Реальная и предельная чувствительность некоторых приемников излучения ТГц/суб-ТГц-диапазонов
Показано, что при расчете предельных параметров NEP приемников излучения ТГц/суб-ТГц-диапазонов, ограниченных флуктуациями потоков фонового излучения, необходимо учитывать фактор группировки фотонов при их излучении нагретыми телами и влияние дифракции, вносимой антенной при введении излучения в ПИ....
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Технология и конструирование в электронной аппаратуре |
|---|---|
| Datum: | 2012 |
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України
2012
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/51640 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Реальная и предельная чувствительность некоторых приемников излучения ТГц/суб-ТГц-диапазонов / А.В. Шевчик-Шекера // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2012. — № 1. — С. 3-6. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-51640 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Шевчик-Шекера, А.В. 2013-12-05T19:37:23Z 2013-12-05T19:37:23Z 2012 Реальная и предельная чувствительность некоторых приемников излучения ТГц/суб-ТГц-диапазонов / А.В. Шевчик-Шекера // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2012. — № 1. — С. 3-6. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. 2225-5818 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/51640 621.383 Показано, что при расчете предельных параметров NEP приемников излучения ТГц/суб-ТГц-диапазонов, ограниченных флуктуациями потоков фонового излучения, необходимо учитывать фактор группировки фотонов при их излучении нагретыми телами и влияние дифракции, вносимой антенной при введении излучения в ПИ. Показано, що при розрахунку параметра NEP приймачів випромінювання ТГц/суб-ТГц-діапазонів необхідно враховувати флуктуації потоків фонового випромінювання для різних температур фону в разі дифракційно-обмежених пучків. It is shown that while calculating the NEP parameter of radiation detectors of THz/sub-THz range, the fluctuations of the background radiation flux at different temperatures of the background in the case of diffraction-limited beam should be taken into account. ru Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України Технология и конструирование в электронной аппаратуре Новые компоненты для электронной аппаратуры Реальная и предельная чувствительность некоторых приемников излучения ТГц/суб-ТГц-диапазонов Реальна та гранична чут ливість деяких приймачів випромінювання ТГц/cуб-ТГц-діапазонів Real and limit sensitivity of some radiation detectors of THz/sub-THz ranges Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Реальная и предельная чувствительность некоторых приемников излучения ТГц/суб-ТГц-диапазонов |
| spellingShingle |
Реальная и предельная чувствительность некоторых приемников излучения ТГц/суб-ТГц-диапазонов Шевчик-Шекера, А.В. Новые компоненты для электронной аппаратуры |
| title_short |
Реальная и предельная чувствительность некоторых приемников излучения ТГц/суб-ТГц-диапазонов |
| title_full |
Реальная и предельная чувствительность некоторых приемников излучения ТГц/суб-ТГц-диапазонов |
| title_fullStr |
Реальная и предельная чувствительность некоторых приемников излучения ТГц/суб-ТГц-диапазонов |
| title_full_unstemmed |
Реальная и предельная чувствительность некоторых приемников излучения ТГц/суб-ТГц-диапазонов |
| title_sort |
реальная и предельная чувствительность некоторых приемников излучения тгц/суб-тгц-диапазонов |
| author |
Шевчик-Шекера, А.В. |
| author_facet |
Шевчик-Шекера, А.В. |
| topic |
Новые компоненты для электронной аппаратуры |
| topic_facet |
Новые компоненты для электронной аппаратуры |
| publishDate |
2012 |
| language |
Russian |
| container_title |
Технология и конструирование в электронной аппаратуре |
| publisher |
Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Реальна та гранична чут ливість деяких приймачів випромінювання ТГц/cуб-ТГц-діапазонів Real and limit sensitivity of some radiation detectors of THz/sub-THz ranges |
| description |
Показано, что при расчете предельных параметров NEP приемников излучения ТГц/суб-ТГц-диапазонов, ограниченных флуктуациями потоков фонового излучения, необходимо учитывать фактор группировки фотонов при их излучении нагретыми телами и влияние дифракции, вносимой антенной при введении излучения в ПИ.
Показано, що при розрахунку параметра NEP приймачів випромінювання ТГц/суб-ТГц-діапазонів необхідно враховувати флуктуації потоків фонового випромінювання для різних температур фону в разі дифракційно-обмежених пучків.
It is shown that while calculating the NEP parameter of radiation detectors of THz/sub-THz range, the fluctuations of the background radiation flux at different temperatures of the background in the case of diffraction-limited beam should be taken into account.
