MD688Z

MD688Z - Bolometer

Info

Publication number: MD688Z
Application number: MDS20130014A
Authority: MD
Inventors: Ефим ЗАСАВИЦКИЙ; Анатолие СИДОРЕНКО
Original assignee: ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОННОЙ ИНЖЕНЕРИИ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ "D. Ghitu" АНМ
Priority date: 2013-02-01
Filing date: 2013-02-01
Publication date: 2014-05-31
Also published as: MD688Y

Abstract

The invention relates to the cooled radiation detectors for measurement of low radiation fluxes from the millimeter and submillimeter wavelength range.The bolometer comprises a cryostat, in which is placed a sensing element, to which is connected a recording device and a high-voltage pulse device. As cooling source of the cryostat is used liquid nitrogen. The sensing element is made of a semiconductor in the form of monocrystalline wire of lead telluride of p-type conductivity with a diameter of 5…20 µm.

Description

Invenţia se referă la receptoare de radiaţie cu răcire pentru măsurarea fluxurilor slabe de radiaţie din diapazonul de lungimi de unde milimetrice şi submilimetrice. The invention relates to cooled radiation receivers for measuring weak radiation fluxes in the millimeter and submillimeter wavelength range.

Este cunoscut un bolometru, care conţine un criostat de heliu, în care este amplasat un element sensibil supraconductor, la care este conectat un dispozitiv de înregistrare şi un dispozitiv de înaltă tensiune cu impulsuri [1]. A bolometer is known, which contains a helium cryostat, in which a superconducting sensitive element is placed, to which a recording device and a high-voltage pulse device are connected [1].

Dezavantajul acestui dispozitiv constă în necesitatea folosirii utilajului complicat cu ciclu închis, adică a echipamentului criogenic destul de complicat şi de volum mare. The disadvantage of this device is the need to use complicated closed-cycle equipment, i.e. rather complicated and large-volume cryogenic equipment.

Problema pe care o rezolvă invenţia constă în posibilitatea folosirii bolometrului dat în sistemele portative pentru recepţia radiaţiei din diapazonul de lungimi de unde milimetrice şi submilimetrice. The problem solved by the invention consists in the possibility of using the given bolometer in portable systems for receiving radiation in the millimeter and submillimeter wavelength range.

Bolometrul, conform invenţiei, înlătură dezavantajul menţionat mai sus prin aceea că conţine un criostat, în care este amplasat un element sensibil, la care este conectat un dispozitiv de înregistrare şi un dispozitiv de înaltă tensiune cu impulsuri, în care în calitate de sursă frigorifică a criostatului se utilizează azot lichid, totodată elementul sensibil este executat dintr-un semiconductor în formă de fir monocristalin din telurură de plumb cu conductibilitate de tip p cu diametrul de 5...20 µm. The bolometer, according to the invention, eliminates the above-mentioned disadvantage by containing a cryostat, in which a sensitive element is placed, to which a recording device and a high-voltage pulse device are connected, in which liquid nitrogen is used as the cryostat's cooling source, at the same time the sensitive element is made of a semiconductor in the form of a monocrystalline wire of lead telluride with p-type conductivity with a diameter of 5...20 µm.

Rezultatul constă în excluderea echipamentului specific (criostat pentru heliu lichid, utilaj complicat cu ciclu închis, echipament special pentru obţinerea temperaturii T<4,2K, etc.) necesar pentru crearea condiţiilor de temperaturi joase T≤4,2K pentru elementul sensibil. The result is the exclusion of specific equipment (liquid helium cryostat, complicated closed-cycle equipment, special equipment for obtaining temperature T<4.2K, etc.) necessary to create low temperature conditions T≤4.2K for the sensitive element.

