис.8.10.Принципиальнаясхемалинейча-тогофотоприемногоустройства(ЛФПУ)2128элементов: