Монолітний інтегральний приймач випромінювання міліметрового та субміліметрового діапазонів спектра

Реферат: Винахід належить до фізики та техніки міліметрового та субміліметрового діапазонів електромагнітного спектра і може бути використаний при виготовленні багатоелементних приймачів випромінювання. Монолітний інтегральний приймач випромінювання міліметрового та субміліметрового діапазонів містить МДН транзистор-приймач випромінювання, з'єднаний з підсилювачем, антену міліметрового або субміліметрового діапазонів спектра, яка з'єднана з затвором МДН транзистора-приймача та джерело постійної напруги, з'єднане з затвором транзистора-приймача випромінювання. При цьому підсилювач є зарядочутливим, між МДН транзистором-приймачем та підсилювачем додатково введено інтегруючий транзистор, виток якого з'єднано зі стоком МДН транзистора-приймача. Додатково введена накопичувальна ємність, одна з обкладинок якої з'єднана зі стоком інтегруючого транзистора та витоком додаткового транзистора вибірки, а інша - з загальним контактом. Стік транзистора вибірки з'єднаний з входом зарядочутливого підсилювача. Додатково введено джерело постійної напруги, яке з'єднано з затвором інтегруючого транзистора. Додатково введено джерело імпульсної напруги, яке з'єднано з затвором транзистора вибірки. Також приймач містить додаткову антену міліметрового або субміліметрового діапазонів спектра, яка з'єднана з витоком або стоком МДН транзистора-приймача випромінювання. В основу винаходу поставлена задача підвищення швидкодії приймача випромінювання міліметрового та субміліметрового діапазонів спектра, реалізація більш зручного керування шириною смуги UA 105678 C2 (12) UA 105678 C2 пропускання сигналу, та зменшення впливу додаткових сигналів, що збільшує вольт-ватну чутливість. UA 105678 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до фізики та техніки міліметрового та субміліметрового діапазонів електромагнітного спектра, а саме до проблеми реєстрації випромінювання в цих діапазонах і може бути використаний при виготовленні як охолоджувальних так і неохолоджувальних багатоелементних (лінійчатих або матричних) приймачів випромінювання. Однією із важливих задач, що стоїть перед створювачами приймачів випромінювання міліметрового та субміліметрового діапазонів, є підвищення чутливості, швидкодії, зниження еквівалентної шуму потужності випромінювання, розширення робочого діапазону частот. Особливо великі труднощі виникають при створенні приймачів субміліметрового діапазону, тому що, як правило, пристрої, які працюють на принципі НВЧ у міліметровому діапазоні, у субміліметровому діапазоні втрачають свої якості, а, з іншого боку, використання оптичних методів ускладнюється внаслідок малої енергії квантів випромінювання субміліметрового діапазону та інших причин. Одним із шляхів вирішення проблеми приймачів субміліметрового випромінювання є створення нових напівпровідникових матеріалів і структур, а також досконале вивчення ефектів, що спостерігаються у них. Одним із відомих типів приймачів випромінювання, у зазначеному діапазоні, є точковоконтактні кристалічні діоди. Найбільш відомими приймачами цього типу є діоди з бар'єром Шотткі [1, 2], що одержуються шляхом притиснення металевого контакту до поверхні напівпровідника або шляхом осаджування металу на поверхню напівпровідника. Ці приймачі можуть бути як неохолоджуваними, так і охолоджуваними до кріогенних температур. Недоліком цих приймачів є досить висока неоднорідність параметрів, що заважає використовувати їх як багатоелементні приймачі випромінювання [3]. Крім того, діоди з бар'єром Шотткі, виготовляють не за звичайною кремнієвою інтегральною технологією, а за технологією таких напівпровідникових матеріалів як, наприклад, арсенід галію (GaAs), що значно збільшує вартість, а в деяких випадках унеможливлює виготовлення складних інтегральних схем з багатоелементними приймачами [3]. Іншими відомими приймачами випромінювання є піроелектричні приймачі [4], у яких під впливом теплового нагріву випромінюванням виникає поляризація кристала, яка пропорційна зміні його температури. Піроелектричні приймачі мають ряд переваг, головна із яких полягає у великій широкосмужності. Вони є не охолоджуваними приймачами випромінювання і спроможні працювати від довгохвильової частини НВЧ до видимої ділянки спектра. Однак, у цих приймачів мала швидкодія. Як приймач випромінювання міліметрового та субміліметрового діапазонів також може бути використаний неохолоджуваний МДН (метал-діелектрик-напівпровідник) транзистор-приймач випромінювання [5]. МДН транзистори-приймачі без підсилення мають відносно невисоку вольтватну чутливість до міліметрового та субміліметрового випромінювання. Найбільш близьким до технічного рішення, що пропонується, та прийнятому за прототип є неохолоджуваний приймач випромінювання на основі МДН транзистора-приймача