Приёмник излучения миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов на горячих электронах

Предложен болометрический приемник на горячих носителях заряда (электронах) миллиметрового и субмиллиметрового излучений с прямым детектированием сигналов, функционирующий при комнатной или пониженной температурах, при которых еще существует в нем биполярная проводимость. Функционирование приемника...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2008
Автори: Каменев, Ю.Е., Сизов, Ф.Ф., Добровольский, В.Н.
Формат: Стаття
Мова:Російська
Опубліковано: Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України 2008
Теми:
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10577
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Приёмник излучения миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов на горячих электронах / Ю.Е. Каменев, Ф.Ф. Сизов, В.Н. Добровольский // Радіофізика та електроніка. — 2008. — Т. 13, № 2. — С. 239-242. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859774563813949440
author Каменев, Ю.Е.
Сизов, Ф.Ф.
Добровольский, В.Н.
author_facet Каменев, Ю.Е.
Сизов, Ф.Ф.
Добровольский, В.Н.
citation_txt Приёмник излучения миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов на горячих электронах / Ю.Е. Каменев, Ф.Ф. Сизов, В.Н. Добровольский // Радіофізика та електроніка. — 2008. — Т. 13, № 2. — С. 239-242. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
collection DSpace DC
description Предложен болометрический приемник на горячих носителях заряда (электронах) миллиметрового и субмиллиметрового излучений с прямым детектированием сигналов, функционирующий при комнатной или пониженной температурах, при которых еще существует в нем биполярная проводимость. Функционирование приемника основано на изменении проводимости под действием излучения в биполярной плазме узкощелевого полупроводника. Выполненные эксперименты продемонстрировали возможность регистрации излучения таким приемником излучения при 300 К и частотах излучения = 0,036, 0,039, 0,055, 0,075, 0,89 и 1,58 ТГц, а также при понижении температуры до -80 С. Запропоновано болометричний приймач на гарячих носіях заряду міліметрового та субміліметрового випромінювань з прямим детектуванням сигналів, який функціонує при кімнатних або понижених температурах, при яких ще існує в ньому біполярна провідність. Функціювання приймача базується на зміні провідності під впливом випромінювання в біполярній плазмі вузькощілинного напівпровідника. Проведені експерименти продемонстрували можливість реєстрації випромінювання таким приймачем при 300 К та частотах випромінювання = 0,036, 0,039, 0,055, 0,075, 0,89 та 1,58 ТГц, а також при зниженні температури до -80 С. A bolometric receiver of the millimeter and submillimeter radiation on hot charge carriers (electrons) with the direct detecting of signals is proposed. The device is functioning at room and lower temperatures at which the biopolar conductivity still exists in it. Operation of the receiver is based on changing the conductivity under the influence of radiation in biopolar plasma of a nallow-slot semiconductor. The experiments which have been carried out demonstrate the possibility to record the radiation by using this receiver at 300 K and the radiation frequencies = 0,036, 0,039, 0,055, 0,075, 0,89 и 1,58 THz and also at the lower temperatures up to - 80 С.
