автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Влияние отрицательной электротепловой обратной связи на характеристики высокотемпературных сверхпроводниковых болометров

Введение

1. Высокотемпературные сверхпроводниковые болометры

1.1 Современные конструктивные решения

1.2 Теория высокотемпературного сверхпроводникового болометра с учетом электротепловой обратной связи

1.3 Выводы

2. Расчетное моделирование работы высокотемпературного сверхпроводникового болометра с учетом электротепловой обратной связи

2.1 Модель болометра. Определение исходных параметров

2.2 Результаты расчетного моделирования

2.3 Выводы

3. Расчетное моделирование работы высокотемпературного сверхпроводникового болометра в режиме активной отрицательной электротепловой обратной связи

3.1 Введение болометра в режим активной отрицательной электротепловой обратной связи

3.2 Результаты расчетного моделирования

3.3 Выводы

4. Экспериментальные исследования

4.1 Конструкция исследуемого болометра. Схемы измерительных установок

4.5 Экспериментальные исследования влияния электротепловой обратной связи на работу высокотемпературных сверхпроводниковых болометров

4.6 Выводы

5. Определение эффективности использования отрицательной электротепловой обратной связи в приборах регистрации электромагнитного излучения

5.1 Широкополосные модули фотоприемных устройств на основе высокотемпературных сверхпроводниковых микроболометров

5.2 Абсолютный радиометр с электрическим замещением для рентгеновского диапазона

В современных оптико-электронных приборах для регистрации инфракрасного (ИК) излучения широко используются болометры. К основным преимуществам болометров относят высокую чувствительность и низкий уровень шума (существует возможность создавать приемники с пороговым уровнем шума близким к теоретическому пределу), неселективность в широком спектральном диапазоне, невысокую стоимость материалов, возможность интегрированных решений на основе кремниевой технологии.

Потребность в высокочувствительных, неселективных приемниках излучения стимулировала разработки криогенных полупроводниковых и сверхпроводниковых болометров, обладающих высокими значениями температурного коэффициента сопротивления (a=R'JdR/dT). После открытия высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) в 1986 г. активное развитие получили высокочувствительные ИК болометры на основе ВТСП пленок. Температура сверхпроводникового перехода ВТСП материалов позволяет использовать для охлаждения приемников на их основе, жидкий азот или компактные микрохолодильные системы охлаждения, что существенно удешевляет эксплуатацию таких болометров по сравнению с криогенными болометрами, охлаждаемыми жидким гелием.

В настоящее время сверхпроводниковые болометрические приемники практически не имеют конкурентов по обнаружительной способности в диапазоне 20 мкм - 1 мм. Кроме этого, ввиду неселективности теплового механизма преобразования, приемники на основе сверхпроводниковых болометров могут использоваться и в других диапазонах длин волн - от радиоволн до рентгена. Ярким примером может служить микрокалориметр с электрическим замещением для рентгеновского диапазона излучения.

Обладающие высокой пороговой чувствительностью сверхпроводниковые болометры нередко имеют большую постоянную времени, что ограничивает возможности их применения. До настоящего времени увеличение быстродействия болометров обеспечивалось за счет конструктивных решений. Однако такой путь, как правило, ставил перед выбором между высокой чувствительностью и высоким быстродействием. В последние десятилетия для увеличения быстродействия сверхпроводниковых болометров предлагаются схемы включения, использующие отрицательную электротепловую обратную связь (ЭОС).

Исследование и обоснование эффективного использования отрицательной ЭОС для ВТСП болометров позволяющее обеспечить высокое быстродействие без ухудшения обнаружительной способности является актуальной задачей современной оптико-электроники. Решению этой задачи посвящена настоящая диссертация.

В диссертации последовательно рассмотрена теория ВТСП болометров с учетом ЭОС, предложена расчетная модель ВТСП болометра в условиях отрицательной ЭОС, представлены результаты расчетного и экспериментального моделирования, проведен анализ полученных результатов. По результатам моделирования предложены условия оптимального выбора конструкции и параметров включения болометра, даны рекомендации по повышению эффективности использования отрицательной ЭОС для ВТСП болометров с целью повышения быстродействия и обеспечения высокой чувствительности. Кроме этого в работе рассмотрена возможность улучшения характеристик широкополосных модулей фотоприемных устройств и радиометра на основе ВТСП при использовании преимуществ отрицательной ЭОС.

Этапы диссертационной работы:

1. Расчетное моделирование работы ВТСП болометра в режимах с положительной и отрицательной электротепловой обратной связью.

2. Изучение механизма действия активной отрицательной электротепловой обратной связи на работу ВТСП болометра.

3. Разработка расчетной модели и моделирование работы ВТСП болометра в режиме активной отрицательной электротепловой обратной связи.

4. Разработка методики измерений и аппаратуры для проведения экспериментальных исследований работы ВТСП болометра в режиме активной отрицательной электротепловой обратной связи.

5. Экспериментальные исследования работы ВТСП болометра в режиме активной отрицательной электротепловой обратной связи.

6. Расчет эффективности использования режима отрицательной ЭОС для приемников рентгеновского диапазона и ВТСП микроболометрических линеек для ИК техники.

Научная новизна диссертации состоит в следующем:

1. Модифицирована программа расчета параметров ВТСП болометра в режиме с отрицательной электротепловой обратной связью, предложено условие выбора температурного режима и напряжения смещения болометра для достижения максимального действия отрицательной электротепловой обратной связи.

2. Предложена математическая модель для болометра в режиме активной электротепловой обратной связи. Проведены теоретические исследования ВТСП болометра в этом режиме. Получены характеристики болометра в зависимости от температуры, напряжения смещения и частоты. Предложены условия выбора оптимальных, с точки зрения быстродействия и чувствительности, параметров.