|
| issn |
2225-5818 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/51640 |
| citation_txt |
Реальная и предельная чувствительность некоторых приемников излучения ТГц/суб-ТГц-диапазонов / А.В. Шевчик-Шекера // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2012. — № 1. — С. 3-6. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT ševčikšekeraav realʹnaâipredelʹnaâčuvstvitelʹnostʹnekotoryhpriemnikovizlučeniâtgcsubtgcdiapazonov AT ševčikšekeraav realʹnatagraničnačutlivístʹdeâkihpriimačívvipromínûvannâtgccubtgcdíapazonív AT ševčikšekeraav realandlimitsensitivityofsomeradiationdetectorsofthzsubthzranges |
| first_indexed |
2025-11-25T21:05:32Z |
| last_indexed |
2025-11-25T21:05:32Z |
| _version_ |
1850544848186114048 |
| fulltext |
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2012, ¹ 1
3
ÍÎÂÛÅ ÊÎÌÏÎÍÅÍÒÛ ÄËß ÝËÅÊÒÐÎÍÍÎÉ ÀÏÏÀÐÀÒÓÐÛ
ÓÄÊ 621.383
À. Â. ØÅÂ×ÈÊ-ØÅÊÅÐÀ
Óêðàèíà, ã. Êèåâ, Èíñòèòóò ôèçèêè ïîëóïðîâîäíèêîâ
èì. Â. Å. Ëàøêàð¸âà ÍÀÍ Óêðàèíû
E-mail: shevchik_anya@mail.ru
ÐÅÀËÜÍÀß È ÏÐÅÄÅËÜÍÀß ×ÓÂÑÒÂÈÒÅËÜÍÎÑÒÜ
ÍÅÊÎÒÎÐÛÕ ÏÐÈÅÌÍÈÊΠÈÇËÓ×ÅÍÈß
ÒÃö/ñóá-ÒÃö-ÄÈÀÏÀÇÎÍÎÂ
Ïîêàçàíî, ÷òî ïðè ðàñ÷åòå ïðåäåëüíûõ ïàðàìåòðîâ NEP ïðèåìíèêîâ èçëó÷åíèÿ ÒÃö/ñóá-ÒÃö-
äèàïàçîíîâ, îãðàíè÷åííûõ ôëóêòóàöèÿìè ïîòîêîâ ôîíîâîãî èçëó÷åíèÿ, íåîáõîäèìî ó÷èòûâàòü
ôàêòîð ãðóïïèðîâêè ôîòîíîâ ïðè èõ èçëó÷åíèè íàãðåòûìè òåëàìè è âëèÿíèå äèôðàêöèè, âíîñè-
ìîé àíòåííîé ïðè ââåäåíèè èçëó÷åíèÿ â ÏÈ.
Êëþ÷åâûå ñëîâà: NEP, ïðèåìíèêè ÒÃö/ñóá-ÒÃö-äèàïàçîíîâ.
Òåðàãåðöåâûé/ñóáòåðàãåðöåâûé (ÒÃö/ñóá-
ÒÃö) äèàïàçîíû èçëó÷åíèÿ, ðàñïîëîæåííûå ìåæ-
äó äàëüíèì ÈÊ-äèàïàçîíîì è ìèêðîâîëíîâûì
ðàäèîäèàïàçîíîì (0,03—3 ìì, 0,1—10 ÒÃö), íå
èçó÷åíû â ïîëíîé ìåðå. Ðåçóëüòàòû èññëåäîâà-
íèé â ýòîé îáëàñòè ñïåêòðà äîëãîå âðåìÿ íå íà-
õîäèëè øèðîêîãî ïðèìåíåíèÿ èç-çà îòñóòñòâèÿ
ìîùíûõ èñòî÷íèêîâ ÒÃö/ñóá-ÒÃö-èçëó÷åíèÿ è
ïðèåìíèêîâ, ñïîñîáíûõ çàðåãèñòðèðîâàòü èçëó-
÷åíèå â äàííûõ îáëàñòÿõ ñïåêòðà.
Çà ïîñëåäíèå ãîäû ñ ðàçâèòèåì ôåìòîñåêóíä-
íûõ òâåðäîòåëüíûõ ëàçåðîâ (îñîáåííî ëàçåðîâ
íà êðèñòàëëàõ ñàïôèðà, àêòèâèðîâàííûõ èîíà-
ìè òèòàíà) è ïðèåìíèêîâ ÒÃö/ñóá-ÒÃö-äèàïà-
çîíîâ èçëó÷åíèÿ íàìåòèëñÿ ñóùåñòâåííûé ñäâèã
â èçó÷åíèè ýòèõ äèàïàçîíîâ äëèí âîëí.
Èçëó÷åíèå â ÒÃö/ñóá-ÒÃö-îáëàñòè ìîæåò áûòü
èñïîëüçîâàíî äëÿ êîíòðîëÿ êà÷åñòâà ïèùåâûõ
ïðîäóêòîâ, áèîìîëåêóëÿðíûõ èññëåäîâàíèé, ñî-
çäàíèÿ ñêàíåðîâ äëÿ äîñìîòðà ïàññàæèðîâ â àýðî-
ïîðòàõ, ïðîâåðêè ïî÷òîâûõ îòïðàâëåíèé íà ñî-
äåðæàíèå áèîëîãè÷åñêîãî îðóæèÿ è äð. ÒÃö/ñóá-
ÒÃö-äèàïàçîíû ÿâëÿþòñÿ âàæíûìè äëÿ àñòðîôè-
çè÷åñêèõ èññëåäîâàíèé, ò. ê. èçëó÷åíèå Âñåëåí-
íîé ïîñëå Áîëüøîãî Âçðûâà â äàííîì äèàïàçîíå
äëèí âîëí ñîäåðæèò îêîëî 98% ôîòîíîâ [1].
ÒÃö/ñóá-ÒÃö-èçëó÷åíèå ÿâëÿåòñÿ, â îïðåäå-
ëåííîé ìåðå, àëüòåðíàòèâîé ðåíòãåíîâñêèì òåõ-
íîëîãèÿì, ïîñêîëüêó ìíîãèå ìàòåðèàëû (ïëàñò-
ìàññà, òêàíü, áóìàãà è ò. ä.) ïðîçðà÷íû â ýòîì
ñïåêòðàëüíîì äèàïàçîíå èëè èìåþò õàðàêòåð-
íûå ïîëîñû ïîãëîùåíèÿ. Ê òîìó æå, ÒÃö/ñóá-
ÒÃö-èçëó÷åíèå ÿâëÿåòñÿ íåèîíèçèðóþùèì.