first_indexed 2025-12-02T07:29:03Z
format Article
fulltext __________ ISSN 1028-821X Радиофизика и электроника, том 13, № 2, 2008, с. 239-242 © ИРЭ НАН Украины, 2008 УДК 535.231.6 ПРИЁМНИК ИЗЛУЧЕНИЯ МИЛЛИМЕТРОВОГО И СУБМИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНОВ НА ГОРЯЧИХ ЭЛЕКТРОНАХ 1 Ю. Е. Каменев, 2 Ф. Ф. Сизов, 2 В. Н. Добровольский 1 Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова, НАН Украины, 12 ул. Ак. Проскуры, Харьков, 61085, Украина E-mail: ire@ire.kharkov.ua 2 Институт физики полупроводников им. В. Е. Лашкарева НАН Украины, 41, пр. Науки, Киев,03028, Украина E-mail: sizov@isp.kiev.ua Предложен болометрический приемник на горячих носителях заряда (электронах) миллиметрового и субмиллиметрового излучений с прямым детектированием сигналов, функционирующий при комнатной или пониженной температурах, при которых еще существует в нем биполярная проводимость. Функционирование приемника основано на изменении проводимости под дейст- вием излучения в биполярной плазме узкощелевого полупроводника. Выполненные эксперименты продемонстрировали возмож- ность регистрации излучения таким приемником излучения при 300 К и частотах излучения  = 0,036, 0,039, 0,055, 0,075, 0,89 и 1,58 ТГц, а также при понижении температуры до -80 ºС. Ил. 3. Библиогр.: 10 назв. Ключевые слова: болометр, биполярная проводимость, горячие носители, терагерцы. Разработка приемников излучения (ПИ) для миллиметрового и субмиллиметрового диапа- зонов длин волн активно ведется на протяжении последних десятилетий. Технологии миллиметро- вого и субмиллиметрового диапазонов спектра необходимы, например, в биологии для неразру- шающего исследования биологических объектов, контроле содержания почтовых отправлений, диагностике плазмы и спектроскопии газов, в системах безопасности для обнаружения скрытых взрывчатых веществ и оружия, астрономии (на- блюдение галактик, излучения галактической пыли, фонового излучения) и др. [1-3]. По принципам регистрации сигналов чувствительные элементы приемников излучения миллиметрового и субмиллиметрового диапазо- нов спектра в основном такие же, как и для ос- тальных спектральных диапазонов: возбуждение электронной подсистемы чувствительного эле- мента – квантовые (фотонные) приемники излу- чения; тепловое воздействие электромагнитного излучения на чувствительный элемент – тепловые приемники излучения. В последнем случае в дан- ных участках спектра ввод мощности излучения во многих случаях осуществляется с помощью микроантенн. Также в этих спектральных диапазонах используются ПИ выпрямляющего типа, в кото- рых из-за нелинейности вольтамперных характе- ристик (ВАХ) создаваемое падающим излучени- ем высокочастотное напряжение приводит к по- явлению составляющей тока, которая соответст- вует плотности мощности излучения. К этому классу ПИ относятся, например, ПИ на основе барьеров Шоттки, ПИ на основе туннельных пе- реходов сверхпроводник/полупроводник, ПИ на основе нелинейности туннельного тока квазича- стиц в переходах сверхпроводник / изолятор / сверхпроводник (СИС) [1, 4]. Типичные значения эквивалентной шуму мощности (noise equivalent power - (NEP)) ПИ вы- прямляющего типа, которые функционируют в основном в области низких и сверхнизких темпе- ратур (Т < 4 K), в зависимости от спектрального диапазона, режима и температуры функциониро- вания находятся в пределах NEP ~ 10 8 -10 16 Вт/Гц 1/2 [4, 5]. При температурах, близких к комнатной основными неохлаждаемыми ПИ выпрямляющего типа в миллиметровой и субмиллиметровой облас- тях спектра остаются точечно-контактные и пла- нарные диоды Шоттки, NEP которых находится в пределах 310 10 -10 8 Вт/Гц 1/2 при  = 891 ГГц [4]. Среди наиболее