випромінювання з диференціальним підсилювачем напруги [6]. В такому приймачі дипольна антена для міліметрового або субміліметрового діапазону спектра у вигляді незамкнутого кола підключена до затворів МДН транзисторів-приймачів, стоки яких об'єднані через узгоджуючі опори та підключені до прямого входу диференціального підсилювача, а витоки об'єднані та підключені до інвертуючого входу диференціального підсилювача. Постійна напруга на затвори МДН транзисторів подається через антену. Витоки МДН транзисторів утворюють "віртуальну землю" для сигналів міліметрового та субміліметрового діапазонів спектра. Напруга між витоком та стоком ds(t) змінюється одночасно з напругою між затвором та витоком ds(t) та змінює опір каналу продовж періоду хвилі міліметрового чи субміліметрового діапазону спектра. Тим самим генерується постійна складова напруги, яка пропорційна потужності випромінювання, що реєструється. За допомогою двох чверть-хвильових ліній передачі сигнал подається на диференціальний підсилювач напруги, розташований на кристалі. За рахунок підсилення приймач має високу вольт-ватну чутливість до міліметрового та субміліметрового випромінювання. Недоліком такого інтегрального приймача є те, що він працює в режимі підсилення наведеної випромінюванням напруги в якому внутрішній опір транзистора є великим і обмежує швидкодію пристрою. Крім того, незручно керувати смугою реєстрації сигналів тому, що ширина смуги пропускання диференційного підсилювача є або сталою величиною, або потребує складних схемотехнічних рішень для її керування, що призводить до зменшення динамічного діапазону приймача. Також недоліком такої схеми є те, що транзистор-приймач випромінювання працює за відсутності зміщення між стоком та витоком транзистора, що призводить до виникнення додаткового "паразитного" сигналу, який частково компенсує (зменшує) основний сигнал і, як наслідок, зменшує вольт-ватну чутливість. 1 UA 105678 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 В основу винаходу поставлена задача підвищення швидкодії приймача випромінювання міліметрового та субміліметрового діапазонів спектра, реалізація більш зручного керування шириною смуги пропускання сигналу, та зменшення впливу додаткових сигналів, що збільшує вольт-ватну чутливість. Рішення поставленої задачі досягається тим, що монолітний інтегральний приймач випромінювання міліметрового та субміліметрового діапазонів електромагнітного спектра, який включає в себе МДН (метал-діелектрик-напівпровідник) транзистор-приймач випромінювання, з'єднаний з підсилювачем, антену міліметрового або субміліметрового діапазонів спектра, яка з'єднана з затвором МДН транзистора-приймача, джерело постійної напруги, з'єднане з затвором транзистора-приймача випромінювання і відрізняється тим, що підсилювач зарядочутливий, між МДН транзистором-приймачем та підсилювачем додатково введено інтегруючий транзистор, виток якого з'єднано зі стоком МДН транзистора - приймача, додатково введена накопичувальна ємність, одна з обкладинок якої з'єднана зі стоком інтегруючого транзистора та витоком додаткового транзистора вибірки, а інша - з загальним контактом, стік транзистора вибірки з'єднаний з входом зарядочутливого підсилювача, додатково введено джерело постійної напруги, яке з'єднано з затвором інтегруючого транзистора, додатково введено джерело імпульсної напруги, яке з'єднано з затвором транзистора вибірки. Приймач також відрізняється тим, що пристрій містить додаткову антену міліметрового або субміліметрового діапазонів спектра, яка з'єднана з витоком або стоком МДН транзистораприймача випромінювання. Для підвищення швидкодії пристрою в винаході, що пропонується, МДН транзистор-приймач працює в режимі реєстрації струму (фотоструму), оскільки між стоком МДН транзистораприймача та накопичувальній ємності є різниця потенціалів, яка призводить до виникнення фотоструму. В режимі "фотострум" внутрішній опір R транзистора (типове значення R1=(0,1-1) кОм) значно менший, ніж в режимі наведеної випромінюванням напруги (типове значення -1 RV=(0,1-1) МОм). Тому частота модуляції fM випромінювання (fM=(2RCL) , CL - ємність навантаження), яка визначає швидкодію приймача випромінювання, буде в RV/R1 разів більша. Крім того, більш зручне керування шириною смуги пропускання сигналу в винаході, що пропонується, здійснюється завдяки використанню інтегруючого транзистора Тiнт, накопичувальної ємності CS, та транзистора вибірки Твиб (Фіг. 1, 2, 3). Верхня границя ширини смуги пропускання fB визначається з виразу: fB=1/(2н), де н - час накопичення заряду. Час накопичення заряду т„ керується за допомогою тривалості імпульсної напруги, яка подається на затвор транзистора вибірки Твиб (фіг. 3). Транзистор-приймач випромінювання працює при напрузі зміщення між стоком та витоком МДН транзистора-приймача, що призводить до зменшення