Âàæíûì çâåíîì â ñèñòåìàõ ÒÃö/ñóá-ÒÃö-èç-
ëó÷åíèÿ ÿâëÿþòñÿ ïðèåìíèêè èçëó÷åíèÿ (ÏÈ),
ïðåîáðàçóþùèå ýëåêòðîìàãíèòíûå âîëíû (îïòè-
÷åñêèå ñèãíàëû) â ýëåêòðè÷åñêèå. Âñå ñèñòåìû
ïðèåìà ÒÃö/ñóá-ÒÃö-èçëó÷åíèÿ äåëÿòñÿ íà äâå
ãðóïïû — êîãåðåíòíûå (ãåòåðîäèííûå) è íåêî-
ãåðåíòíûå (ïðÿìîãî äåòåêòèðîâàíèÿ) ñèñòåìû
(ñì., íàïðèìåð, [2]). Ãåòåðîäèííûå ñèñòåìû, â
îòëè÷èå îò ñèñòåì ñ ïðÿìûì äåòåêòèðîâàíèåì,
ïîçâîëÿþò ðåãèñòðèðîâàòü íå òîëüêî àìïëèòóäó
ñèãíàëà, íî è åãî ôàçó, ÷òî äàåò äîïîëíèòåëü-
íóþ èíôîðìàöèþ î ðåãèñòðèðóåìîì îáúåêòå. ×à-
ñòîòà ïðèíèìàåìûõ ñèãíàëîâ â ãåòåðîäèííûõ ñè-
ñòåìàõ ïðåîáðàçóåòñÿ â çíà÷èòåëüíî ìåíüøóþ
÷àñòîòó (1—10 ÃÃö), ïðè êîòîðîé ñèãíàëû óæå
ìîãóò áûòü óñèëåíû ìàëîøóìÿùèìè óñèëèòåëÿ-
ìè. Ýòè ñèñòåìû ÿâëÿþòñÿ â îñíîâíîì ñåëåêòèâ-
íûìè (óçêîïîëîñíûìè).
Îäíîé èç îñíîâíûõ õàðàêòåðèñòèê ïðèåìíè-
êîâ ÒÃö/ñóá-ÒÃö-èçëó÷åíèÿ ÿâëÿåòñÿ ïàðàìåòð
NEP (noise equivalent power) — ìîùíîñòü, ýê-
âèâàëåíòíàÿ øóìó. Çíà÷åíèÿ NEP îïèñûâàþò
ìèíèìàëüíûé ïîòîê Ws
min, êîòîðûé ìîæåò áûòü
çàðåãèñòðèðîâàí ïðèåìíèêîì ïðè óñëîâèè, ÷òî
îòíîøåíèå ñèãíàëà ê øóìó ðàâíî åäèíèöå.
Íà ñåãîäíÿøíèé äåíü, îïóáëèêîâàíî äîñòà-
òî÷íî ìíîãî ìàòåðèàëîâ, ïîñâÿùåííûõ ÏÈ ÒÃö/
ñóá-ÒÃö-äèàïàçîíîâ, ãäå ïðèâåäåíû çíà÷åíèÿ èõ
NEP. Íàïðèìåð, â [3—6] îïèñàíû òàêèå ÏÈ è
èõ ïðåäåëüíûå çíà÷åíèÿ NEP. Îäíàêî â ëèòå-
ðàòóðíûõ èñòî÷íèêàõ íåò ðåçóëüòàòîâ èññëåäî-
âàíèé, â êîòîðûõ ó÷èòûâàëèñü áû ôëóêòóàöèè
ïîòîêîâ ôîíîâîãî èçëó÷åíèÿ äëÿ ðàçíûõ òåìïå-
ðàòóð ôîíà â ñëó÷àå äèôðàêöèîííî-îãðàíè÷åí-
íûõ ïó÷êîâ.
 íàñòîÿùåé ðàáîòå ïðîâåäåí ñðàâíèòåëüíûé
àíàëèç ðåàëüíîé è ïðåäåëüíîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè
íåêîòîðûõ ïðèåìíèêîâ èçëó÷åíèÿ ÒÃö/ñóá-ÒÃö-
äèàïàçîíîâ. Ðàñ÷åò çíà÷åíèé NEP ïðîâîäèëñÿ áåç
ó÷åòà ôàêòîðà Áîçå—Ýéíøòåéíà è ñ åãî ó÷åòîì,
÷òî âàæíî äëÿ ðàññìàòðèâàåìîãî äèàïàçîíà [2].
Ñõåìû ñ ïðÿìûì è ãåòåðîäèííûì
äåòåêòèðîâàíèåì ñèãíàëîâ
Ñõåìû ÏÈ ñ ïðÿìûì è ãåòåðîäèííûì òèïàìè
ðåãèñòðàöèè ñèãíàëîâ ìîãóò áûòü â ðàâíîé ìåðå
èñïîëüçîâàíû â òåõíè÷åñêèõ ñèñòåìàõ âèäåíèÿ.