чувствительных приемников мил- лиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн являются смесители на основе нелиней- ности туннельного тока квазичастиц в СИС пере- ходах [1, 6]. Эти ПИ эксплуатируются, однако лишь при криогенных температурах Т ≤ 2 К. ПИ – смесители на основе СИС – ограни- чены сверху по полосе частот   (0,7-1,25) ТГц [6, 7], что связано с механизмом отклика – тунне- лированием нормальных электронов, стимулиро- ванным СВЧ фотонами. Например, для ниобия эта частота составляет   0,7 ТГц и по порядку вели- чины соответствует его энергетической щели. ПИ миллиметрового и субмиллиметрово- го диапазонов, функционирующие в более корот- коволновом субмиллиметровом диапазоне вплоть до оптической области спектра, являются смеси- тели на горячих электронах (болометры на горя- чих электронах – hot electron bolometers (HEB)), граничная частота отклика которых не имеет вы- mailto:ire@ire.kharkov.ua mailto:sizov@isp.kiev.ua Ю. Е. Каменев и др. / Приёмник излучения миллиметрового… _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 240 раженной частотной границы. Практически важ- ными для этих детекторов являются тонкие пленки NbN (d = 30-35 Å) на подложках Si или Аl2O3. Время релаксации энергии электронов в этих объ- ектах составляет  ~ 10 -11 при температурах, близ- ких к критической (Тс  10 К) [7]. HEB-приемники излучения из сверхпроводящих пленок NbN явля- ются одними из наиболее чувствительных детек- торов субмиллиметрового диапазона. В области частот функционирования   (0,4-2,5) ТГц их чув- ствительность достигает значений шумовой темпе- ратуры Тш  10  h /kB [8]. При повышении частоты излучения их чувствительность ухудшается. Несмотря на высокую чувствительность использование ПИ с криогенным охлаждением в матричном или многоэлементном исполнении в повседневной аппаратуре затруднено. Поэтому актуальными являются задачи создания хоть и меньшей чувствительности, но более удобных в эксплуатации неохлаждаемых или незначитель- но охлаждаемых ПИ для портативных систем видения миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн. В работе [9] была развита модель ПИ миллиметрового и субмиллиметрового диапазо- нов, основанная на явлении разогрева биполярной плазмы в узкощелевых полупроводниках. Разогре- тые излучением свободные носители заряда изме- няют их генерационные и рекомбинационные ха- рактеристики. Это приводит к уменьшению их числа и повышению сопротивления ПИ. В разви- той модели полупроводникового болометра на горячих носителях заряда (semiconductor hot elec- tron bolometer – (SHEB)) в полупроводниках с би- полярной проводимостью и сильно различающих- ся по величине подвижностью электронов и дырок время ответа близко к времени жизни носителей заряда ( ~ 10 -7 -10 -8 с). Такие ПИ с прямым детек- тированием не требуют глубокого охлаждения (их температура функционирования Т ≥ 77 К) и из них можно конструировать матричные приемники из- лучения, так как их размеры должны быть соизме- римы или меньше удвоенной длины амбиполярной диффузии Da (в данном случае Da ≤ 15-20 мкм). Известны разработанные уже давно [10] болометры на горячих носителях в полупровод- никах с монополярной проводимостью и высокой концентрацией электронов. Однако они могут функционировать лишь при криогенных темпера- турах, а чувствительность их быстро уменьшает- ся при продвижении в субмиллиметровую об- ласть спектра. Из предварительных оценок [9] предла- гаемый ПИ на основе узкощелевых полупровод- ников Hg1-xCdxTe (x~0,2) с биполярной проводи- мостью может функционировать в диапазоне температур Т  78-300 К (диапазоне температур, при которых сохраняется биполярная проводи- мость) без ограничения спектрального