Executarea elementului sensibil din semiconductor, zona de valenţă sau zona de conducţie a căruia constă din două benzi energetice cu mobilitatea purtătorilor de sarcină diferită, separate energetic, şi transferul purtătorilor dintr-o zonă energetică în alta la aplicarea câmpului electric de o valoare respectivă conduce la crearea condiţiilor favorabile pentru apariţia domenelor, propagarea cărora prin probă în anumite condiţii (existenţa rezistenţei diferenţiale negative) produce un efect de rezistenţă dinamică. The execution of the sensitive element from the semiconductor, the valence band or the conduction band of which consists of two energy bands with different charge carrier mobility, energetically separated, and the transfer of carriers from one energy band to another upon application of an electric field of a respective value leads to the creation of favorable conditions for the appearance of domains, the propagation of which through the sample under certain conditions (the existence of negative differential resistance) produces a dynamic resistance effect.

Invenţia se explică prin desenele din fig. 1-2, care reprezintă: The invention is explained by the drawings in Fig. 1-2, which represent:

- fig. 1, schema-bloc a bolometrului; - Fig. 1, block diagram of the bolometer;

- fig. 2, dependenţa volt-amper tipică pentru elementul sensibil din semiconductor telurură de plumb PbTe cu conductibilitate de tip p cu evidenţierea câmpului electric critic Ecr. - Fig. 2, typical volt-ampere dependence for the sensitive element made of lead telluride semiconductor PbTe with p-type conductivity, highlighting the critical electric field Ecr.

Bolometrul conţine un criostat 1, în care este amplasat un element sensibil 2, la care este conectat un dispozitiv de înregistrare 3 şi un dispozitiv de înaltă tensiune cu impulsuri 4. În calitate de sursă frigorifică a criostatului 1 se utilizează azot lichid. Elementul sensibil 2 este executat dintr-un semiconductor în formă de fir monocristalin din telurură de plumb cu conductibilitate de tip p cu diametrul de 5...20 µm. The bolometer contains a cryostat 1, in which a sensitive element 2 is located, to which a recording device 3 and a high-voltage pulse device 4 are connected. Liquid nitrogen is used as a cooling source for the cryostat 1. The sensitive element 2 is made of a semiconductor in the form of a single-crystalline wire of lead telluride with p-type conductivity with a diameter of 5...20 µm.

În bolometrul propus pentru obţinerea caracteristicilor volt-amper neliniare, create de radiaţie, din diapazonul de lungimi de unde milimetrice şi submilimetrice, care corespunde puterii radiaţiei, se foloseşte calitatea interioară specifică a PbTe cu conductibilitate de tip p, zona de valenţă a căruia constă din două benzi energetice cu diferite mobilităţi ale purtătorilor de sarcină, separate energetic (distanţa energetică între zonele respective L şi Σ depinde de temperatura T în modul următor: dεL-Σ / dT ≈ -4,1·10-4 eV/K) şi transferul purtătorilor dintr-o zonă în alta la aplicarea câmpului electric de o valoare respectivă Ecr duce la crearea condiţiilor favorabile pentru apariţia domenelor, propagarea cărora prin probă în anumite condiţii (existenţa rezistenţei diferenţiale negative) produce un efect de rezistenţă dinamică, şi respectiv la unele particularităţi pe dependenţa volt-amper. In the proposed bolometer for obtaining nonlinear volt-ampere characteristics, created by radiation, from the range of millimeter and submillimeter wavelengths, which corresponds to the radiation power, the specific internal quality of PbTe with p-type conductivity is used, the valence band of which consists of two energy bands with different charge carrier mobilities, energetically separated (the energy distance between the respective zones L and Σ depends on the temperature T in the following way: dεL-Σ / dT ≈ -4.1·10-4 eV/K) and the transfer of carriers from one zone to another upon application of an electric field of a respective value Ecr leads to the creation of favorable conditions for the appearance of domains, the propagation of which through the sample under certain conditions (the existence of negative differential resistance) produces a dynamic resistance effect, and respectively to some peculiarities on the volt-ampere dependence.

