Главная Коллекция "Revolution" Физика и энергетика Чувствительность фотоприёмных устройств на основе примесных германия и кремния в низкофоновом режиме работы

Чувствительность фотоприёмных устройств на основе примесных германия и кремния в низкофоновом режиме работы

Анализ стенда для тестирования инфракрасных фотоприёмных устройств в условиях ограничения фоновой облученности фоточувствительныхх элементов. Конструктивные особенности криооптической части стенда. Тепловой режим точечного источника излучения и фона.

Рубрика Физика и энергетика
Вид статья
Язык русский
Дата добавления 07.12.2018
Размер файла 2,4 M
рефераты на заказ со скидкой

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Государственный оптический институт им. С.И.Вавилова

Санкт-Петербург, тел.(812)328-13-70; e-mail: l_oleinikov33@ mail.ru

Чувствительность фотоприёмных устройств на основе примесных германия и кремния в низкофоновом режиме работы

Д.А. Боровков, Д.Н.Борисов, Ю.А Горемыкин

Л.Ш.Олейников, Самков В.М., Г.Н.Фомин

Представлен стенд для тестирования инфракрасных фотоприёмных устройств в условиях ограничения фоновой облученности фоточувствительныхх элементов. Тестирование указанных инфракрасных ФПУ в принятом для эксперимента низкофоновом режиме работы показало, что их обнаружительная способность увеличилась на два порядка величины по сравнению с той, что была при комнатной температуре фона.

Исследования путей повышения чувствительности оптико-информационных средств (ОИС) в ИК диапазоне спектра показывают, что наиболее эффективными мерами в этом являются разработки оптико-электронных систем с низким уровнем внутриприборного фона. Это достигается охлаждением всех элементов оптического канала, лежащих в поле зрения фоточувствительных элементов ФПУ. В зависимости от направления обзора и типа ФПУ эта чувствительность, как показывают расчеты, может увеличиваться до 4-х порядков величины при визировании объектов на фоне космического неба и до двух порядков при зондировании диска Земли по сравнению с ОИС на основе неохлаждаемой оптики [1, 2]. Например, применительно к фотоприемникам на основе КРТ по данным экспериментальных исследований в Санта Барбаре (США) [3] установлено, что при охлаждении оптики до 60К и фоточувствительных элементов до 40 К обнаружительная способность ФПУ с длиной волны 8 -11 мкм может увеличиться на два порядка величины.

В настоящей работе представлены результаты тестирования фотоэнергетических характеристик двух образцов ФПУ - на основе примесного германия и примесного кремния - в условиях низкого уровня фоновой облучённости фоточувствительных элементов, а также разработанное для этой цели в ГОИ им С.И.Вавилова экспериментальное оборудование - низкофоновый криооптический стенд ТС-215 - и особенности его функциональных систем. Обращено внимание на методы монтажа и охлаждения испытуемого ФПУ при его тестировании, которые связаны с различными аспектами его устройства и установки в камере стенда. Конструктивная схема высоковакуумной криооптической части стенда с перечнем функциональных систем показана на рисунке 1.

Конструктивные особенности криооптической части стенда приведены в таблице 1.

фотоприемный фоновый облученность инфракрасный

Таблица 1.

Источник излучения объекта

модель АЧТ,

Блок диафрагм, мм

0,05; 0,1 и 0,4, 1,0

Блок нейтральных фильтров с ослаблением, в раза

0,2; 0,3; 0,5; 0,8

Коллиматор: диаметр главного зеркала, мм

фокусное расстояние, мм

150

3000

Объектив: диаметр главного зеркала, мм

фокусное расстояние, мм

100

500

Двуккоординатный предметный стол с возможностью перемещения ФПУ в вакууме с точностью 0,05 мкм в пределах, мм

± 20

Рис. 1. Констркутивно-функциональная схема криооптической части стенда ТС - 215.

Физические условия испытаний

- термодинамическая температура оптики

- ( 30 240)К;

- температура АЧТ

- (100 373)К;

- температура источника фона

- (100 330)К;

- температура охлаждения ФЧЭ ФПУ

- ( 8 100)К;

- температура внутреннего и наружного экранов, соответственно, (80200)К и (200250) К в зависимости от режима охлаждения оптики;

- давление в вакуумной полости (10-210 -5) мм рт. ст.;

Тепловой режим источника фона и точечного источника излучения вариируется по их температуре и поддерживается автоматически с точностью не хуже 0,05К. Система двухканального управления тепловым режимом работает на основе высокоточных источников электропитания фирмы Agilent Technologies;

- температура источников излучения и оптики отслеживается на мониторе;

- температура оптики устанавливается ниже предельной температуры источника фона на (3050)К.

Криооптическая часть стенда выполнена на модульной основе, что упрощает доступ к сложным криовакуумным узлам АЧТ , криоколлиматора, блоку поворотных зеркал, узлу формирующего объектива, камере ФПУ с управляемым источником фона, подвижным предметным столом для ФПУ и их регламентное обслуживание и освидетельствование. Отдельные модули могут быть использованы по другому назначению. Например, криоколлиматор с блоком АЧТ может быть средством для тестирования отдельной криооптической ОИС и др.