3. Экспериментально исследована работа ВТСП болометров в режиме активной отрицательной электротепловой обратной связи. Получены характеристики болометра в зависимости от температуры, напряжения смещения и частоты. Экспериментально показана возможность уменьшения постоянной времени болометра под действием отрицательной электротепловой обратной связи в десятки раз.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Разработанная математическая модель для ВТСП болометра в режиме активной отрицательной электротепловой обратной связи позволяет рассчитывать значения температуры, чувствительности, постоянной времени, напряжения шума и обнаружительной способности болометра в зависимости от температуры основания болометра, напряжения смещения, коэффициента усиления и сопротивления обратной связи. Результаты проведенного моделирования подтверждаются результатами экспериментальных исследований.

2. В режиме с пассивной отрицательной электротепловой обратной связью существует состояние, определяемое температурой основания и напряжением смещения болометра, при которых достигается наименьшее для этого болометра значение постоянной времени.

3. Активная отрицательная электротепловая обратная связь обеспечивает уменьшение постоянной времени ВТСП болометра более чем в тридцать раз. Результаты проведанных расчетов демонстрируют возможность дополнительного уменьшения постоянной времени болометра за счет снижения сопротивления обратной связи и увеличения коэффициента усиления.

4. Под действием активной отрицательной электротепловой обратной связи достигается увеличение обнаружительной способности болометра в том диапазоне частот, где доминирует джонсоновский шум.

5. В режиме активной отрицательной электротепловой обратной связи реализуется рост динамического диапазона болометра, который определяется увеличением мощности электрического смещения.

Практическая ценность диссертации определяется разработанными в процессе ее выполнения расчетными моделями болометра, которые позволяют на этапе проектирования приборов с использованием приемников на основе ВТСП проводить расчет и разумный выбор конструкции, а также оптимизировать параметры режима работы. Кроме этого созданный и исследованный в ходе работы лабораторный макет ИК приемного устройства является материальным воплощением расчетов и технической основой для отработки технологии изготовления элементов и схем включения ВТСП болометров.

Личный вклад автора. Автором была модифицирована расчетная модель для болометра в режиме с постоянным напряжением смещения: предложено условие выбора температурного режима и напряжения смещения для усиления действия отрицательной электротепловой обратной связи. Для режима с активной отрицательной электротепловой обратной связью автором предложена и разработана расчетная модель. Все теоретические и экспериментальные результаты, кроме представленных в аналитическом обзоре, были получены автором. Изложенные в диссертации выводы принадлежат автору.

Диссертационная работа была выполнена в Санкт-Петербургском Государственном Электротехническом университете (ЛЭТИ) на кафедре физической электроники и оптико-электронных приборов в период обучения соискателя в аспирантуре и в Государственном оптическом институте им. С.И. Вавилова в лаборатории тепловых приемников излучения, руководимой к.т.н. Хребтовым Игорем Анатольевичем.

Апробация работы. Результаты, полученные в ходе данной диссертационной работы, были представлены и обсуждались на семинарах в Государственном оптическом институте им. С.И. Вавилова в Лаборатории тепловых приемников излучения, руководимой к.т.н. Хребтовым Игорем Анатольевичем, а также на следующих российских и международных конференциях:

1. "Прикладная оптика- 2000", "Прикладная Оптика - 2002" Международного Конгресса "Оптика XXI века", в 2000 и 2002 гг., Санкт-Петербург, Россия.

2. Научно-технические конференции профессорско-преподавательского состава в СПбГЭТУ "ЛЭТИ", в 2000 и 2001 гг. Санкт-Петербург, Россия.

3. 5th European conference of applied superconductivity (5-я Европейская конференция по прикладной сверхпроводимости), EUCAS 2001, 2001 г., Копенгаген, Дания.

4. 2-я Международная конференции молодых ученых и специалистов "Оптика-2001", 2001 г., Санкт-Петербург, Россия.

5. 5th Workshop on Low Temperature Electronics (5-й Семинар по низкотемпературной электронике) WOLTE-5, 2003 г., Гренобль, Франция.

6. 17th International conference "Noise and Fluctuations" (17-я Международная конференция "Шум и флуктуации"), ICNF-2003, 2003 г., Прага, Чешская Республика.

7. 17th Colloque International Optique Hertzienne et Dieletriques (17-й Международный семинар по оптическому излучению и диэлектрикам), OND-2003, Колас, Франция.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных трудов, из них 6 статей и тезисы к 4 докладам на российских и международных конференциях:

1. И.А. Хребтов, А.Д. Ткаченко, К.В. Иванов Работа высокотемпературных сверхпроводниковых болометров в режиме с постоянным напряжением смещения с пассивной и активной электротепловой обратной связью. // Тезисы доклада на конференции «Прикладная оптика - 2000» Международного Конгресса «Оптика XXI века», Санкт-Петербург, Россия. - 2000. - С.

2. И.А. Хребтов, А.Д. Ткаченко, К.В. Иванов, Е. Штайнбайс. Исследование режима активной электротепловой отрицательной обратной связи для ВТСП болометра. // Оптический журнал. - 2001. - Т.68. - С.63-67.

3. К.В. Иванов, И.А. Хребтов. Сверхпроводниковые болометры с электротепловой обратной связью. // Оптический журнал. - 2001 - Т. 68. - С. 79-87.

4. K.V. Ivanov, A.M.N. Lima, Н. Neff, G.S. Deep, I.A. Khrebtov, A.D. Tkachenko. Effects of electrothermal feedback on operation of high-Tc superconducting transition edge bolometers. (Влияние электротепловой обратной связи на работу высокотемпературных сверхпроводниковых болометров) // Physica С. - 2002. - 372-376Р1. -Р.432-435.

