Длинноволновые ИК-фотоприемники на основе твердых...

Длинноволновые ИК-Длинноволновые ИК-фотоприемники фотоприемники

на основе твердых растворов Hgна основе твердых растворов Hg1-1-

xxCdCdxxTeTe

Румянцев В.В.

План семинараПлан семинара

1. ТГц диапазон2. Характеристики приемников

3. Обзор приемников ТГц-диапазона4. КРТ-приемники

ТГц диапазонТГц диапазон

Терагерцовое излучение:безвредно для человека менее подвержено рассеянию, чем ИК и видимое соответствует частотам вращательных и колебательных переходов многих молекул

Следовательно, может применяться в: системах безопасности при медицинской диагностике для экологического мониторинга контроля качества медикаментов и продуктов питания высокоскоростной связи

««Figures of meritFigures of merit»»

Спектр чувствительности

Быстродействие

Рабочая температура

200 300 400 500 6000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

Си

гнал

ФП

, отн

.ед

.

Частота, см-1

110330 T = 4.2K

««Figures of meritFigures of merit»»

««Figures of meritFigures of merit»»

тепловой

дробовойШум

««Figures of meritFigures of merit»»

Types of infrared detectorsTypes of infrared detectors

Приемники ТГц диапазонаПриемники ТГц диапазона

Direct

Heterodine

Uncooled detectorsUncooled detectors

Photoconductive antenna sensorPhotoconductive antenna sensor

Зонная структура Зонная структура CdTe CdTe и и HgTeHgTe

Зависимость ширины запрещенной Зависимость ширины запрещенной зоны твердого раствора от хзоны твердого раствора от х

A .RogalskiHgCdTe infrared detector material: history, status and outlookRep. Prog. Phys. 68, 2267 (2005)

На пути кНа пути к VLWIR VLWIR

100 200 300 400 500 6000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1103304.2 K 77 K

4.2 K 77 K

P

C s

ign

al,

a.u

.

Frequency, cm-1

110429

Фотовозбуждение ТГц-излучениемФотовозбуждение ТГц-излучением ““фемтосекунднойфемтосекундной”” длительности длительности

Спектр излучения, полученного оптическим выпрямлением излучения на кристалле ZnTe

Временное разрешение методики – 1 нс.

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

Сиг

нал

ФП

, отн

. ед

.

MCT101007

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

MCT110429

Сиг

нал

ФП

, отн

. ед

.

Модуль контролядлины волны

Лазер накачки

10.9 17.3 мкм0.3-0.07 мДж

Оптическийизолятор Фарадея

Параметрическийгенератор KTP OPO

Переключательзеркал

M3M1

1.064 мкм

/2 /2

ЯчейкаФарадея П2

П1

TD1 M4

M5M6ПО

M8

M7

KTP

/2D2

Параметрическийгенератор ZGP

OPO

Генераторразностной частоты

D3M10

M9

M11

Фильтрующийэлемент

ZG

P1

ZG

P2

M12

M13

Переключателькристаллов

Компенсатор

ДР

ДРM14

CdSe

Подвижнаяплатформа

Поляризационныйфильтр

M15

LiNbO3

Ф

S i

2

РЧ

SFG

1

2 1S

1

M2

1.064 мкм

2.05 мкм

2.3 мкм

2,6 ? 9,63 мкм2.4-0.4 мДж

1,94 ? 2,36 мкм28-41 мДж

Узкополосное (5 см-1), перестраиваемое в диапазоне 11 – 17 мкм излучение.

Временное разрешение методики ~ 5 нс

Лазерный комплекс SOLAR OPO

Фотовозбуждение ИК-излучениемФотовозбуждение ИК-излучением наносекундной длительности наносекундной длительности

100 200 300 400 500 6000,0

0,5

1,0

1,5

2,0

Си

гн

ал

Ф

П, о

тн

.ед

.

Частота, см-1

17 m

Времена релаксации ФПВремена релаксации ФП

20 22 24 26 28 30 320,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

#101007 Т = 4.2 КС

игн

ал Ф

П, о

тн. е

д

Время, нс

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Си

гнал

ФП

, отн

. ед

Время, нс

#110330 Т = 4.2 К

0 5 10 15 20 25 300,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Си

гнал

ФП

, отн

. ед

Время, нс

#110429 Т = 4.2 К

0 50 100 150 200 250 300 350 4000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

#545-4 Т = 4.2 К

Си

гнал

ФП

, отн

. ед

Время, нс

100 200 300 400 500 600 700 800 9000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

#450-1 Т = 4.2 К#548-4 Т = 4.2 К

Си

гнал

ФП

, отн

. ед

Время, нс

-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 450,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Си

гнал

ФП

, отн

. ед

Время, нс

Зависимость времен от красной Зависимость времен от красной границы ФПграницы ФП

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

0

100

200

300

400

500

600

700

#101007

#110429

#445-2

#450-1

#545-4

#110330

#548-4

Tim

e, n

s

Cut-off freq, cm-1

От гелия к азоту (образец 110330) От гелия к азоту (образец 110330)

0 200 400 600 800 10000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0 #110330 Т = 4.2 К

#110330 Т = 77 К

PC

sig

na

l, a

.u.

Time, ns

Оценка чувствительностиОценка чувствительности

]/)[/(/2

WAlle

l

UePIS d

bI

Для образца 110330 при Т = 77 К размером l = 0.5 см,

толщиной d = 5 мкм, n = 3.7*1014 см-3, μ = 1.9*105 см2/В*с, τ = 0.4 мкс, λс =19 мкм

SI = 5 A/W

Найквистовские шумы малы, для дробового шума

NEP = In/SI ~ 6*10-12 W*Hz-1/2

Ампер-ваттная чувствительность (при 100% квантовой эффективности):

]*[10*3)()( 2/1112/12/1 HzAfdneeUfeII bn

За кадромЗа кадром

Механизмы релаксации◦Шокли-Рид-Холл◦Оже◦Излучательная