Funcţionarea bolometrului este bazată pe dependenţa densităţii curentului de valoarea intensităţii câmpului electric E, aplicat la elementul sensibil, şi anume în regim când câmpul electric E < Ecr dI/dE are o valoare relativ mică. Trecerea în regimul când E > Ecr, realizat prin mărirea câmpului electric E aplicat duce la mărirea valorii dI/dE, care este de sute de ori mai mare decât dI/dE în regimul de lucru când E < Ecr şi, în consecinţă, aceasta duce la o creştere de sute de ori a sensibilităţii elementului sensibil. Regimul de aşteptare se realizează prin aplicarea la elementul sensibil a unui câmp electric E < Ecr cu ajutorul dispozitivului de înaltă tensiune cu impulsuri. Trecerea elementului sensibil în regimul de lucru E > Ecr practic se realizează prin iradierea cu o radiaţie externă. Sensibilitatea înaltă în regimul de lucru dă posibilitate de a executa măsurări ale semnalelor radiaţiei de intensităţi mici. Pe lângă aceasta, variaţiile valorilor câmpului electric E faţă de Ecr dau posibilitate de a schimba şi pragul de declanşare, adică sensibilitatea elementului sensibil. The operation of the bolometer is based on the dependence of the current density on the value of the electric field intensity E, applied to the sensitive element, namely in the regime when the electric field E < Ecr dI/dE has a relatively small value. The transition to the regime when E > Ecr, achieved by increasing the applied electric field E, leads to an increase in the value of dI/dE, which is hundreds of times greater than dI/dE in the working regime when E < Ecr and, consequently, this leads to a hundreds of times increase in the sensitivity of the sensitive element. The standby regime is achieved by applying an electric field E < Ecr to the sensitive element using a high-voltage pulse device. The transition of the sensitive element to the working regime E > Ecr is practically achieved by irradiation with external radiation. High sensitivity in the working regime makes it possible to perform measurements of low-intensity radiation signals. In addition, variations in the values of the electric field E compared to Ecr make it possible to change the triggering threshold, i.e. the sensitivity of the sensitive element.

A fost executat un model experimental, care conţinea în calitate de element sensibil firul monocristalin din PbTe cu conductibilitate de tip p, obţinut prin metoda umplerii sub presiune a microcapilarelor. În calitate de sursă de alimentare s-a folosit un generator special de înaltă tensiune cu impulsuri, iar detectarea oscilaţiilor curentului s-a executat cu ajutorul osciloscopului cu memorie. An experimental model was made, which contained as a sensitive element the single-crystalline wire of PbTe with p-type conductivity, obtained by the method of filling microcapillaries under pressure. A special high-voltage pulse generator was used as a power source, and the detection of current oscillations was performed using a memory oscilloscope.

Contactele metalice ale firelor monocristaline semiconductoare din PbTe cu conductibilitate din tip p pentru un diapazon larg de temperaturi s-au fabricat prin depunerea chimică a paladiului Pd din soluţie cu următoarea componenţă: The metal contacts of the single-crystal semiconductor wires made of PbTe with p-type conductivity for a wide temperature range were manufactured by chemical deposition of palladium Pd from a solution with the following composition:

PdCl2 - 1 g/l; PdCl2 - 1 g/l;

HCl - 2 ml/l; HCl - 2 ml/l;

apă distilată până la 1 l. distilled water up to 1 l.

Depunerea acestei soluţii pe suprafaţa telururii de plumb generează două reacţii: The deposition of this solution on the surface of lead telluride generates two reactions:

1. reacţia de reducere a Pd metalic din soluţie; 1. the reduction reaction of metallic Pd in solution;

2. reacţia oxidării suprafeţei PbTe. 2. the oxidation reaction of the PbTe surface.

Ca rezultat, pe suprafaţa PbTe se formează un substrat cu o concentraţie de goluri ridicată, care la rândul său duce la mărirea curentului tunel şi îmbunătăţirea contactului ohmic. În acest caz se poate constata că contactul dat este un contact ohmic - caracteristicile volt-amper sunt liniare şi la temperatura camerei, şi la temperatura azotului lichid. Din cauza coeficientului de dilatare termică a telururii de plumb PbTe mare, pentru a evita ruperea probei aceasta era montată după o metodică specială, care excludea fixarea strictă a unui capăt al probei şi constă în aceea că elementul sensibil se fixează pe o singură parte, iar celălalt capăt al elementului sensibil se plasează pe un contact mobil, care asigură compensarea schimbării lungimii elementului sensibil din cauza dilatării termice. As a result, a substrate with a high hole concentration is formed on the PbTe surface, which in turn leads to an increase in the tunnel current and an improvement in the ohmic contact. In this case, it can be seen that the given contact is an ohmic contact - the volt-ampere characteristics are linear both at room temperature and at the temperature of liquid nitrogen. Due to the high coefficient of thermal expansion of lead telluride PbTe, in order to avoid breaking the sample, it was mounted according to a special method, which excluded the strict fixation of one end of the sample and consists in the fact that the sensitive element is fixed on one side only, and the other end of the sensitive element is placed on a movable contact, which ensures compensation for the change in the length of the sensitive element due to thermal expansion.

