MD688Z

MD688Z - Bolometru

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

Invenţia se referă la receptoare de radiaţie cu răcire pentru măsurarea fluxurilor slabe de radiaţie din diapazonul de lungimi de unde milimetrice şi submilimetrice.Bolometrul 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 calitate de sursă frigorifică a criostatului se utilizează azot lichid. 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.

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.

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].

Dezavantajul acestui dispozitiv constă în necesitatea folosirii utilajului complicat cu ciclu închis, adică a echipamentului criogenic destul de complicat şi de volum mare.

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.

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.

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.

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.

Invenţia se explică prin desenele din fig. 1-2, care reprezintă:

- fig. 1, schema-bloc a bolometrului;

- 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.

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.

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.

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.

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.

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:

PdCl2 - 1 g/l;

HCl - 2 ml/l;

apă distilată până la 1 l.

Depunerea acestei soluţii pe suprafaţa telururii de plumb generează două reacţii:

1. reacţia de reducere a Pd metalic din soluţie;

2. reacţia oxidării suprafeţei PbTe.

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.

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).

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.

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.

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

Bolometru, care 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, caracterizat prin aceea că 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.