Ïðåèìóùåñòâîì ïðèåìíèêîâ ñ ïðÿìûì äåòåêòè-
ðîâàíèåì ñèãíàëîâ ÿâëÿåòñÿ ïðîñòîòà ðåãèñòðà-
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2012, ¹ 1
4
ÍÎÂÛÅ ÊÎÌÏÎÍÅÍÒÛ ÄËß ÝËÅÊÒÐÎÍÍÎÉ ÀÏÏÀÐÀÒÓÐÛ
öèè ñèãíàëîâ. Òàêèå ñèñòåìû, êàê ïðàâèëî, ÿâ-
ëÿþòñÿ ïàññèâíûìè è íå òðåáóþò äîïîëíèòåëü-
íûõ èñòî÷íèêîâ äëÿ ïîäñâåòêè íàáëþäàåìîãî
îáúåêòà. Ïðåèìóùåñòâîì ãåòåðîäèííîãî äåòåê-
òèðîâàíèÿ ñèãíàëîâ ïî ñðàâíåíèþ ñ ïðÿìûì äå-
òåêòèðîâàíèåì ÿâëÿåòñÿ áîëåå âûñîêîå îòíîøå-
íèå ñèãíàë/øóì äëÿ ñèãíàëüíîãî òîêà (èëè íà-
ïðÿæåíèÿ) èç-çà ïðèñóòñòâèÿ ìîùíîñòè îïîðíî-
ãî èçëó÷àòåëÿ. Êâàíòîâûé ïðåäåë äëÿ íåôîòî-
ðåçèñòèâíûõ ÏÈ, îãðàíè÷åííûõ ôëóêòóàöèÿìè
ôîòîíîâ òîëüêî îò îïîðíîãî èçëó÷àòåëÿ, ðàâåí
îäíîìó ôîòîíó.
Ñõåìà ïðÿìîãî (íåêîãåðåíòíîãî) äåòåêòèðî-
âàíèÿ ñèãíàëîâ (ðèñ. 1)
Òàêèå ñõåìû èñïîëüçóþòñÿ â îñíîâíîì â ñïåê-
òðîñêîïèè è ñèñòåìàõ òåõíè÷åñêîãî çðåíèÿ â óëü-
òðàôèîëåòîâîì, âèäèìîì, ÈÊ-, ÒÃö- è ìì-äèà-
ïàçîíàõ ñïåêòðà, ò. å. â ñèñòåìàõ, íå òðåáóþùèõ
ñâåðõâûñîêîãî ñïåêòðàëüíîãî ðàçðåøåíèÿ è «áû-
ñòðûõ» äåòåêòîðîâ (çäåñü ìîãóò ïðèìåíÿòüñÿ äàæå
íåîõëàæäàåìûå äåòåêòîðû óìåðåííîé ÷óâñòâèòåëü-
íîñòè ñ âðåìåíåì îòâåòà τ=10–2—10–3 ñ).
 ñèñòåìàõ èñïîëüçóþòñÿ ñëåäóþùèå ïðè-
åìíèêè:
— íèçêîòåìïåðàòóðíûå ïîëóïðîâîäíèêîâûå
áîëîìåòðû íà ãîðÿ÷èõ íîñèòåëÿõ (τ≈10–6 ñ);
— íåîõëàæäàåìûå òåïëîâûå ïðèåìíèêè èç-
ëó÷åíèÿ (ÿ÷åéêè Ãîëåÿ, ïèðîýëåêòðèêè, áîëî-
ìåòðû è ìèêðîáîëîìåòðû ñ τ=10–2—10–3 ñ), èõ
NEP îáû÷íî ñîñòàâëÿåò 10–11—10–8 Âò/Ãö0,5 [7];
— ðàçëè÷íûå òèïû ïîëóïðîâîäíèêîâûõ äå-
òåêòîðîâ (InSb-, Si- èëè Ge-áîëîìåòðû íà ãî-
ðÿ÷èõ ýëåêòðîíàõ, ïðèìåñíûå ïðèåìíèêè èç-
ëó÷åíèÿ èç Si è Ge) [8] ñ τ=10–6—10–9 ñ è
NEP=10–11—5⋅10–17 Âò/Ãö0,5 ïðè òåìïåðàòóðå,
ìåíüøåé ÷åì 4 K;
— ïðèìåñíûå ôîòîðåçèñòîðû, êîòîðûå ÷óâñòâè-
òåëüíû âïëîòü äî äëèíû âîëíû λ=400 ìêì [9], ñ
NEP=5.10–17 Âò/Ãö1/2 ïðè òåìïåðàòóðå, ìåíüøå
÷åì 2 K;
— íèçêîòåìïåðàòóðíûå áîëîìåòðû, èìåþùèå
áëèçêóþ ê ïðåäåëüíîé ÷óâñòâèòåëüíîñòü â ïðåäå-
ëàõ îò äàëåêîé ÈÊ-îáëàñòè ñïåêòðà äî ìì-äèà-
ïàçîíà, NEP=(0,4—3)⋅10–19 Âò/Ãö0,5 ïðè òåìïå-
ðàòóðå 100—300 ìÊ [10] è íèçêîì óðîâíå ôîíà.
Äëÿ íåôîòîðåçèñòèâíûõ ÏÈ, îãðàíè÷åííûõ
ôëóêòóàöèÿìè ôîòîíîâ òîëüêî â ñèãíàëüíîì
ïîòîêå, ìèíèìàëüíî äåòåêòèðóåìàÿ ìîùíîñòü è
ïðåäåëüíûå çíà÷åíèÿ NEP îïðåäåëÿþòñÿ êàê [2]
ν= ∆
η
min
,
2
s dir
h
W f ; (1)
ν= = ∆
η∆
min
, 2s dir
dir
W h
NEP f
f
, (2)
Ñõåìà ãåòåðîäèííîãî (êîãåðåíòíîãî) äåòåêòè-
ðîâàíèÿ ñèãíàëîâ (ðèñ. 2)
Òàêèå ñõåìû èñïîëüçóþòñÿ â îñíîâíîì ïðè
èçó÷åíèè êîñìè÷åñêîãî ôîíîâîãî ìèêðîâîëíî-
âîãî èçëó÷åíèÿ â ìì- è ÒÃö-äèàïàçîíàõ ñïåêòðà
è â ñïåêòðîñêîïèè. Äëÿ íèõ íåîáõîäèìû îòíî-
ñèòåëüíî ìîùíûå îïîðíûå èñòî÷íèêè èçëó÷å-
íèÿ è «áûñòðûå» äåòåêòîðû (τ=10–10—10–11 ñ)
äëÿ îáåñïå÷åíèÿ âûïîëíåíèÿ óñëîâèÿ Wo>Ws
(Wî — ìîùíîñòü ñèãíàëà îïîðíîãî èçëó÷àòåëÿ
LO ÷àñòîòû νLO ).
