УДК 538.945.681.586
ШУМЫ В БОЛОМЕТРАХ НА ОСНОВЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СВЕРХПРОВОДНИКА ВИСМУТОВОЙ СИСТЕМЫ
NOISE PROPERTIES OF BOLOMETERS BASED ON BISMUTH HIGH TEMPERATURE SUPERCONDUCTOR
Григорашвили Юрий Евгеньевич
канд. техн. наук, ст. научн. сотрудник, начальник НИЛ Е-mail: yegrig@rambler.ru
Бабушкин Тимур Владимирович
инженер
Е-mail: babushkint@gmail.com
Национальный Исследовательский Университет "Московский государственный институт электронной техники (технический университет), Москва
Аннотация: Проведен анализ чувствительности болометрических приемников ИК-излучения на основе высокотемпературного сверхпроводника системы Bi-2223. Изготовлена тестовая сверхпроводниковая структура и измерены ее электрофизические характеристики. На основе экспериментальных данных рассчитана эквивалентная мощность шума для различных конструкций и рабочих режимов приемника.
Ключевые слова: сверхпроводниковый болометр, шумы.
ВВЕДЕНИЕ
Для формирования изображения в инфракрасной области спектра электромагнитного излучения широко применяются датчики болометрического типа. Рекордные характеристики имеют болометры, работающие на основе явления сверхпроводимости [1]. Основные практические достижения получены для приборов с использованием низкотемпературных сверхпроводников. Проблемы их широкого практического применения связаны с необходимостью глубокого охлаждения до температур ниже 4 К. Это существенно усложняет конструкцию прибора, условия работы и его стоимость.
В настоящее время разработана технология изготовления тонких текстурированных пленок высокотемпературного сверхпроводника висмутовой системы (Б1-2223) [2], имеющего критическую температуру около 110 К. Это самая высокая критическая температура среди известных сверх-
Grigorashvili Yury E.
Ph. D. (Tech.), Senior Researcher, Head of Laboratory Е-mail: yegrig@rambler.ru
Babushkin Timur V.
Engineer
Е-mail: babushkint@gmail.com
National Research University of Electronic Technology, Moscow
Abstract: We analyzed sensitivity of the bolometric receivers of IR radiation based on the high temperature superconductor of the Bi-2223 system. Test samples of the HTS structure have been manufactured and their electrophysical properties have been measured. On the basis of experimental data, there has been calculated the noise equivalent power for various designs and working modes of the receiver.
Keywords: superconducting bolometer, noise properties.
проводников, которые удается получить в виде, пригодном для изготовления электронных структур. Критические температуры систем YBa2C^0y (Y-123) и (Bi, Pb)2Sr2Ca1Cu208 (Bi-2212) равны 92 и 85 К соответственно. Сверхпроводники на основе ртути не удается получить в виде тонких тексту-рированных слоев на монокристаллической подложке. Системы на основе таллия крайне ядовиты. В данной статье проведен анализ пороговой чувствительности болометров электромагнитного излучения ИК диапазона на основе сверхпроводникового материала (Bi, РЬ^^Са2Сиз0ю (Bi-2223).
КОНСТРУКЦИЯ БОЛОМЕТРА И ЕГО ХАРАКТЕРИСТИКИ
Известно несколько вариантов использования сверхпроводников в датчиках инфракрасного излучения. Это приемники на горячих электронах (hot electron bolometer, HEB), структурах сверхпроводник—изолятор—сверхпроводник (SIS), сен-
P
I Терморезистор I
(Т )
G
Тепловой резервуар (То)
ность падающего излучения, при которой полезный сигнал становится равным напряжению шума в принимаемой полосе частот. Величина Ршэ [3] рассчитывается по формуле:
Ршэ = Ump/(UCVÂ7 ),
(1)
Рис. 1. Схема болометрического TES-датчика
соры с рабочей точкой в области перехода из нормального в сверхпроводящее состояние (transition-edge sensor TES). Во всех типах приборов используется принцип изменения электрического параметра электронной структуры при поглощении энергии падающего излучения. В данной статье рассмотрим вариант датчика (рис. 1), когда рабочая точка находится в области перехода из нормального в сверхпроводящее состояние (transition-edge sensor, TES).
Считаем, что кванты электромагнитного излучения мощностью Р падают на терморезистор и поглощаются им полностью. Этот процесс сопровождается нагревом терморезистора и изменением его электрического сопротивления, что фиксируется схемой измерения.
Терморезистор имеет тепловой контакт с тепловым резервуаром, имеющим температуру T0. Теплоемкость и плотность материала терморезистора — C, р, сопротивление термочувствительного элемента в рабочей точке — R, теплопроводность канала связи — G. Поскольку терморезистор находится при более высокой температуре, чем тепловой резервуар Т > Т0, то между этими объектами образуется тепловой поток, который прекращается после завершения облучения, и температура терморезистора Т стремится к температуре T0. Через терморезистор проходит ток I, который создает падение напряжения на элементе.
Одной из важнейших характеристик датчиков инфракрасного излучения является эквивалентная мощность шума Ршэ. Это мера чувствительности датчика, определяющая необходимую мощ-
где иш — напряжение шума (напряжение на датчике при отсутствии падающего инфракрасного излучения); ис — напряжение сигнала (напряжение на датчике, вызванное наличием инфракрасного излучения); А/ — ширина полосы частот измерительного тракта.