диапазона. Выполненные при Т = 300 К и  = 8 мм экспери- менты (размеры ПИ ав = 5050 мкм 2 , толщина d ~ 8 мкм) показали, что чувствительность таких ПИ излучения достигает Sv = 2 В/Вт, а эквива- лентная шуму разность температур NEP, рассчи- танная как NEP = Unoise /SV при ∆f = 1 ГГц, со- ставляла NEP ~ 3,5·10 -10 Вт, что соответствует NEP неохлаждаемых ПИ выпрямляющего типа в миллиметровой и субмиллиметровой областях спектра [4]. Рассчитанные значения NEP более чем на два порядка меньше оцененных теорети- чески из модельных представлений, что объясня- ется влиянием контактных площадок, служащих микроантеннами в миллиметровой и субмилли- метровой областях спектра. Нами была исследована чувствительность линейки из таких ПИ (10 элементов в линейке) при 300 К и более высоких частотах вплоть до тера- герцовая диапазона ( = 0,039, 0,055, 0,075, 0,89 и 1,58 ТГц) в зависимости от приложенного смеще- ния, а также их температурная чувствительность при  = 0,89 ТГц при разных смещениях. Типичные зависимости сигналов одной чувствительной площадки линейки болометров от тока смещения показаны на рис. 1 для  = 0,89 ТГц и  = 1,58 ТГц при Т = 300 К. В качестве источника излучения с  = 337 мкм использован HCN лазер. Промодулированная с f = 600 Гц выходная мощ- ность линейно поляризованного излучения с диа- метром луча   40 мм была W  5 мВт. Плот- ность мощности падающего излучения с  = 1,58 ТГц была в 5 раз меньше по сравнению с плотностью мощности излучения с  = 0,89 ТГц. Рис. 1. Типичные зависимости выходного сигнала болометра на горячих электронах от тока смещения для излучения с  = 0,89TГц (=337 мкм) и  = 1,58 TГц (=190 мкм); Т = 300 К Из рис. 1 видно, что сигнал ПИ не обра- щается в нуль при отсутствии смещения, и это на- Ю. Е. Каменев и др. / Приёмник излучения миллиметрового… _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 241 блюдается при любых поляризациях излучения по отношению к контактным площадкам, что обу- словлено различающимися площадями контакт- ных площадок, служащих микроантеннами. Влия- ние асимметрии площадей контактных площадок более заметно в субмиллиметровой области спек- тра и практически исчезает в области длин волн  ≥ 5 мм ( < 75 ГГц) (см. рис. 2). Сигналы боло- метра могут как уменьшаться, так и увеличиваться с понижением температуры в зависимости от на- правления приложенного смещения (рис. 3). Рис. 2. Выходные сигналы болометра на горячих электронах в зависимости от тока смещения при  = 55 ГГц ( = 5,45 мм) и  = 75 ГГц ( = 4,0 мм); Т = 300 К. (■ – 55 ГГц; ▲ – 75 ГГц) Рис. 3. Температурные зависимости сигналов болометра на горячих электронах при  = 0,89 TГц ( = 337 мкм) и разных токах смещения: □ – 0,9мА; ○ – 0мА; * – +0,9мА Величина сигнала зависит также от ориен- тации электрического вектора волны по отноше- нию к длинной оси электрических контактов к чувствительному элементу болометра. При парал- лельной и перпендикулярной ориентациях в зави- симости от длины волны излучения детектируе- мые сигналы могут различаться в несколько раз. Выводы. Концепция использования ра- зогрева электронного газа излучением в собст- венном узкощелевом полупроводнике (биполяр- ная проводимость) открывает возможность соз- дания неохлаждаемых или слабоохлаждаемых и относительно быстрых ПИ излучения миллимет- рового и субмиллиметрового диапазонов спектра, из которых могут быть созданы многоэлементные линейчатые или матричные приемники излучения даже при отсутствии прикладываемого смещения к чувствительным элементам. Для увеличения чувствительности болометра, как показывают оценки, размеры его чувствительной площадки должны быть уменьшены в несколько раз. 1. Mittleman D. Sensing with terahertz radiation. Berlin - N.