Ïðèåìíèêàìè çäåñü ìîãóò ñëóæèòü âûñîêî÷óâ-
ñòâèòåëüíûå ñâåðõïðîâîäÿùèå ñòðóêòóðû, ôóíê-
öèîíèðóþùèå ïðè ñâåðõíèçêèõ òåìïåðàòóðàõ
(100—200 ìK) ñ NEP=10–17—10–20 Âò/Ãö0,5 [10]
— ÑÈÑ-ñòðóêòóðû («ñâåðõïðîâîäíèê — èçî-
ëÿòîð — ñâåðõïðîâîäíèê») èëè ñâåðõïðîâîäÿ-
ùèé áîëîìåòð íà ãîðÿ÷èõ íîñèòåëÿõ (HEB —
hot electron bolometer).
Äëÿ íåôîòîðåçèñòèâíûõ ÏÈ, îãðàíè÷åííûõ
ôëóêòóàöèÿìè ôîòîíîâ òîëüêî â îïîðíîì ïîòîêå,
ìèíèìàëüíî äåòåêòèðóåìàÿ ìîùíîñòü è ïðåäåëü-
íûå çíà÷åíèÿ NEP îïðåäåëÿþòñÿ êàê [2]
ν= ∆
η
min
,s het
h
W f ; (3)
min
, .s het
het
W h
NEP f
f
ν= = ∆
∆ η
(4)
Ðèñ. 1. Ñõåìà ïðÿìîãî äåòåêòèðîâàíèÿ ñèãíàëà:
Ws — ìîùíîñòü ñèãíàëà; Wb— ìîùíîñòü ôîíîâîãî èçëó÷å-
íèÿ; O — ôîêóñèðóþùàÿ îïòèêà; Ó — óñèëèòåëü
Ws
Wb
O
ÓÏðèåìíèê Is
Ðèñ. 2. Ñõåìà ãåòåðîäèííîãî äåòåêòèðîâàíèÿ
ñèãíàëà
Ws
Wb
LO
ÓÏ×
Ñìåñèòåëü
ÓÏðèåìíèê
Äèïëåêñåð
Ïîëîñîâîé
ôèëüòð
νLO
ïîñòîÿííàÿ Ïëàíêà;
÷àñòîòà èçëó÷åíèÿ;
êâàíòîâàÿ ýôôåêòèâíîñòü (êîýôôèöèåíò
ñâÿçè) ïðèåìíèêà èçëó÷åíèÿ;
ïîëîñà ïðîïóñêàíèÿ.
ãäå h —
ν —
η —
∆f —
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2012, ¹ 1
5
ÍÎÂÛÅ ÊÎÌÏÎÍÅÍÒÛ ÄËß ÝËÅÊÒÐÎÍÍÎÉ ÀÏÏÀÐÀÒÓÐÛ
Ðàñ÷åò ïðåäåëüíûõ çíà÷åíèé NEP ÏÈ
áåç ó÷åòà ôàêòîðà Áîçå—Ýéíøòåéíà
è ñ åãî ó÷åòîì
Ïðåäåëüíûå çíà÷åíèÿ NEP ÏÈ, ðàáîòàþùèõ
â ÒÃö/ñóá-ÒÃö-äèàïàçîíàõ, îïðåäåëÿþòñÿ ôóí-
äàìåíòàëüíûìè ôàêòîðàìè — ôëóêòóàöèÿìè
ôîíîâîãî èçëó÷åíèÿ.
Äëÿ íåôîòîðåçèñòèâíûõ ïðèåìíèêîâ èçëó÷å-
íèÿ ïðÿìîãî äåòåêòèðîâàíèÿ, êîãäà ôëóêòóàöè-
îííûé øóì ôîíîâîãî èçëó÷åíèÿ ïðåâàëèðóåò íàä
îñòàëüíûìè øóìàìè, ìèíèìàëüíûé äåòåêòèðóå-
ìûé ñèãíàë, îãðàíè÷åííûé ôîíîì, îïðåäåëÿåò-
ñÿ âûðàæåíèåì [2]
min
,
2
.s dir b
h
W fW ν= ∆
η
(5)
Îòñþäà âèäíî, ÷òî Ws
min ~∆f 0,5 è äåòåêòèðó-
åìûé ñèãíàë ìîæåò áûòü ìåíüøå ìîùíîñòè ôî-
íîâîãî èçëó÷åíèÿ Wb.
Ïîñêîëüêó ïðè ïåðåõîäå ê íèçêî÷àñòîòíîìó
èçëó÷åíèþ (hν<<kBTb) ñðåäíåå ÷èñëî ôîòîíîâ
óâåëè÷èâàåòñÿ è ýòî ïðèâîäèò ê èõ ãðóïïèðîâ-
êå, ïðè ïðîâåäåíèè ðàñ÷åòà NEP ÏÈ ÒÃö/ñóá-
ÒÃö-äèàïàçîíîâ íåîáõîäèìî ó÷èòûâàòü êîýôôè-
öèåíò Áîçå—Ýéíøòåéíà [2]
⎛ ⎞
λ = −⎜ ⎟λ λ⎝ ⎠
( ) exp exp 1
B b B b
hc hc
K
k T k T
, (6)
Ïðè òàêèõ ðàñ÷åòàõ òàêæå íóæíî ó÷èòûâàòü
âëèÿíèå äèôðàêöèîííî-îãðàíè÷åííûõ ïó÷êîâ
èçëó÷åíèÿ, ïàäàþùèõ íà àíòåííó. Ââîä èçëó÷å-
íèÿ â ÏÈ ÒÃö/ñóá-ÒÃö-äèàïàçîíîâ ÷àñòî îñóùå-
ñòâëÿåòñÿ ñ ïîìîùüþ àíòåíí, ðàçìåð êîòîðûõ áëè-
çîê ê äëèíå âîëíû èçëó÷åíèÿ, à ðàçìåðû ïðèåì-
íûõ ÷óâñòâèòåëüíûõ ýëåìåíòîâ íàìíîãî ìåíüøå.