5. И. А. Хребтов, А. Д. Ткаченко, К. В. Иванов, А. Д. Николенко,

В. Ф. Пиндюрин. Радиометр на основе ВТСП болометра для абсолютных измерений рентгеновского излучения. // Труды V-й Международной конференции «Прикладная Оптика - 2002», Санкт-Петербург, Россия. - 2002. - С.79-83.

6. I.A. Khrebtov, A.D. Tkachenko, K.V. Ivanov, A.D. Nikolenko, V.F. Pindyurin. Absolute high-Tc superconducting radiometer with electrical-substitution for X-rays measurements. (Абсолютный высокотемпературный сверхпроводниковый радиометр с электрическим замещением для измерения рентгеновского излучения) // J.Phys. IV France. - 2002. - 12. - Pr3-137-140.

7. I.A. Khrebtov, A.D. Tkachenko, K.V. Ivanov, W. Michalke. Influence of an active electrothermal feedback on noise properties of high-Tc bolometers. (Влияние активной электротепловой отрицательной обратной связи на шумовые свойства высокотемпературных сверхпроводниковых болометров) // Proc. of 17th Intern. Conf."Noise and Fluctuations", ICNF-2003, Prague, Czech Republic. - 2003. - P. 187-190.

8. I.A. Khrebtov, A.D. Tkachenko, K.V. Ivanov, W. Michalke. Infrared high-Tc superconducting membrane bolometers with electronic electrothermal feedback. (Высокотемпературные сверхпроводниковые мембранные болометры с электронной электротепловой обратной связью) // Proc. of 17th Colloque International Optique Hertzienne et Dieletriques, OND-2003, Calais, France. - 2003. - B5-5.

9. K.B. Иванов, И.А. Хребтов, А. И. Степанов. Влияние активной отрицательной электротепловой обратной связи на свойства высокотемпературных сверхпроводниковых болометров. // Оптический журнал. - 2004. - 71. -С.57-61.

10. К.В. Иванов, И.А. Хребтов, А.Д. Ткаченко. Расчетное и экспериментальное моделирование работы высокотемпературного сверхпроводникового болометра с активной электротепловой обратной связью. // Письма в ЖТФ. - 2004. - 30. - С.57-62.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, двух приложений и списка литературы, включающего 65 наименований. Основная часть работы изложена на 118 страницах машинописного текста. Работа содержит 81 рисунок и 7 таблиц.

Результаты исследования шумовых характеристик болометра в режиме АОС подтвердили существование подавления напряжения джонсоновского, фононного и 1//шума болометра, а также напряжения шума схемы на низких частотах, до частот отсечки. Отметим также наличие минимума напряжения шума болометра в режиме АОС. Его появление связано с ростом напряжения шума болометра за счет тока смещения. Сравнение с расчетными зависимостями говорит о том, что при больших токах смещения, рост напряжения 1//^шума более сильный, чем предполагалось. Это может быть вызвано увеличением параметра Хоуге и усилением частотной зависимости напряжения шума при больших токах смещения и обусловлено переходом болометра в неизотермический режим, когда из-за перегрева током смещения отдельных участков ВТСП меандра в однородной сверхпроводящей пленке ВТСП возникают участки с нормальной проводимостью.

Несмотря на снижение напряжения шума под действием отрицательной электротепловой обратной связи, в первых экспериментальных схемах уровень NEP в режиме АОС был выше практически во всех случаях за счет неожиданно высокого роста избыточного шума болометра и большого уровня джонсоновского шума определяемого сопротивлениями на входе дифференциального усилителя. Используя схему без сопротивлений на входе предусилителя и охладив сопротивления моста до 80 К, мы получили наименьший уровень джонсоновского шума измерительной схемы. В результате, для режима с АОС на частоте 14 Гц было достигнуто значение обнаружительной способности Z>*=7,3><109 смГц1/2/Вт, близкое к максимальному значению D*=9*109 смГц1/2/Вт, полученному в режиме без АОС на частоте 5 Гц. Более того, при токе 4=60 мкА на частотах более 20 Гц, где чувствительность болометра в режиме АОС превышает чувствительность болометра в схеме без АОС, обнаружительная способность болометра была выше, чем без АОС приблизительно в 2-3 раза. Учитывая то, что в режиме АОС постоянная времени болометра уменьшается, использовать этот режим становится наиболее выгодно на частотах близких к частоте отсечки (для болометра 756 при токе смещения 1Ь=60 мкА в диапазоне от 14 Гц до частоты отсечки fcui^jfb0 Гц), где обнаружительная способность в режиме АОС существенно выше, чем в режиме без АОС. При большем токе смещения в режиме АОС обнаружительная способность болометра на низких частотах уменьшается за счет роста 1/^шума, но увеличение быстродействия дает преимущество по обнаружительной способности на более высоких частотах, где доминирует джонсоновский шум.

Экспериментально было показано увеличение динамического диапазона под влиянием АОС. При токе смещения 1ь~45 мкА динамический диапазон в режиме РПТ был равен 49,7 Дб, в режиме АОС при том же токе смещения динамический диапазон вырос до 56,1 Дб. При увеличении тока смещения наблюдался рост динамического диапазона. При максимально допустимом токе смещения 4=150 мкА динамический диапазон вырос до 60 Дб, однако эта величина могла быть больше, если бы не состояние насыщения, в котором находился дифференциальный предусилитель, когда напряжение разбаланса на входе приближалось к 10 мВ. Тем не менее, полученные результаты показывают очевидные преимущества болометра в режиме АОС, при обработке оптических сигналов с широким диапазоном значений мощностей.