впливу додаткового "паразитного" сигналу і збільшенню вольт-ватної чутливості. При підключенні до витоку або стоку МДН транзистора-приймача ще однієї антени (Фіг. 2), збільшується наведена міліметровим або субміліметровим випромінюванням різниця потенціалів між витоком (або стоком) та затвором МДН транзистора-приймача, що призводить до збільшення вольт-ватної чутливості. Конструкцію, що запропоновано, можна використовувати в багатоелементних лінійчатих або матричних приймачах випромінювання міліметрового та субміліметрового діапазонів спектра. Вони можуть бути як охолоджувальними так і неохолоджувальними. Суть винаходу пояснюється кресленням (Фіг. 3), на якому приведено схему запропонованого пристрою. Пристрій працює таким чином. Чутливим до випромінювання є МДН транзистор-приймач Тдет (Фіг. 3), до затвора (антена А1) та витоку або стоку (антена А2) якого підключені виготовлені за інтегральною технологією антени міліметрового або субміліметрового діапазонів спектра. Робочу точку транзистора Тдет задає джерело напруги Uзм1. Постійний струм, який протікає між витоком та стоком МДН транзистора, змінюється в залежності від інтенсивності випромінювання. Цей струм розряджає ємність накопичення CS. Час накопичення заряда (який визначає ширину смуги пропускання сигналу) залежить від розміру ємності та величини струму і задається тривалістю імпульсу Uімпульс, від імпульсного джерела напруги, який відкриває транзистор вибірки Твиб. Напругу зміщення на стоці МДН транзистора-приймача випромінювання задає інтегруючий транзистор Т інт за допомогою джерела постійної напруги 2 Uзм2 (Фіг. 3). Розрахунки показують, що при розмірах приймача випромінювання близько 1 мм , величина ємності СS може складати 1 пФ, а час накопичення - біля 1 мс. Після закінчення накопичення на затвор транзистора Т виб. подається імпульс вибірки, який підключає ємність накопичення до входу зарядочутливого підсилювача, який зчитує заряд з накопичувальної ємності, одночасно заряджаючи її, та виконує перетворення заряд-напруга для подальшої 2 UA 105678 C2 5 10 15 20 25 30 35 реєстрації. Після цього монолітний інтегральний приймач випромінювання розпочинає наступний цикл вимірювань. Така організація приймачів випромінювання міліметрового або субміліметрового діапазону спектра дозволяє об'єднати їх у лінійки чи матриці та отримати зображення у реальному масштабі часу. Література: 1. V.G. Bozhkov, "Semiconductor detectors, mixers, and frequency multipliers for the terahertz band," Radiophys. Quant. Electr. 46, 631-656 (2003). 2. Siegel P.H. Terahertz Technology. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 50, # 3, p. 910-928 (2002). 3. A. Rogalski, and F. Sizov, Terahertz detectors and focal plane arrays, Optoelectr. Rev., 19, #3, p. 1-59, (2011). 4. A. Rogalski, Infrared detectors. CRC Press, Taylor and Francis, USA (2010). 5. W. Knap, M. Dyakonov, D. Coquillat, F. Teppe, N. Dyakonova, J. Lusakowski, K. Karpierz, M. Sakowicz, G. Valusis, D. Seliuta, I. Kasalynas, A. El Fatimy, Y.M. Meziani, and T. Otsuji, "Field effect transistors for terahertz detection: Physics and First Imaging Applications", J Infrared Milli Terahz Waves, 30, 1319-1337(2009). 6. E. Ojefors, P.H. Bolivar, H.G. Roskos, U. Pfeifer, Monolith і cally integrated antenna and receiver circuit for the detection of terahertz waves. Patent US 2011/0001173A1. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Монолітний інтегральний приймач випромінювання міліметрового та субміліметрового діапазонів електромагнітного спектра, який містить метал-діелектрик-напівпровідниковий (МДН) транзистор-приймач випромінювання, підсилювач, антену міліметрового або субміліметрового діапазонів спектра, яка з'єднана з затвором МДН транзистора-приймача, перше джерело постійної напруги, з'єднане з затвором транзистора-приймача випромінювання, який відрізняється тим, що додатково містить накопичувальну ємність, транзистор вибірки, інтегруючий транзистор, друге джерело постійної напруги та джерело імпульсної напруги, підсилювач використано зарядочутливий, між МДН транзистором-приймачем та підсилювачем введено інтегруючий транзистор, виток якого з'єднано зі стоком МДН транзистора-приймача, одна з обкладинок накопичувальної ємності з'єднана зі стоком інтегруючого транзистора та витоком транзистора вибірки, а інша - з загальним контактом, стік транзистора вибірки з'єднаний з входом зарядочутливого підсилювача, друге джерело постійної напруги з'єднано з затвором інтегруючого транзистора, а джерело імпульсної напруги, з'єднано з затвором транзистора вибірки. 2. Приймач за п. 1, який відрізняється тим, що пристрій додатково містить другу антену міліметрового або субміліметрового діапазонів спектра, яка з'єднана з витоком або стоком МДН транзистора-приймача випромінювання. 3 UA 105678 C2 Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4