Èñïîëüçîâàíèå àíòåíí óëó÷øàåò ââîä ìîùíîñòè
èçëó÷åíèÿ â äåòåêòîðû, ÷òî ïîçâîëÿåò îòñëåäèòü
èçìåíåíèå ñâîéñòâ äåòåêòîðîâ ïðè âîçäåéñòâèè
èçëó÷åíèÿ íåáîëüøîé ìîùíîñòè. Íà÷èíàÿ ñ 1980-õ
ãîäîâ äëÿ ðàáîòû â ýòèõ ñïåêòðàëüíûõ äèàïàçî-
íàõ íà÷àëè øèðîêî èñïîëüçîâàòüñÿ ïëàíàðíûå
àíòåííû [11].
Ó÷èòûâàÿ «òåîðåìó àíòåíí», ñîãëàñíî êîòî-
ðîé ÀΩ≥λ2 (À — ïëîùàäü àíòåííû, Ω — òåëå-
ñíûé óãîë èçëó÷åíèÿ àíòåííû) [12, ñ. 35], äëÿ
øàãà èíòåãðèðîâàíèÿ ∆λ/λ=0,001 è ñ ó÷åòîì êî-
ýôôèöèåíòà Áîçå—Ýéíøòåéíà âûðàæåíèå äëÿ
ðàñ÷åòà NEP ïðèíèìàåò âèä
λ
λ
ετ πλ λ λ λ
η λ
= ∫
2
1
2 3
2
6
4
( ) ,( , ) o
b
h c
NEP T K d
(7)
ãäå ε, τî — êîýôôèöèåíòû ïðîïóñêàíèÿ àòìî-
ñôåðû è ïðîïóñêàíèÿ îïòèêè ñîîòâåòñòâåííî.
×óâñòâèòåëüíîñòü ãåòåðîäèííûõ äåòåêòîðîâ ÷à-
ñòî ïðèâîäèòñÿ â òåðìèíàõ øóìîâîé òåìïåðàòóðû
Tsys, êîòîðàÿ ñâÿçàíà ñ NEP çàâèñèìîñòüþ [13]
≈
τ
2 ,IF
sys
out
B
B
NEP k T
B
(8)
Íà ðèñ. 3 ïðåäñòàâëåíû ãðàôèêè çàâèñèìî-
ñòè çíà÷åíèé ïðåäåëüíûõ NEP ÏÈ ÒÃö/ñóá-ÒÃö-
äèàïàçîíà, ðàññ÷èòàííûå ïðè ετî/η=1 è ñ ó÷åòîì
âëèÿíèÿ äèôðàêöèîííî-îãðàíè÷åííûõ ïó÷êîâ
èçëó÷åíèÿ, ïàäàþùèõ íà àíòåííó, ïðè ∆λ/λ=0,001.
Íà ðèñóíêå òàêæå îòìå÷åíû ýêñïåðèìåíòàëüíûå
çíà÷åíèÿ NEP äëÿ ÏÈ ÒÃö/ñóá-ÒÃö-äèàïàçî-
íîâ ñ ïðÿìûì è ãåòåðîäèííûì äåòåêòèðîâàíèåì,
èçâåñòíûå èç ëèòåðàòóðû. Íåêîòîðûå õàðàêòå-
ðèñòèêè ýòèõ ïðèåìíèêîâ ïðèâåäåíû â òàáëèöå.
Èç ãðàôèêîâ âèäíî, ÷òî ïðè Tb=3 Ê ïðåäåëü-
íûå çíà÷åíèÿ NEP, ñâÿçàííûå ñ âåëè÷èíîé ôîíî-
ñêîðîñòü ñâåòà;
ïîñòîÿííàÿ Áîëüöìàíà;
òåìïåðàòóðà èçëó÷åíèÿ ôîíà.
ãäå ñ —
kB —
Òb —
ïîëîñà ïðîìåæóòî÷íûõ ÷àñòîò;
ïîëîñà ÷àñòîò íà âûõîäå.