Исследования температурной стабильности в режиме АОС показали, что высокая устойчивость температуры и сопротивления болометра к изменению температуры основания не дает столь же высокой стабильности чувствительности. Тем не менее, в режиме АОС можно повысить температурную стабильность чувствительности болометра, увеличив диапазон температур, в котором выбранное значение чувствительности будет сохраняться с заданной точностью. Полученные результаты показывают возможность увеличения такого диапазона в режиме АОС в 1,5 раза относительно РПТ, при допустимом изменении чувствительности не более чем на 30 %.

5. Определение эффективности использования отрицательной электротепловой обратной связи в приборах регистрации электромагнитного излучения

5.1 Широкополосные модули фотоприемных устройств на основе высокотемпературных сверхпроводниковых микроболометров

В данном разделе рассматривается возможность применения отрицательной ЭОС для микроболометрических модулей, предназначенных для спектрального диапазона 0,220 мкм, в котором находятся основные окна прозрачности атмосферы.

Обычно для перекрытия широкого интервала длин волн используют набор селективных квантовых фотоприемников разного типа, максимум чувствительности которых лежит в этих окнах. ВТСП микроболометры работают при температуре жидкого азота и практически приближаются по пороговой чувствительности к фотоэлектрическим аналогам, но при этом обеспечивают неселективность во всем рассматриваемом диапазоне. Это преимущество является одним из основных факторов при выборе ВТСП микроболометров для изготовления линеек рассчитанных на область спектра 0,2-20 мкм.

В данном разделе представлены результаты расчета характеристик ВТСП мембранных микроболометров для линеек ФПУ многоспектральной аппаратуры на основе Фурье преобразования.

Расчет проводился для двух возможных конструкций мембранных ВТСП микроболометров (рис. 5.1). В одном случае (рис. 5.1а) теплоотвод осуществляется через две стороны мембраны, имеющие контакт с основанием, в другом случае (рис. 5. lb) через две ножки - тонкие полоски шириной 5 или 10 мкм. Для микроболометра на ножках коэффициент теплопотерь G может быть существенно уменьшен и за счет этого повышена чувствительность и уменьшена фононная составляющая шума. Однако уменьшение G может привести к росту постоянной времени выше заданного значения. В этом случае, чтобы сохранить достаточное быстродействие при увеличении чувствительности может быть использован один из режимов с отрицательной ЭОС - режим РПН или режим АОС.

В качестве ВТСП материала был выбран GdBaCuO, с удельной теплоемкостью о

1,1 Вт/см К. Рассматривались два варианта материала мембраны: Si и Si/SiN. Технология получения мембранных болометров на Si или Si/SiN мембранах рассмотрена в [5]. Удельная теплоемкость для Si - 0,52 Вт/см3К и Si3N4 - 0,31 Вт/см3К, коэффициент теплопроводности для Si - 0,5 Вт/смК, для Si3N4 - 0,012 Вт/смК. В случае двухслойной мембраны Si/SiN учитывался теплоотвод через оба слоя.

ВТСП меандр

Рис. 5.1. Две конструкции ВТСП мембранных микроболометров.

Расчет проводился для двух размеров приемной площадки - 100x100 мкм2 и 50x50 мкм при ширине полосок меандра ВТСП пленки 5 мкм и периоде 10 мкм. Температурные зависимости сопротивления и крутизны микроболометров использованные в расчетах изображены на рисунке 5.2.

В режиме РПТ рабочая точка выбиралась из условия максимума р. Ток смещения определялся из условия тепловой стабильности болометра - Lo<0,3. В режимах РПН и АОС напряжение и рабочая температура выбирался из условия максимума коэффициента обратной связи L0 и Laf соответственно. Условие выбора максима L в режиме РПН рассматривалось ранее, для режима АОС максимум Ьа/ согласно рисунку 3.3 практически совпадает с максимумом р. При расчете 1//:шума использовался коэффициент Хоуге ад=0Д. Шум измерительной схемы при расчетах не учитывался. Коэффициент поглощения во всех случаях равен 0,7. Для режима АОС предполагалось использование схемы аналогичной представленной на рисунке 3.1, но без сопротивлений Rt и при условии, что мост Уинстона охлажден до температуры «90 К. Коэффициент усиления в схеме К— 1 ООО, сопротивление обратной

Рис. 5.2. Температурные зависимости сопротивления Rb и крутизны 3 ВТСП мембранных микроболометров для двух размеров меандра. 100x100 мкм - Rbi, Зь 50x50 мкм — Rb2, Зг

Расчет проводился на основе рассмотренных в предыдущих главах теории для режимов РПТ, РПН и АОС. Результаты расчетов представлены в таблице 5.1. Для наглядности некоторые данные таблицы также представлены в виде гистограмм (рис. 5.3).

У всех рассмотренных микроболометров обнаружительная способность ограничивалась фононным шумом. До частот отсечки он являлся доминирующим. Максимальная обнаружительная способность была получена для микроболометра №3 в режимах РПТ и РПН £>*=1,0хЮ10 смГц1/2/Вт. Это в 2,5 раза меньше обнаружительной способности болометра при Т-11 К, ограниченной флуктуациями излучения фона при 7=293 К [32]. Таким образом, даже для наиболее чувствительного микроболометра флуктуации мощности излучения фона не будут оказывать влияния на пороговую чувствительность.

Обладая самой высокой обнаружительной способностью микроболометр №3, в то же время является самым медленным из рассмотренных приемников (рис. 5.3а). Это объясняется тем, чпго микроболометр №3 при большой площади, что способствует высокой обнаружительной способности, имеет наименьший (как и микроболометр №4) коэффициент теплопотерь и большую чем у №4 теплоемкость. Расчет показывает, что, используя режим РПН и АОС, можно увеличить быстродействие микроболометра №3 в 104 и в 63 раза, соответственно. При этом обнаружительная способность остается больше, чем для остальных приемников (рис. 5.3Ь).