-Y.: Springer-Verlag, 2003. - 337 р. 2. Brown E. R. Fundamentals of Terrestrial Millimeter-Wave and THz Remote Sensing // Terahertz Sensing Technology. - N.-Y.: World Scientific. - 2003. - 2. - P. 1-103. 3. Siegel P. H. THz technology: an overview // Intern. J. High Speed Electronics and Systems. - 2003. - 13.- P. 351-394. 4. Божков В. Г. Полупроводниковые детекторы, смесители и умножители частоты терагерцового диапазона // Изв. ву- зов. Радиофизика. - 2003. - 46, №8-9. - C. 702-731. 5. Розанов Б. А., Розанов С. Б. Приемники миллиметровых волн. - М.: Радио и связь, 1989. - 169 с. 6. Кошелец В. П., Шитов С. В., Филиппенко Л. В. и др. Инте- гральные сверхпроводниковые приемники субмиллиметро- вых волн // Изв. вузов. Радиофизика. - 2003. - 46, №8-9. - C. 687–701. 7. Гольцман Г. Н., Лудков Д. Н. Сверхпроводниковые смеси- тели на горячих электронах терагерцового диапазона и их применение в радиоастрономии // Изв. вузов. Радиофизи- ка. - 2003. - 46, №8-9. - C. 671-686. 8. Semenov A., Gol’tsman G. N., Sobolewski R. Hot-electron effect in superconductors and its applications for radiation sensors // Supercond. Sci. Technol. - 2002. - 15, - P. R1-R16. 9. Dobrovolsky V. N., Sizov F. F. Room temperature, or moder- ately cooled, fast THz semiconductor hot electron bolometer // Semicond. Sci. Technol. - 2007. - 22. - P. 103-106. 10. Измерения на миллиметровых и субмиллиметровых вол- нах. Методы и техника / Под ред. Р. А. Валитова, Б. И. Макаренко. - М.: Радио и связь, 1984. - 149 c. MILLIMETER AND SUBMILLIMETER RANGE RECEIVER ON HOT ELECTRONS Yu. E. Kamenev, F. F. Sizov, V. N. Dobrovolsky A bolometric receiver of the millimeter and submilli- meter radiation on hot charge carriers (electrons) with the direct detecting of signals is proposed. The device is functioning at room and lower temperatures at which the biopolar conductivity still exists in it. Operation of the receiver is based on changing the conductivity under the influence of radiation in biopolar plasma of a nallow-slot semiconductor. The experiments which have been carried out demonstrate the possibility to record the radiation by using this receiver at 300 K and the radiation frequencies  = 0,036, 0,039, 0,055, 0,075, 0,89 и 1,58 THz and also at the lower temperatures up to - 80 ºС. Key words: bolometer, biolopar conductivity, hot car- riers, terahertz. Ю. Е. Каменев и др. / Приёмник излучения миллиметрового… _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 242 ПРИЙМАЧ ВИПРОМІНЮВАННЯ МІЛІМЕТРОВОГО ТА СУБМІЛІМЕТРОВОГО ДІАПАЗОНІВ НА ГАРЯЧИХ ЕЛЕКТРОНАХ Ю. Ю. Каменев, Ф. Ф. Сизов, В. М. Добровольський Запропоновано болометричний приймач на гарячих носіях заряду міліметрового та субміліметрового випроміню- вань з прямим детектуванням сигналів, який функціонує при кімнатних або понижених температурах, при яких ще існує в ньому біполярна провідність. Функціювання приймача базу- ється на зміні провідності під впливом випромінювання в біполярній плазмі вузькощілинного напівпровідника. Прове- дені експерименти продемонстрували можливість реєстрації випромінювання таким приймачем при 300 К та частотах випромінювання  = 0,036, 0,039, 0,055, 0,075, 0,89 та 1,58 ТГц, а також при зниженні температури до -80 ºС. Ключові слова: болометр, біполярна провідність, гарячі носії, терагерц. Рукопись поступила 3 марта 2008 г.
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-10577
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 1028-821X
language Russian
last_indexed 2025-12-02T07:29:03Z
publishDate 2008
publisher Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
record_format dspace
spelling Каменев, Ю.Е.
Сизов, Ф.Ф.
Добровольский, В.Н.