ãäå Bif —
Bout —
¹
ÏÈ
Õàðàêòåðèñòèêè ÏÈ
NEP,
Âò/Ãö0,5
ÏÈ ñ ãåòåðîäèííûì äåòåêòèðîâàíèåì ñèãíàëîâ
1
Äèîäû Øîòòêè,
Tb=300 K, BIF=4 ÃÃö,
Tsys=2220 K, Bout=1 Ãö [13]
3,9⋅10–15
2
Äèîäû Øîòòêè,
Tb= 300 K, fin=2,5 ÒÃö, BIF=4 ÃÃö,
Tsys=2220 K, Bout=1 Ãö [13]
1,5⋅10–14
3
HEB,
Tb=300 K, fin=0,1 ÒÃö, BIF=10 ÃÃö,
Tsys=3190 Ê, Bout =1 Ãö [13]
9,4⋅10–15
4
HEB,
Tb=300 Ê, fin=0,1 ÒÃö, BIF=10 ÃÃö,
Tsys=4100 Ê, Bout=1 Ãö [13]
3,8⋅10–14
ÏÈ ñ ïðÿìûì äåòåêòèðîâàíèåì ñèãíàëîâ
5
GaAs/AlGaAs, ñâåðõïðîâîäíèêî-
âûé îäíîýëåêòðîííûé òðàíçèñ-òîð
(superconducting SET),
Tb≈50 Ê, λ=14—16 ìêì, Td=4,2 Ê,
∆ν/ν=0,008, η=0,02 [14]
8,3⋅10–19
6
HgCdTe, 288×4,
Tb ≈ 300 Ê, λ=8—11 ìêì, Td ≈ 80 Ê,
∆ν/ν=0,315, η=0,02 [15]
1,5⋅10–14
7
Ñóáìèëëèìåòðîâàÿ áîëîìåòðè÷å-
ñêàÿ ëèíåéêà îáùåãî ïîëüçîâàíèÿ
(SCUBA), λ=850 ìêì [15]
1,5⋅10–16
8
Ìàññèâ èç 48 áîëîìåòðè÷åñêèõ
äåòåêòîðîâ, λ=3000 ìêì [15]
1,5⋅10–17
9
Äàò÷èê íà êðàþ ñâåðõïðîâîäÿùåãî
ïåðåõîäà (TES), λ=60 ìêì [16]
1,5⋅10–18
10 HEB, λ=300 ìêì [17] 3,0⋅10–17
11 MoAu-TES, Ta-TES, λ=460 ìêì [18] 1,3⋅10–18
12 TES, λ=460 ìêì [18] 3,0⋅10–19
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2012, ¹ 1
6
ÍÎÂÛÅ ÊÎÌÏÎÍÅÍÒÛ ÄËß ÝËÅÊÒÐÎÍÍÎÉ ÀÏÏÀÐÀÒÓÐÛ
âîé íàãðóçêè, îãðàíè÷åíû äëèíîé âîëíû 200 ìêì,
à ïðè Tb=30 Ê — äëèíîé âîëíû 20 ìêì. Èç
ñóùåñòâóþùèõ ïðèåìíèêîâ ðàññìàòðèâàåìîãî
äèàïàçîíà íàèáîëåå ÷óâñòâèòåëüíûìè ÿâëÿþòñÿ
îõëàæäàåìûå ñâåðõïðîâîäíèêîâûå áîëîìåòðû íà
ýôôåêòå ýëåêòðîííîãî ðàçîãðåâà (HEB) è äàò÷è-
êè íà êðàþ ïåðåõîäà (TES). Îíè ðàáîòàþò ïðè
íèçêèõ ôîíîâûõ íàãðóçêàõ (Tb=3—30 Ê), è èõ
NEP ïðèáëèæàåòñÿ ê ñâîèì ïðåäåëüíûì çíà÷åíè-
ÿì, 10–17—10–19 Âò/Ãö0,5.
Ïðèâåäåííûå íà ðèñ. 3 äàííûå ïîêàçûâàþò,
÷òî ðàññ÷èòàííûå äëÿ äèàïàçîíà äëèí âîëí
λ=0,01—10 ìì è ðàçëè÷íûõ òåìïåðàòóð ôîíà
(3, 30, 80, 300 Ê) ïðåäåëüíûå çíà÷åíèÿ NEP
ïðèåìíèêîâ èçëó÷åíèÿ ñ ó÷åòîì è áåç ó÷åòà êî-
ýôôèöèåíòà Áîçå—Ýéíøòåéíà, ìîãóò ñóùåñòâåí-
íî îòëè÷àòüñÿ äðóã îò äðóãà. Òàê, íàïðèìåð,
ïðè Tb = 300 Ê îòëè÷èÿ íà÷èíàþò ïîÿâëÿòüñÿ
ïðè äëèíå âîëíû λ = 20 ìêì, à ïðè λ = 3 ìì ýòè
çíà÷åíèÿ îòëè÷àþòñÿ óæå íà ïîðÿäîê. Èç ðåçóëü-
òàòîâ ñëåäóåò, ÷òî ïðè ðàñ÷åòå ïðåäåëüíûõ çíà÷å-
íèé NEP ÏÈ ÒÃö/ñóá-ÒÃö-äèàïàçîíîâ íåîáõî-
äèìî ó÷èòûâàòü ôàêòîð ãðóïïèðîâêè ôîòîíîâ.
ÈÑÏÎËÜÇÎÂÀÍÍÛÅ ÈÑÒÎ×ÍÈÊÈ
1.Blain A. W., Smail I., Ivison R. J. et al. Submillimetre
galaxies // Physics. Reports.—2002.— Vol. 369.— P. 111176.
2.Ñèçîâ Ô. Ô. Ôîòîýëåêòðîíèêà äëÿ ñèñòåì âèäåíèÿ.—
Ê.: Àêàäåìïåðèîäèêà, 2011. [Sizov F. F. Fotoelektronika dlya
sistem videniya. Kiev Akademperiodika. 2011]
3.Richards P. L. Bolometers for infrared and millimeters
waves // Appl. Phys.— 1994.— Vol. 76, N 1.— P. 1—24.
http://dx.doi.org/10.1063/1.357128
4.Hubers H. W. Terahertz heterodyne receivers // IEEE
J. Sel. Top. Quant. Electron.— 2008.— Vol. 14.— P. 378—391.
5.Benford D. J. Transition edge sensor bolometers for cmb
polarimetry // CMBpol Technology Whitepaper.— 2008.
http:// cmbpol.uchicago.edu/workshops/technology2008/
depot/cmbpol_technologies_benford_jcps_4.pdf
6.Karasik B. S., Sergeev A. V. The hot-electron photon
counter // IEEE Transactions on Applied Superconductivity.—
2005.— Vol. 15, N 2.— P. 618—621. DOI: 10.1109/
TASC.2005.849963
7.Sizov F., Rogalski A. THz detectors // J. Prog. Quantum
Electron.— 2010.— Vol. 34.— P. 278—347.