Используя предложенное нами условие выбора напряжения смещения и рабочей температуры в режимах РПН и АОС был достигнут максимально возможный, для такого микроболометра при азотном охлаждении, эффект от действия отрицательной ЭОС. Из гистограммы (рис. 5.3а) следует, что эффективность режима РПН по сравнению с АОС для увеличения быстродействия микроболометра выше для всех рассмотренных типов болометров. В режиме РПН коэффициент обратной связи Lo во всех случаях больше чем Laf в режиме АОС. При этом, почти все, полученные в режиме АОС значения обнаружительной способности меньше, чем в режиме РПН. Тем не менее, необходимо отметить, что в режиме АОС быстродействие болометра еще может быть увеличено за счет коэффициента усиления АГи сопротивления R/.

Поскольку в расчете три из четырех микроболометров имели одинаковые температурные зависимости сопротивления, для них значения коэффициентов обратной связи в режимах РПН и АОС совпадают. Это происходит потому, что значение коэффициента обратной связи в РПН и в АОС (при фиксированных значениях К и RJ) зависят от разницы температур пленки и подложки (базы), а также температурного коэффициента сопротивления а (см. 1.18). При этом меньшее значение коэффициента теплопотерь соответствует меньшему току смещения (электрической мощности). Большие значения мощности электрического смещения не желательны, так как в этом случае начинает проявляться 1 If шум (1.6), а большой коэффициент теплопотерь G определяет высокий уровень фононного шума (1.5).

С учетом выше сказанного наиболее предпочтителен мембранный микроболометр на ножках (№3, №4), поскольку эта конструкция обеспечивает наименьший коэффициент теплопотерь, что позволяет снизить ток смещения. Микроболометр на ножках №3 имеет большую площадь, чем №4. При большей площади поглощения обнаружительная способность выше, однако, увеличение размера микроболометра сопровождается ростом теплоемкости и постоянной времени. Используя режим РПН для микроболометра №3 мы сохраняем высокое значение обнаружительной способности, но при этом выигрываем в быстродействии - в режиме РПН постоянная времени в 25 раз меньше постоянной времени микроболометра №4 в режиме РПТ. Для микроболометра №3 может быть также использован режим с АОС. Постоянная времени в этом случае будет в 16 раз меньше чем у образца №4 в РПТ, при этом обнаружительная способность у микроболометра №3 снизится в 1,6 раза, но, тем не менее, останется больше чем у №4.

Для оценки болометра по совокупности параметров: постоянная времени х и обнаружительная способность D* используют отношение D*hm. Результаты сравнения представлены в виде гистограммы (рис. 5.3с) из которой следует, что по совокупности параметров наилучшие результаты для всех микроболометров получены в режиме РПН. Самый высокий результат у микроболометра №3 в РПН. Несколько хуже результаты для режима АОС, однако, следует обратить внимание, что то время как в режиме РПН постоянная времени в 2-3 раза меньше чем в режиме АОС, ток, протекающий через болометр в 4-6 раз больше. Как уже отмечалось, увеличение тока смещения приводит к росту \lf шума, к тому же, шумовые характеристики болометра при больших токах смещения могут отличаться от предполагаемых. Отметим, что при моделировании реальных схем, во всех режимах необходимо учитывать шумовые свойства предусилителя.

Полученные результаты позволяют сделать вывод, что существуют конфигурации мембранных микроболометров, реализация которых может удовлетворить требованиям, предъявляемым к современным линейным ФПУ по обнаружительной способности и быстродействию. Используя результаты моделирования может бьггь произведен предварительный выбор технологических решений с учётом возможного практического использования модулей ФПУ в фурье-спектрометрах.

Заключение

В диссертационной работе было проведено теоретическое и экспериментальное исследование влияния ЭОС на характеристики ВТСП болометра. Эти исследования позволили впервые провести детальное сравнение нескольких режимов работы болометра: режима с постоянным током, режима с постоянным напряжением и режима активной отрицательной электротепловой обратной связью. В качестве основных полученных результатов можно отметить:

1. В отличие от режима РПТ в режимах РПН и АОС под действием отрицательной ЭОС уменьшаются постоянная времени и чувствительность болометра. При сильной обратной связи во всех режимах эффективная постоянная времени имеет обратную зависимость от квадрата напряжения (или тока) смещения, в то время как чувствительность болометра имеет обратную зависимость от линейной функции напряжения (тока). Эта особенность дает выигрыш при использовании отрицательной ЭОС по совокупности двух параметров: чувствительности и быстродействия. В тоже время в режиме АОС, при увеличении коэффициента усиления К и уменьшении сопротивления обратной связи Rf в отличие от тока смещения, уменьшение постоянной времени и чувствительности болометра происходит в равной степени.

2. В режиме АОС в отличие от пассивных режимов РПТ и РПН при изменении температуры базы в одинаковой степени изменяются ток, протекающий через болометр и напряжение на болометре. Экспериментально было показано, что при увеличении температуры базы рост сопротивления, а, следовательно, и температуры болометра компенсируется за счет уменьшения тока и напряжения на болометре.

3. Для достижения наибольшего действия отрицательной ЭОС в режиме РПН было предложено условие выбора температурного режима и напряжения смещения для болометра, с целью обеспечения наибольшего коэффициента отрицательной электротепловой обратной связи.

4. В режиме АОС, для выбора температуры и сопротивления болометра в рабочей точке предлагается использовать зависимость отношения SJx от сопротивления болометра имеющую максимум. Значение сопротивления в максимуме можно трактовать как наиболее выгодное с точки зрения быстродействия и чувствительности болометра.