В связи с разнообразием конструктивных решений ФПУ (рисунки 2а и 2 б) в стенде предусмотрены два типа охладителя (рис. 1). Первый из них (пассивный) - на основе унифицированного зонда со сменными стержневыми теплопроводами из высокочистой меди от ФПУ через контакт с тыльной стороны подложки к теплообменному устройству автономного охладителя. Второй тип зонда (активный )выполнен в виде сифона (см. схему на рисунке 3).

а) б)

в)

Рис. 2. Монтаж макетов ФПУ на основе примесного кремния, а)примесного германия б), на установочном диске стола в)

Управление уровнем температуры охлаждения ФЧЭ осуществляется изменением расхода криоагента в контуре при помощи испарителя жидкости в криостате (поз. 5). По такому же принципу работает система охлаждения источника фона (рис. 3).

Рис. 3. Схема криообеспечения испытуемого ФПУ при температуре (6580)К 1 - подложка ФЧЭ; 2 - камера зонда с жидким N2; 3 - жидкостной трубопровод; 4 - трубопровод для паровой фазы; 5 - накопитель криоагента; 6 - вакуумный насос; 7 - моновакууметр

Система криообеспечения стенда ТС 215 выполнена на основе подвода криоагента от внешнего источника по схеме параллельного - последовательного распределения потоков к контурам охлаждения модулей стенда, в частности, к контурам коллиматора, узла поворотных зеркал, приемного объектива, камеры для ФПУ и непосредственно самого ФПУ. В своем большинстве охлаждаемые фоточувствительные элементы ФПУ, независимо от того корпусной или безкорпусной у них криостат, удерживаются на конце гильзы, куда вводится активный или пассивный охлаждающий элемент. Монтаж ФПУ в камере показан на рис. 2в.

В качестве рабочего криоагента в стенде использованы жидкий азот для охлаждения оптико-механической системы коллиматора и формирующего объектива и .жидкий гелий для охлажения ФЧЭ и излучателя фона.

Измерения энергетических характеристик проводились после выхода на режим в зоне полной стабилизации температур.

В таблицах 2 и 3 представлены результаты тестирования, соответственно, макетов ФПУ из примесного германия (производства ОАО, «ГОИ им. С.И.Вавилова», С-Петербург) и примесного кремния (производства НИИ «Пульсар», Москва) в низкофоновом режиме работы. Представленные в этих таблицах данные - это выписки из протоколов тестирования.

Изменение отношения шум/сигнал для ФЧЭ на основе GeHg при различном уровне фоновой облученности ФЧЭ

Таблица 2.

ТАЧТ, К

Тфон, К

ТФЧЭ, К

Ткол, К

Тоб, К

Сигн, В

Шум, В

Ш/Сигн/4

Режим 1)

293

293

35

80

80

2,7 ·10-1

3,0 · 10-3

2,7·10-3

Режим 2)

293

293

35

80

80

2,7 ·10-1

3,0 · 10-3

2,7·10-3

250

2,7 ·10-1

1,5 · 10-3

1,4·10-3

210

2,7 ·10-1

1,0 · 10-3

9,3·10-4

170

2,7 ·10-1

1,0 · 10-3

9,3·10-4

Режим 3)

293

130

30

80

80

2,7 ·10-1

1,2 · 10-4

1,1·10-4

90

25

2,7 ·10-1

9,0 · 10-6

8,3·10-6

Отношение шум/сигнал в макете ФПУ на основе SiGa при заданном низком уровне фоновой облученности ФЧЭ

Таблица 3.

ТАЧТ, К

Тфон, К

ТФЧЭ, К

Ткол, К

Тобъектив, К

Сигн, В

Шум, В

Ш/Сигн/4

Режим 1)

293

68

20

80

80

7,2·10-1

4·10-6

1,4·10-5

Здесь: ТАЧТ - температура АЧТ; Т фон - температура фонового излучателя; Т ФЧЭ - температура фоточувчтвительных элементов; Ткол - температура коллиматора; Тобект. - температура объектива; Сигн - сигнал от АЧТ; Шум - общий шум от фотоэлемента, включая фон; Ш/Сигн/4 - отношение величины шума к четверти значения сигнала.

При низких значениях фоновых засветок ФЧЭ на основе GeHg и SiGa показывали величину обнаружительной способности Dя, равной, соответственно, 5,3·1012 см Гц1/2 / Вт и 9,5·1012 см Гц1/2 /Вт в то время, как при комнатном уровне фона значение Dя у обоих типах ФЧЭ находилось в пределах (24) · 1010 см Гц1/2 / Вт. [4].

Экспериментально показано, что для принятых условий ограничения фоновой облученности указанных ФЧЭ их чувствительность увеличивается на два порядка по сравнению с той, что была бы при комнатной температуре фона.

Литература

1 Останин В.И. Теоретическая оценка возможнсти обнаружения объектов в космосе по излучению в диапазоне 8-13 мкм. ВОТ, серия X, 1973, вып.61.

2 Глазунов В.Д., Маркин В.А., Олейников Л.Ш. Устройство для исследования ИК приборов при низком уровне радиационного фона // Оптический журнал. 1995. -№7. -С.36-39 .

3 Рекламный просрект:. Santa Barbara Reseach Center. Detektor Division Subvisory.

4 ГоссоргЖ. Инфракрасная термография. Основы, техника, применение: пер. с франц. - М.:Мир,1988-416с.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.

© 2000 — 2023, ООО «Олбест» Все права защищены