8.Siegel P. H. Terahertz technology // IEEE T. Microw.
Theory.— 2002.— Vol. 50.— P. 910—928.
9.Hübers H.W., Pavlov S. G., Holldack K. et. al. Long
wavelength response of unstressed and stressed Ge:Ga detectors
// Proc. SPIE.— 2006.— Vol. 6275. — P. 505—603.
10. Wei J., Olaya D., Karasik B.S. et. al. Ultrasensitive
hot-electron nanobolometers for terahertz astrophysics // Nat.
Nanotechnol.— 2008.— Vol. 3.—P. 496—500.
11. Grade J., Haydon P., van der Weide D. Electronic terahertz
antennas and probes for spectroscopic detection and diagnostics
// Proc. IEEE.— 2007.— Vol. 95.— P. 1583—1591.
12. Brown E. R. Fundamentals of terrestrial millimeter-
wave and THz remote sensing // In book: Terahertz Sensing
Technology.— N.-Y.: World Scientific.— 2003.— Vol. 2.—
P. 1—103.
13. Siegel P. H., Dengler R. J. Terahertz heterodyne imaging:
instruments // J. of Infrared and Millimeter Waves.— 2006.—
Vol. 27, N 5.— P. 631—656. DOI: 10.1007/s10762-006-9109-4
14. Takeji Ueda, Zhenghua An, Susumu Komiyama.
Temperature dependence of novel single-photon detectors in the
long-wavelength Iinfrared range // IR MM THz Waves.—
2011.— Vol. 32, N. 5.— P. 673—680.
15. Sizov F, Rogalski A. THz radiation sensors // Progr.
Quant. Electr.— 2010.— Vol. 34.— P. 278—347.
16. Morozov D., Mauskopf P. D., Ade P. et al. Ultrasensitive
TES bolometers for space based FIR Astronomy // AIP Conf.
Proc.— 2009.— Vol. 1185.— P. 48—51.
17. Siegel P. H., Dengler R. J. THz heterodyne imaging
part I: Introduction and technique // IR MM waves.— 2006.—
Vol. 27, N. 4.— P. 456—480.
18. Karasik B. S., Cantor R. Optical NEP in hot-electron
nanobolometers // 21st International symposium on Space
Terahertz Technology.— Oxford.— 2010.— Ð. 291—297.
Äàòà ïîñòóïëåíèÿ ðóêîïèñè
â ðåäàêöèþ 19.08.2011 ã.
___________________________
Shevchik-Shekera A. V. Real and limit sensitivity of
some radiation detectors of THz/sub-THz ranges.
Keywords: NEP detectors, terahertz/sub-terahertz
detectors.
It is shown that while calculating the NEP parameter
of radiation detectors of THz/sub-THz range, the
fluctuations of the background radiation flux at dif-
ferent temperatures of the background in the case of
diffraction-limited beam should be taken into account.
Ukraine, Kiev, V. Ye. Lashkaryov institute of semicon-
ductor physics.
___________________
Øåâ÷èê-Øåêåðà À. Â. Ðåàëüíà òà ãðàíè÷íà ÷óò-
ëèâ³ñòü äåÿêèõ ïðèéìà÷³â âèïðîì³íþâàííÿ ÒÃö/
cóá-ÒÃö-ä³àïàçîí³â.
Êëþ÷îâ³ ñëîâà: NEP, ïðèéìà÷³ ÒÃö/ñóá-ÒÃö-ä³à-
ïàçîí³â.
Ïîêàçàíî, ùî ïðè ðîçðàõóíêó ïàðàìåòðà NEP ïðèé-
ìà÷³â âèïðîì³íþâàííÿ ÒÃö/ñóá-ÒÃö-ä³àïàçîí³â íå-
îáõ³äíî âðàõîâóâàòè ôëóêòóàö³¿ ïîòîê³â ôîíîâîãî
âèïðîì³íþâàííÿ äëÿ ð³çíèõ òåìïåðàòóð ôîíó â ðàç³
äèôðàêö³éíî-îáìåæåíèõ ïó÷ê³â.
Óêðà¿íà, ì. Êè¿â, ²ÔÍ ³ì. Â. ª. Ëàøêàðüîâà ÍÀÍÓ.
Ðèñ. 3. Çàâèñèìîñòè ïðåäåëüíîãî NEP ÏÈ îò äëè-
íû âîëíû, ðàññ÷èòàííûå áåç ó÷åòà ôàêòîðà ãðóïïè-
ðîâêè ôîòîíîâ (ñïëîøíûå ëèíèè) è ñ åãî ó÷åòîì
(ïóíêòèð), à òàêæå ýêñïåðèìåíòàëüíûå çíà÷åíèÿ (∗∗∗∗∗)
NEP äëÿ ÏÈ, óêàçàííûõ â òàáëèöå (öèôðû ñîîò-
âåòñòâóþò íîìåðó ÏÈ â òàáëèöå)
0,01 0,1 1 λ, ìì
NEP,
Âò/Ãö0,5
10–15
10–16
10–17
10–18
10–19
10–20
10–21
6
80 Ê
300 Ê
31
2
4
7
10
12
119
5
30 Ê
3 Ê
8
|