5. Теоретически обосновано увеличение максимально допустимой мощности оптической нагрузки под действием отрицательной ЭОС в режимах АОС и РПН, при которой сохраняется линейность преобразования оптической мощности в электрический сигнал, за счет чего обеспечивается рост динамического диапазона болометра. Экспериментально зафиксировано увеличение динамического диапазона с 49,7 Дб, в режиме РПТ до 60 в режиме АОС. Было установлено, что допустимая мощность оптического излучения, при которой сохраняется линейность, равна джоулевой мощности и в режиме АОС не зависит от коэффициента усиления К и сопротивления обратной связи Rf.

6. Отрицательная ЭОС на низких частотах, до частоты отсечки, подавляет все составляющие напряжения, шума болометра, а в режиме АОС также и шум схемы. Изменяя коэффициент обратной связи можно влиять на подавление напряжения шума болометра. При этом, в режиме АОС, изменение тока смещения болометра будет оказывать более сильное влияние на напряжение шума, чем изменение коэффициента К или Rf, если доминирующим будет фононный или джонсоновский шум болометра.

7. Используя схему с низким уровнем собственного шума в режиме АОС было достигнуто максимальное значение обнаружительной способности D*=7,3><109 смГц1/2/Вт, близкое максимальному значению полученному без АОС. При этом на частотах свыше 20 Гц, когда начинает доминировать джонсоновский шум, в схеме с АОС, обнаружительная способность болометра была выше, чем в схеме без АОС приблизительно в 2-3 раза. Это подтверждает теорию, согласно которой уменьшение NEP болометра в режиме АОС происходит только за счет джонсоновской составляющей NEPr. Величина NEPr, согласно результатам расчета, будет обратно пропорциональна величине тока смещения болометра и в отличие от напряжения шума не зависит от коэффициента усиления К и сопротивления обратной связи Rf.

8. Установлено, что отрицательная ЭОС позволяет увеличить температурную стабильность болометра в десятки раз, по сравнению с режимом РПТ. Однако исследования показали, что высокая устойчивость температуры и сопротивления болометра к изменению температуры основания болометра не дает столь же высокой стабильности чувствительности. Тем не менее, в режиме АОС можно повысить температурную стабильность чувствительности болометра. Экспериментально показана возможность увеличения температурного диапазона в режиме АОС, в котором чувствительность изменяется не более чем на 30 %, в 1,5 раза по сравнению с РПТ.

На основании полученных в работе результатов можно рекомендовать, для улучшения временных характеристик и обнаружительной способности ВТСП болометра, использовать режим с отрицательной ЭОС. При этом стремится обеспечить наименьшую теплоемкость болометра С и наибольшее значение температурного коэффициента сопротивления а. В этом случае достигается уменьшение постоянной времени без уменьшения чувствительности. В тоже время большее значение а обеспечивает меньший уровень NEP болометра.

При выборе конструкции болометра надо учитывать, что при сильной отрицательной ЭОС коэффициент теплопотерь G не оказывает прямого влияния не на чувствительность, не на быстродействие болометра, но в тоже время от значения G зависит максимальное напряжения смещения и NEP. Уменьшая G, мы снижаем уровень NEP, но для сохранения сопротивления болометра в рабочей точке необходимо уменьшать напряжения (ток) смещения, что приведет к увеличению постоянной времени.

Представленное в работе сравнение режимов РПН и АОС не позволяет сделать однозначный выбор в пользу одного из них. Не смотря на то, что при моделировании работы многоэлементных приемников для широкополосных модулей ФПУ наиболее эффективным представляется режим РПН, стоит отметить, что в РПН для регистрации электрического сигнала требуется СКВИД, устройство, которое представляет особый научный интерес. К тому же в режиме РПН, как показывают расчеты, для достижения того же коэффициента обратной связи ток смещения должен быть существенно больше чем в АОС. Не смотря на то, что именно за счет тока смещения удается получить наилучшее соотношение между быстродействием и чувствительностью, большие значения тока протекающего через болометр могут привести к неоправданному росту l/f-шума и снизить обнаружительную способность. С другой стороны, в режиме АОС коэффициент обратной связи может быть увеличен за счет коэффициента усиления К и сопротивления обратной связи Rf. И хотя эти параметры цепи в одинаковой степени уменьшают как постоянную времени, так и чувствительность болометра они не приводят к росту 1//~-шума болометра, к тому же их величина, в отличие от тока смещения, может быть изменена в достаточно широком диапазоне.

Выбор режима с отрицательной ЭОС должен рассматриваться в каждом конкретном случае индивидуально, с учетом параметров болометра, в частности, коэффициента теплопотерь, температурного коэффициента сопротивления, параметра Хоге, а также требуемого уровня быстродействия и обнаружительной способности. Для наиболее точного выбора необходимо использовать расчетные модели, предложенные в данной работе. В этом случае будут учтены параметры болометра и определены условия и режим работы, удовлетворяющие требуемым значениям обнаружительной способности и быстродействия.

Благодарность

Автор благодарит всех сотрудников Лаборатории тепловых приемников излучения ВНЦ «ГОИ им. С.И. Василова» в особенности начальника лаборатории Хребтова Игоря Анатольевича и Ткаченко Андрея Дмитриевича за неоценимую поддержку и полезные обсуждения, Степанова Александра Ивановича за внимание и чуткое руководство в процессе написания работы, а также преподавательский состав кафедры ФЭОП Санкт-Петербургского электротехнического университета и в особенности заведующего кафедрой Бузникова Анатолия Алексеевича. v

1. Р. Смит, Ф. Джойс, Р. Чесмер, Обнаружение и измерение инфракрасного излучения. М. Издательство иностранной литературы. 1959.

2. Хребтов И.А. Сверхлроводниковые болометры // Приборы и техника эксперимента 1984. - 4. - С. 5-23.

3. Kreisler A. J. Gaugue A. Recent progress in high-temperature superconductor bolometric detectors: from the mid-infrared to the far-infrared (THz) range. // Supercond. Sci. Technol. 2000. - 13. - P. 1235-1245.