Шум рассматриваемого в данной статье ТБ8-болометра (см. рис. 1) состоит из нескольких слагаемых: шума термочувствительного резистора, шума канала теплообмена с тепловым резервуаром и шума падающего излучения [4]. Шум термочувствительного элемента обусловлен несколькими физическими процессами. Количественно напряжение этих шумов можно рассчитать по следующим формулам [5, 6]:
шум Джонсона: ЦЦдж = J4 кБ TRAf ; дробовой шум: Цдш = «/2elAf R;
(2)
избыточный шум: иИш =
a U2
NeVf
Ô'
где кБ — постоянная Больцман; / — центральная частота принимаемого сигнала; е — заряд электрона; а — параметр Худжа, зависящий от качества пленки; Ые — плотность носителей заряда; V — объем чувствительного элемента; Ь — коэффициент, близкий к единице.
Шум тепловых флуктуаций, или фононный шум, определяется случайным обменом энергией между термочувствительным элементом и окружающей средой. Он не связан с носителями заряда, поэтому не зависит от сопротивления чувствительного элемента. Его часть в эквивалентной мощности шума [1] можно вычислить по формуле:
шэФОН
T2 G .
(3)
В наших расчетах воспользуемся этой формулой и учтем фононный шум на этапе расчета интегрального значения величины Ршэ. В (3) у — коэффициент теплового градиента вдоль тепло-
изолирующего материала (для вычисления максимального РШ3 величина у = 1).
Фотонный шум обусловлен дискретной природой принимаемого излучения и окружающего фона. Число квантов электромагнитного излучения, попадающих на термочувствительный элемент, флуктуирует, что в итоге является причиной шума даже в идеальном фотоприемнике [7]. Для фотонного шума можно рассчитать как величину напряжения этой составляющей интегрального шума Цфот = Nph eR [3], так и значение РШ3 по формуле (1). Здесь S — площадь чувствительного элемента; п — квантовая эффективность приемника; Np^ — плотность потока фотонов, падающих на приемник.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫИ ОБРАЗЕЦ
Для количественной оценки всех компонентов шумов и эквивалентной мощности шума необходимо знать значения аргументов, входящих в формулы (1)—(3). Они были измерены на экспериментальной тестовой структуре. Структура экспериментального образца содержит монокристаллическую подложку MgO и тонкий слой сверхпроводника на поверхности. Толщина подложки варьировалась от 0,1 до 1 мм. Толщина пленки во всех образцах составляла 0,1 мкм. Топология сверхпроводника выполнена в виде узкого длинного мостика с площадками для контактов. Длина всех мостиков 120 мкм, ширина 5; 10; 20; 30 и 60 мкм.
Экспериментальная зависимость относительного сопротивления термочувствительного элемента от температуры сверхпроводниковой структуры при измерительном токе I = 100 мкА показана на рис. 2. В диапазоне температур выше 110 К образец имеет металлический тип проводимости. Ниже 110 К начинается переход в сверхпроводящее состояние и при температуре 106 К сопротивление образца на постоянном токе становится ниже разрешения измерительной системы.
Для рабочей точки в центре перехода в сверхпроводящее состояние (TES режим, рабочая точка 1 ) имеем абсолютное значение сопротивления от 4,5 до 54 Ом в зависимости от ширины дорожки. Температурный коэффициент сопротивления одинаков для всех типов структур. Значения всех электрофизических параметров тестовой структуры, измеренные на тестовом образце, приведены
R/R о
0,8 0,6 0,4 0,2 0
f
о о о ¡г Рабо точк чая а 1
о О ni
0,1
о о
Рабоча точка я Рабо 3 точк чая а 2
100
120
60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 T, K
Рис. 2. Зависимость относительного сопротивления сверхпроводниковой структуры Bi-2223 от температуры
в табл. 1. Анализ полученных параметров показывает, что удельное поверхностное сопротивление и ТКС образов стабильные, но отличаются от значений, приведенных в публикациях. Так, тепловые характеристики отличаются на 15...20 % от опубликованных [8, 9].
Значения компонент шума термочувствительного элемента рассчитаны по формулам (1) для измерительного тока 100 мкА. Оценка единственного зависящего от частоты избыточного шума получена экспериментально для переходной области (рабочая точка 1) и частоты модуляции 100...10 000 Гц. Величина полезного сигнала измерялась экспериментально для эффективной плотности мощности излучения 14 Вт/м . Кроме того, был проведен теоретический анализ значения Ршэ для различных конструктивных вариантов болометрической структуры.
ЭКВИВАЛЕНТНАЯ МОЩНОСТЬ ШУМА
Для оценки эквивалентной мощности шумов различной физической природы в рабочей точке 1 воспользуемся формулой (1) и количественными данными, приведенными в табл. 1. Как принято во многих работах [3, 6], примем ширину полосы пропускания, равной 1 Гц. Величина сигнала ис рассчитывается из решения тепловой задачи в структуре.
Корень из суммы квадратов всех Ршэ перечисленных выше шумов б
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.