2010-08-04T09:33:58Z
2010-08-04T09:33:58Z
2008
Приёмник излучения миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов на горячих электронах / Ю.Е. Каменев, Ф.Ф. Сизов, В.Н. Добровольский // Радіофізика та електроніка. — 2008. — Т. 13, № 2. — С. 239-242. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
1028-821X
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10577
535.231.6
Предложен болометрический приемник на горячих носителях заряда (электронах) миллиметрового и субмиллиметрового излучений с прямым детектированием сигналов, функционирующий при комнатной или пониженной температурах, при которых еще существует в нем биполярная проводимость. Функционирование приемника основано на изменении проводимости под действием излучения в биполярной плазме узкощелевого полупроводника. Выполненные эксперименты продемонстрировали возможность регистрации излучения таким приемником излучения при 300 К и частотах излучения = 0,036, 0,039, 0,055, 0,075, 0,89 и 1,58 ТГц, а также при понижении температуры до -80 С.
Запропоновано болометричний приймач на гарячих носіях заряду міліметрового та субміліметрового випромінювань з прямим детектуванням сигналів, який функціонує при кімнатних або понижених температурах, при яких ще існує в ньому біполярна провідність. Функціювання приймача базується на зміні провідності під впливом випромінювання в біполярній плазмі вузькощілинного напівпровідника. Проведені експерименти продемонстрували можливість реєстрації випромінювання таким приймачем при 300 К та частотах випромінювання = 0,036, 0,039, 0,055, 0,075, 0,89 та 1,58 ТГц, а також при зниженні температури до -80 С.
A bolometric receiver of the millimeter and submillimeter radiation on hot charge carriers (electrons) with the direct detecting of signals is proposed. The device is functioning at room and lower temperatures at which the biopolar conductivity still exists in it. Operation of the receiver is based on changing the conductivity under the influence of radiation in biopolar plasma of a nallow-slot semiconductor. The experiments which have been carried out demonstrate the possibility to record the radiation by using this receiver at 300 K and the radiation frequencies = 0,036, 0,039, 0,055, 0,075, 0,89 и 1,58 THz and also at the lower temperatures up to - 80 С.
ru
Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
Вакуумная и твердотельная электроника
Приёмник излучения миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов на горячих электронах
Приймач випромінювання міліметрового та субміліметрового діапазонів на гарячих електронах
Millimeter and submillimeter range receiver on hot electrons
Article
published earlier
spellingShingle Приёмник излучения миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов на горячих электронах
Каменев, Ю.Е.
Сизов, Ф.Ф.
Добровольский, В.Н.
Вакуумная и твердотельная электроника
title Приёмник излучения миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов на горячих электронах
title_alt Приймач випромінювання міліметрового та субміліметрового діапазонів на гарячих електронах
Millimeter and submillimeter range receiver on hot electrons
title_full Приёмник излучения миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов на горячих электронах
title_fullStr Приёмник излучения миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов на горячих электронах
title_full_unstemmed Приёмник излучения миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов на горячих электронах
title_short Приёмник излучения миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов на горячих электронах
title_sort приёмник излучения миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов на горячих электронах
topic Вакуумная и твердотельная электроника
topic_facet Вакуумная и твердотельная электроника
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10577
work_keys_str_mv AT kamenevûe priemnikizlučeniâmillimetrovogoisubmillimetrovogodiapazonovnagorâčihélektronah
AT sizovff priemnikizlučeniâmillimetrovogoisubmillimetrovogodiapazonovnagorâčihélektronah
AT dobrovolʹskiivn priemnikizlučeniâmillimetrovogoisubmillimetrovogodiapazonovnagorâčihélektronah
AT kamenevûe priimačvipromínûvannâmílímetrovogotasubmílímetrovogodíapazonívnagarâčihelektronah
AT sizovff priimačvipromínûvannâmílímetrovogotasubmílímetrovogodíapazonívnagarâčihelektronah
AT dobrovolʹskiivn priimačvipromínûvannâmílímetrovogotasubmílímetrovogodíapazonívnagarâčihelektronah
AT kamenevûe millimeterandsubmillimeterrangereceiveronhotelectrons
AT sizovff millimeterandsubmillimeterrangereceiveronhotelectrons
AT dobrovolʹskiivn millimeterandsubmillimeterrangereceiveronhotelectrons