4. B. R. Johnson and P. W. Kruse, Silicon microstructure superconducting microbolometer infrared arrays. // Proc. SPIE. 1993. - 2020. - P.2-11.

5. Khrebtov I.A. Noise properties of high temperature superconducting bolometers. Fluctuation and Noise Letters. 2002. - 2. - P.R51-R70.

6. Mather J. Bolometer noise: nonequilibrium theory // Appl. Opt. 1982. - 21. -P. 1125-1129.

7. Hooge F.N., Kleinpenning T.G. and Vandamme L.K. Experimental studies of 1/f noise. // Rep. Prog. Phys. 1981 - 44 - P.479-532.

8. Kiss L.B. and Svedlindh P., Noise in high Tc superconductors. // IEEE Trans. Electron. Devices. 1994. - 41. - P.2112-2122.

9. Neff H., Laukemper J., Khrebtov I.A., Tkachenko A.D. and et al. Sensitive high-Tc transition edge on a micromachined silicon membrane // Appl. Phys. Lett. 1995. - 66. -P. 2421-2423.

10. Хребтов И.А., Ткаченко А.Д. Высокотемпературные сверхпроводниковые болометры на основе кремниевой мембранной технологии. Оптический журнал. -2004.-71.-С. 22-33.

11. Richards P.L. Bolometers for infrared and millimeter waves // J. Appl. Phys. 1994. -76-P. 1-24.

12. Richards P.L., Clarke J., Leoni R., Lerch Ph., Verghese S., Beasley R., Geballe Т. H et al. Feasibility of the high-Tc superconducting bolometer. // Appl. Phys. Lett. 1989. -54 - P.283-285.

13. Kruse P.W. Physics and applications of high-Tc superconductors for infrared detectors. // Semicond. Science and Technol. 1990. - 5. - P.S229-S240.

14. Хребтов И.А. Сверхпроводниковые инфракрасные и субмиллиметровые приемники излучения. // ОМП. 1991. - 58. - С.З-16.

15. Хребтов И.А. Анализ параметров ВТСП-болометров. // Сверхпроводимость: физика, химия, техника. 1992. - 5 - С.555-563.

16. Robbes D, Langlois P, Bloyet D, Dolabdjian C, Hamet J-F and Мштау H. YBCO microbolometer operating below Tc: a modelization based on critical current-temperature dependence // IEEE Trans. Appl. Supercond. 1993. - 3. - P.2120-2123.

17. Burnus M., Heidenblut Т., Nefle G., Semtchinova O.K. and et al., Reduced temperature processing of YSZ buffer layers for HTSC transition edge bolometer. // IEEE Trans. Appl. Supercon. 1993. - 5. - P.2419-2422.

18. Mechin L., Villegier J.-C., Rolland G., Laugier F. Double Ce02/YSZ buffer layer for the epitaxial growth of YBaCu07-5 film on Si (001) substrate. // Physica C. 1996 -269. -P.124-130.

19. Zhang Z.M. and Frenkel A. Thermal and nonequilibrium responses of superconductors for radiation detectors. // J. Supercond. 1994. - 7. - P.871-884.

20. Clarke J., Hoffer G.I., Ridchards P.L. Superconducting Tunnel Junction Bolometers // Rev. Phys. Appl. 1974. - 9. - P.69.

21. Becker W., Fettig R., Gaymann A., and Ruppel W. Black gold deposit as absorber for far Infrared Radiation. // Phys. Status Solidi B. 1996. - 194. - P.241.

22. Леонов B.H., Хребтов И.А. Антенные тепловые приемники излучения. // ПТЭ. -1993.-4.-С. 11-38.

23. Berkowitz S.J., Hirahara A.S., Char K., Grossman E.N. Low noise high-temperature superconducting bolometers for infrared imaging. // Appl. Phys. Lett. 1996. - Appl. Phys. Lett. - 69. - P.2125.

24. Gildemeister J.M., Lee A.T., Richards P.L. A fully lithographed voltage-biased superconducting spiderweb bolometer // Appl. Phys. Lett. 1999 - 74. - P. 868-870.

25. Lakew В., Brasunas J.C., Pique A., Fettig R., Mott В., Babu S. and Cushman G.M. // Physica C. 2000. - 329. - P.69.

26. Li H., Wang R., Wan F., Ping Y., He G. and Yu M. // IEEE Trans. Appl. Supercond.-1997.-7.-P.2371.

27. Mechin L., Villegier J.C., Bloyet D. Suspended epitaxial YBaCuO microbolometers fabricated by silicon micromachining: Modeling and measurements // J. Appl. Phys. -1997.-81.-P. 7039-7047.

28. Rutledge D.B., Neikirk D.P. and Kasilingam D.P. // Infrared and Millimeter Waves. -1983. 10. - P.l.

29. Мирошников M.M. Теоретические основы оптико-электронных приборов. JI. Издательство "Машиностроение". 1977.

30. Benford D., Chervenak J., Voellmer G., Staguhn J., Shafer R., Stacey G., Irwin K. Thousand-Element Multiplexed Superconducting Bolometer Arrays // Far-IR, sub-mm & MM detector technology workshop Proc. (Monterey CA). 2002. - in press.

31. Turner A.D., Bock J.J., Nguyen H.T., Sethuraman S., Beeman J.W. et aL Si3N4 Micromesh Bolometer Arrays for Submillimeter Astrophysics // Appl. Opt. 2001. -40, P.4921-4932.

32. Johnson B.R., Foote M.C., Marsh M.A., Hunt B.D., Epitaxial YBa2Cu307 superconducting infrared microbolometers on silicon // Proc. SPIE. 1994. - 2267. -P. 24-30.