Firele monocristaline semiconductoare din PbTe cu conductibilitate de tip p cu un diametru de aproximativ 5...20 µm au avantaj în comparaţie cu materialele volumetrice şi peliculele atât în ceea ce priveşte rezistenţa lor (pentru a observa oscilaţiile de tip Gunn în câmpuri electrice mari sunt necesare probe cu rezistenţa electrică mare, având mobilitate ridicată a purtătorilor de sarcină), cât şi din punct de vedere a îmbunătăţirii disipării căldurii (raportul suprafeţei la volumul firului este cu mult mai mare în comparaţie cu materialele volumetrice). Single-crystalline semiconductor wires made of PbTe with p-type conductivity with a diameter of approximately 5...20 µm have an advantage compared to bulk materials and films both in terms of their resistance (to observe Gunn-type oscillations in high electric fields, samples with high electrical resistance, having high mobility of charge carriers, are required), and in terms of improving heat dissipation (the surface area to volume ratio of the wire is much higher compared to bulk materials).

În fig. 2 este prezentată o caracteristică volt-amper tipică pentru firul monocristalin cu un diametru de 19 µm şi o lungime de 1,8 mm. Din figură se observă că odată cu creşterea câmpului electric (Ecr ≥ 350 V/cm) caracteristica volt-amper devine neliniară. În acest caz, intensitatea câmpului electric de prag este de 400 V/cm. Pentru câmpurile electrice, care depăşesc valorile de prag, caracteristica volt-amper devine de forma S, oscilaţiile curentului electric şi dependenţa dI/dE ating valori relativ mari, de asemenea sensibilitatea elementului sensibil devine mare. In Fig. 2 a typical volt-ampere characteristic for a single-crystal wire with a diameter of 19 µm and a length of 1.8 mm is shown. From the figure it is observed that with the increase of the electric field (Ecr ≥ 350 V/cm) the volt-ampere characteristic becomes nonlinear. In this case, the threshold electric field intensity is 400 V/cm. For electric fields exceeding the threshold values, the volt-ampere characteristic becomes S-shaped, the oscillations of the electric current and the dI/dE dependence reach relatively large values, also the sensitivity of the sensitive element becomes high.

Datorită alegerii în calitate de element sensibil a firului monocristalin semiconductor este posibil de a folosi bolometrul dat şi în scopul înregistrării semnalelor de radiaţie din diapazonul de lungimi de unde milimetrice şi submilimetrice cu o precizie înaltă, de exemplu, în biologie, în sistemele de securitate, în geofizică, în astrofizică, etc. Due to the choice of a single-crystalline semiconductor wire as a sensitive element, it is possible to use this bolometer also for the purpose of recording radiation signals in the millimeter and submillimeter wavelength range with high accuracy, for example, in biology, security systems, geophysics, astrophysics, etc.

1. Semenov A.D., Gol'tsman G.N., Sobolevski R. Hot-electron effect in superconductors and its application for radiation sensors. Superconductor Science and Technology 15, 2002, R1-R16 1. Semenov A.D., Gol'tsman G.N., Sobolevski R. Hot-electron effect in superconductors and its application for radiation sensors. Superconductor Science and Technology 15, 2002, R1-R16

Claims

Bolometer, which contains a cryostat, in which a sensitive element is placed, to which a recording device and a high-voltage pulse device are connected, characterized in that liquid nitrogen is used as the cryostat's cooling source, at the same time the sensitive element is made of a semiconductor in the form of a monocrystalline wire of lead telluride with p-type conductivity with a diameter of 5...20 µm.