Длинноволновые ИК-фотоприемники наоснове твердых

Длинноволновые ИКфотоприемники
на основе твердых растворов
Hg1-xCdxTe
Румянцев В.В.
ТГц диапазон
2. Характеристики приемников
3. Обзор приемников ТГц-диапазона
4. КРТ-приемники
1.
План семинара
ТГц 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 merit»

Спектр чувствительности
1,2
110330 T = 4.2K
Сигнал ФП, отн.ед.
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
200

Быстродействие

Рабочая температура
300
400
Частота, см-1
500
600
«Figures of merit»
«Figures of merit»
тепловой
Шум
дробовой
«Figures of merit»
Types of infrared detectors
Приемники ТГц диапазона
Direct
Heterodine
Uncooled detectors
Photoconductive antenna sensor
Зонная структура CdTe и HgTe
Зависимость ширины запрещенной
зоны твердого раствора от х
A .Rogalski
HgCdTe infrared detector material: history, status and outlook
Rep. Prog. Phys. 68, 2267 (2005)
На пути к VLWIR
1,2
1,0
PC signal, a.u.
0,8
4.2 K
110429
77 K
0,6
4.2 K 110330
77 K
0,4
0,2
0,0
100
200
300
400
-1
Frequency, cm
500
600
Фотовозбуждение ТГц-излучением
“фемтосекундной” длительности
Временное разрешение методики – 1 нс.
Спектр излучения, полученного оптическим
выпрямлением излучения на кристалле ZnTe
1,5
1,4
1,3
MCT101007
Сигнал ФП, отн. ед.
1,2
20
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
10
1,5
1,4
1,3
1,2
1,1
5
0
0
1
2
Frequency, THz
3
Сигнал ФП, отн. ед.
I, a.u.
15
1,1
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
MCT110429
Фотовозбуждение ИК-излучением
наносекундной длительности
Лазерный комплекс SOLAR OPO
M1
1,0
0,5
0,0
100
200
M2
l/2 П1
400
500
Частота, см-1
600
П2
D1
l/2
KTP
Оптический
изолятор Фарадея
ПО
M4
M7
T
D2
l /2
2.3 мкм
M5
M6
2.05 мкм
Параметрический
генератор ZGP
OPO
M8
l2 l1
l S li
1,94 ? 2,36 мкм
28-41 мДж
l2 l1
Поляризационный
фильтр
ДР
Компенсатор
Переключатель
зеркал
M11
Временное
D3
M10
2,6 ? 9,63 мкм
Фильтрующий
разрешение
M9
элемент
2.4-0.4 мДж
M13
методики
~ 5 нс
M12
Параметрический
генератор KTP OPO
1.064 мкм
Ячейка
Фарадея
300
ZGP2
1.064 мкм
Узкополосное (5 см-1),
перестраиваемое в
диапазоне
11 – 17 мкм
Переключатель
M3
кристаллов
излучение.
17 m
1,5
ZGP1
Лазер накачки
Сигнал ФП, отн.ед.
2,0
10.9 17.3 мкм
0.3-0.07 мДж
l РЧ
CdSe
M14
ДР
Генератор
разностной частоты
Подвижная
платформа
lS
l1
LiNbO3
M15
Ф
l SFG
Модуль контроля
длины волны
Времена релаксации ФП
#101007 Т = 4.2 К
0,8
0,6
0,4
0,2
1,0
Сигнал ФП, отн. ед
Сигнал ФП, отн. ед
1,0
#110429 Т = 4.2 К
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
0,0
20
22
24
26
28
30
32
0
5
10
15 нс
Время,
Время, нс
#110330 Т = 4.2 К
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
30
1000
#545-4 Т = 4.2 К
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
0
Время, нс
50
100
150
200
250
300
350
400
Время, нс
1,0
#548-4 Т = 4.2 К
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
Сигнал ФП, отн. ед
1,0
Сигнал ФП, отн. ед
25
1,0
Сигнал ФП, отн. ед
Сигнал ФП, отн. ед
1,0
20
0,6
0,4
0,2
0,0
100
200
300
400
500
Время, нс
600
700
800
900
#450-1 Т = 4.2 К
0,8
-5
0
5
10
15
20
Время, нс
25
30
35
40
45
Зависимость времен от красной
границы ФП
700
#548-4
600
500
Time, ns
400
300
#110330
200
#545-4
100
#450-1
#110429
0
#101007
0
50
#445-2
100
150
200
250
Cut-off freq, cm
300
-1
350
400
450
От гелия к азоту (образец 110330)
#110330 Т = 4.2 К
PC signal, a.u.
1,0
#110330 Т = 77 К
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
0
200
400
600
Time, ns
800
1000
Оценка чувствительности
Ампер-ваттная чувствительность (при 100% квантовой
эффективности):
e U b
e
SI  I / P 

(ld / l )[ A / W ]
2
 l

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
I n  (eIf )1/ 2  (eU b nedf )1/ 2  3 *10 11[ A * Hz 1/ 2 ]
NEP = In/SI ~ 6*10-12 W*Hz-1/2

Механизмы релаксации
◦ Шокли-Рид-Холл
◦ Оже
◦ Излучательная
За кадром