33. Verghese S., Richards P.L., Sachtjen S.A. and Char K. Sensitive bolometers using high-Tc superconducting thermometer for wavelengths 20-300 pm. // J. Appl. Phys. 1993. -74. -P.4251-4253.

34. Zong Y. and Datla R.U. Development of a Bolometer Detector System for the NIST High Accuracy Infrared Spectrophotometer. // J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol. 1998. - 103. - P.605.

35. Staguhn, J.G., Benford D., Chervenak J., et al. TES Detector Noise Limited Readout Using SQUID Multiplexers. // AIP Conference proceedings #605. Low Temperature Detectors. 2001. - P.321-324.

36. Liu X., Shi В., Liu X., Chu J., Yang D. The fabrication of a 1x8 linear array high T superconductive с infrared detector. // Infrared Physics & Technology. 1999. 40-P. 83-85.

37. Richards P.L. Bolometric detectors for space astrophysics. // International Workshop on Thermal Detectors for space based planetary, solar, and earth science applications Proc. (Washington DC). 2003. - in press.

38. Semenov A.D., Gol'tsman G.N. and Sobolewski R. Hot-electron effect in superconductors and its applications for radiation sensors // Supercond. Sci. Technol. -2002. 15. - P.R1-R16.

39. Schubert J., Semenov A., Gol'tsman G., Hubers H., Schwaab G., Voronov B. and Gershenzon E. // 10th Int. Symp. on Space and Terahertz Technology. Proc. (Charlottesville, VA). 1999. - P. 190.

40. Yagoubov P., Kroug M., Merkel H., Kollberg E., Schubert J. and Hubers H. // 7th Int. Supercond. Electronics Conf. Proc. (Berkeley, CA). 1999. - P.450.

41. Gousev Y.P., Semenov A.D., Pechen E.V., Varlashkin A.V., Nebosis R.S. and Renk K.F. Broad-band coupling of THz radiation to an YBa2Cu307-s hot-electron bolometer mixer // Supercond. Sci. Technol. 1996. - 9. - P.779-787.

42. Lee C.-T., Li C., Deaver B.S.Jr., Lee M., Weikle R.M., Rao R.A. and Eom C.B. Gain bandwidth and noise characteristics of millimeter-wave YBa2Cu307 hot-electron bolometer mixers //Appl. Phys. Lett. 1998. - 73. - P. 1727-1729.

43. Li C.-T., Schoenthal G., Deaver B.S. Jr.,Weikle R.M., Lee M., Rao R.A. and Eom C.B. // 10th Int. Symp. on Space and Terahertz Technology Proc. (Charlottesville, VA). -1999.-P. 168.

44. Irwin K.D., An application of electrothermal feedback for high resolution cryogenic partical detection//Appl. Phys. Lett. 1995 - 66. - P. 1998-2000.

45. Lee A.T., Richards P.L., Nam S.W., Bias Cabrera, Irwin K.D. A superconducting bolometer with strong electrothermal feedback // Appl. Phys. Lett. 1996 - 69. -P. 1801-1803.

46. Lee S-F., Gildemeister J.M., Holmes W., Lee A.T., Richards P.L. Voltage-biased superconducting transition-edge bolometer with strong electrothermal feedback operating at 370 mK. // Appl. Opt. 1998 - 37. - P. 3391-3397.

47. Lee А. Т., Gildemeister J.M., Lee S-F., Richards P. L. Voltage-biased high-Tc superconducting infrared bolometers with strong electrothermal feedback. // IEEE Trans. Appl. Sup. 1997 - 7. - P. 2378-2381.

48. Афонин A.B., Короткое В.П., Хребтов И.А. Коррекция частотных характеристик болометров. Приборы и техника эксперимента. -1979. -1. - С. 154-156.

49. Neff Н., Lima A.M.N., Deep G.S., Freire R.C.S., Melcher E., Khrebtov I.A., Tkachenko A.D. Nonlinearity and electrothermal feedback of high Tc-transition edge bolometers // Appl. Phys. Lett. 2000. - 76. - P. 640-642.

50. Круз П., Макглоулин JI., Макквистан Р. Основы инфракрасной техники М. Издательство "Мир". 1964.

51. Фишер Дж.Э., Гетланд Х.Б. Электроника от теории к практике. М. Издательство "Энергия". 1980.

52. Richards P.L. Bolometers for infrared and millimeter waves // J. Appl. Phys. 1994. -76.-P. 1-24.

53. Ivanov K., Lima A.M., Neff H., Deep G., Khrebtov I., Tkachenko A. Estimation of electrothermal feedback effect on the operation of high-Tc superconducting bolometers of different types. // Physica C. 2002. - 372-376P1. - P.432-435.

54. Хребтов И.А., Ткаченко А.Д., Иванов К.В., Штайнбайс Е., Исследование режима активной электротепловой отрицательной обратной связи для ВТСП болометра // Оптический журнал. 2001 - 68. - С. 63-67.

55. Van Oudheusden В. W. Effect of operating conditions on the dynamic response of thermal sensors with and without analog feedback // Sensors and Actuators A58. 1997 - P. 129-135.

56. К.В. Иванов, И.А. Хребтов, А.Д. Ткаченко. Расчетное и экспериментальное моделирование работы высокотемпературного сверхпроводникового болометра с активной электротепловой обратной связью. // Письма в ЖТФ. 2004. - 30.1. С.57-62.

57. Bruijn M.P., Hoevers H.F.C., Mels W.A., Herder den J.W., Korte de P.A.J. Options for an imaging array of micro-calorimeters for X-ray astronomy. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 444. 2000. - P.260-264.

58. Irwin K.D. Hilton G.C. Wollman D.A. and Martinis J.M. X-ray detection using a superconducting transition-edge sensor microcalOrimeter with electrothermal feedback. // Appl. Phys. Lett. 1996. - 69. - P. 1945-1947.