Криогенный болометр

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛИКГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР)АНИЕ ИЗОБРАВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(72) Панкратов НА Куликов ЮВ ляров 8 Г.,.г 40 45 50 55 Предлагаемое изббретение относится к технике регистрации и измерения инфракрасного излучения, а конкретно к глубокоохлаждаемым полупроводниковым болометрам, Оно может быть использовано в спектроскопии, в исследованиях по физике твердого тела, физике плазмы, процессов энергоабмена в молекулярных пучках, в астрономических и других исследованиях в инфракрасной области спектра.Известен болометр, содержащий полупроводниковый термочувствительный элемент,Недостатком этого болометра является невысокая чувствительность.Наиболее близким техническим решением является криогенный болометр, содержащий полупроводниковый чувствительный элемент,Работа этих болометров основана на прыжковой проводимости в материал термочувствительного элемента, Необходимым условием ее проявления является наличие в материале компенсирующей примеси при определенной концентрации основной, В германиевых болометрах концентрация основной примеси обычно составляет 1-5 10 см и выбирается в соответствии с требуемым интервалом рабочих температур. Чувствительность болометра прямо пропорциональна температурному коэффициенту сопротивления а материала термочувствительного элемента, который в случае проявления одного механизма проводимости пропорционален энергии активации Ею где 1 - постоянная Больцмана;Т - абсолютная температура,Энергия активации прыжковой проводимости в германии, используемом для построения болометров, не превосходит 1,2 10эВ, а в кремнии 5,5 10эВ, Таким образом, германиевые болометры, работающие на прыжковой проводимости при Т4.2 К, имеют 1 а0,8 К, а кремниевые - 1 а 3,6 К,При решении определенных задач чувствительность таких болометров стаи овитсд недостаточной.Цель изобретения - увеличение чувствительности болометра.Указанная цель достигается тем, что в криогенном болометре, содержащем полупроводниковый термочувствительный элемент, термочувствительный элемент вы 5 10 20 25 30 35 полнен из материала, имеющего при оабочей температуре примесную проводимость, Чувствительный материал может быть выполнен иэ германия, легированного элементами третьей и пятой групп, при этом концентрация легируюаей примеси составляет 3 10 см- 3 10 см,На фиг,1 изображен описываемый криогенный болометр; на фиг.2 - экспериментальные кривые температурной зависимости удельного сопротивления образцов германия, легированного гелием с различной концентрацией примесей; на фиг.3 - зависимость температурной коэффициента сопротивления болометра от температуры,Криогенный болотомер содержит полупроводниковый термочувствительный элемент 1, к его контактным площадкам 2 присоединены металлические проволоки 3, обеспечивающие нужную тепловую связь термочувствительного элемента с деталями теплового фильтра 4 и электрический контакт с электронной частью прибора. Для улучшения поглощения чувствительный элемент покрыт чернью 5. Тепловой фильтр имеет непосредственный тепловой контакт с гелиевым резервуаром криостатэ.При поглощении инфракрасной радиации термочувствительный элемент нагревается на ЬТ и его сопротивление изменяется на Ьй - а В ЬТ. что регистрируется электронной схемой,Отклик болометра на изменение его температуры пропорционален а, Температурный коэффициент определяют по форму- ле где о - удельное сопротивление,На фиг.2 приведены экспериментальные зависимости удельного сопротивления в логарифмическом масштабе от обратной температуры образцов германия, легированного галием и компенсированного сурьмой. Концентрация примесей ээтих материалов увеличивается от 3 10 см до 4 10 см . При наиболее низких темпера-Зтурах все образцы обнаруживают прыжковую проводимость (участки показаны штрихпунктирными линиями), с повышением температуры наблюдаются переходные области от прыжковой проводимости к примесной (штриховые линии) и далее наступает примесная проводимость (сплошные линии), С уменьшением концентрации переходные области сужаются, сопротивление при одной и той же температуре возрастает,а примесная проводимость проявляется до более низких температур.На участках проявления одного механизма Р= А ехр (Еа/аТ). где А - постоянная, энергию активации определяют по наклону 5 .зависимости логарифма удельного сопротивления от обратной температуры, Температурный коэффициент сопротивления в этом случае10а= ЕЗ к ТЭнергия активации прыкковой проводимости образцов, температурные зависимости р которых показаны на фиг.2, составляет 1,1-1,2 10 эВ, а примесной 1.0-1,4 10 2 эВ.На фиг,3 показана температурная за 20 висимость а болометра из германия, легированного галлием. Участки, соответствующие прыжковой проводимости, переходной области и примесной проводимости показаны линиями, что и на фиг.2. График показывает, что и на фиг.2. График показывает, что а, соответствующий примесной проводимости, при Т - 6,6 К в 5,4 раза превосходит а, соответствующий прыжковой проводимости при 4,2 К, и в 1,9 раза а при Т - 6,5 К материаловф ор мул а изобретения1. КРИОГЕННЫЙ БОЛОМЕТР, содер жащий полупроводниковый термочувствительный элемент, отличающийся тем, что. с целью увеличения чувствительности, термочувствительный элемент выполнен из материала, имеющего при рабочей темпе ратуре примесную пооволимость. известных болометров с наибольшей энергией активации прыжковой проводимости.При уровне фона 1,5 10 Вт нецелесо образно выбирать температуру базы боло- метра ниже 4,2 К и более того оптимальная температура болометра в этом случае 5 - 8 К.Наиболее оптимальные концентрации легирющих примесей при этом составляют 3 10 см з - 3 10016 см з.Предложенный болометр, рассчитанный на уровень фона 1.5 10 Вт, при теп.4ловой связи чувствительного элемента с базой 4,8 10 Вт К и оптимальной температуре 6,7 К на частоте 12,5 Гц имеет вольтваттную чувствительность 4 9 10 В Вт 1, в два и более раз превосходящую вольт-ваттную чувствительность всех известных глубокоохлаждаемых полупроводниковых болометров, работающих на прыжковой проводимости при тех же условиях. Это позволяет при существующих токовых шумах в болометрах реализовать теоретический предел пороговой чувствительности, определяемый в названной задаче флуктуациями фона.(56) Марков М,Н. Приемники инфракрасного излучения, М.: Наука., 1968, с.118-121.Панкратов Н,А, и Коротков В П Полупроводниковые глубокоохлаждаемые болометры, Оптико-механическая промышленность, 1974, % 2, с,47 - 63,2. Болометр по п,1, отличающийся тем,что термочувствительный элемент выполнен из германия, легированного элементами третьей и пятой групп,3. Болометр по п.2, отличающийся тем, что концентрация легирующей примеси составляет 3 10 см - до 3 10 см15 -3 1 в -э888670 Составител ьРедактор М.Кузнецова Техред М.Моргентал Корре ско Тираж ЯПО "По ПодписноеРоспатентаауаская наб., 4/5 Заказ 32 130 Москва, Жроизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 10