Спосіб виявлення інфрачервоного випромінювання

Реферат: Спосіб виявлення інфрачервоного (ІЧ) випромінювання включає прийом та перетворення за допомогою фотоприймача (ФП) ІЧ-випромінювання в електричний сигнал у вигляді суміші корисного сигналу та шуму. Як ФП використовується гетероперехідна структура у складі широкозонного та вузькозонного шарів, що підключається за спеціальною схемою, за допомогою якої проводиться розділення струмів у шарах гетеропереходу, визначення опорного значення струму, відповідного фоновому, та виявлення ІЧ-випромінювання у випадку реєстрації вимірювального сигналу, що менше фонового. UA 106203 U (54) СПОСІБ ВИЯВЛЕННЯ ІНФРАЧЕРВОНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ UA 106203 U UA 106203 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до оптичних способів вимірювання і може бути використана для виявлення слабких сигналів інфрачервоного (ІЧ) випромінювання за допомогою неохолоджуваного фотоприймача (ФП), що актуально для галузі індикаторних сенсорів. Досягнутий в даній області рівень техніки відображений в наступних публікаціях. Відомий метод вимірювання випромінювання субміліметрового діапазону за допомогою неохолоджуваного приймача у складі плівки Cd xHg1-xTe як чутливий елемент, монокристалічної напівпровідникової підкладки із струмовими контактами, схеми зміщення та антени, розташованої на додатковій підкладці з малими діелектричними втратами [патент України № 106366, G01J 1/42, 5/20, опубл. 26.08.2014]. Дія приймача заснована на підсиленні антеною вимірюваного випромінювання, розігріві електронів чутливого елемента та збільшенні струму, що протікає через нього. Недоліком методу є зв'язок розмірів конструктивних елементів з довжиною хвилі випромінювання, із зменшенням якої, зокрема в ІЧ-області спектра, розміри важко погоджувати. Відомий спосіб вимірювання ІЧ-випромінювання за допомогою неохолоджуваного ФП, який складається із монокристалічної Si-підкладки та епітаксійної плівки вузькозонного Cd xHg1-xTe [патент України № 40000, H01L 31/00, G01J 5/00, публ. 25.03.2009]. Принцип вимірювання ІЧвипромінювання заснований на його поглинанні в епітаксійній плівці і виникненні, внаслідок цього, на межі між плівкою та підкладинкою п'єзоелектричного ефекту, який генерує ЕРС у плівці. Недоліком цього способу є надзвичайна чутливість п'єзоелектричного ефекту до температури, із збільшенням якої на 10 °C напруга п'єзоефекту знижується на чверть, а при температурі ~50 °C п'єзоефект зникає. Найближчий з відомих, взятий за прототип є спосіб виявлення ІЧ-випромінювання, що включає прийом та перетворення, за допомогою ФП, ІЧ-випромінювання в електричний сигнал у вигляді корисного сигналу і маскуючого шуму [патент України № 95584, G01J 1/10, публ. 10.08.2011]. Фільтрацію корисного сигналу здійснюють частотним методом шляхом широкосмугової та вузькосмугової фільтрації у сполученні з амплітудною селекцією суміші сигналу і шуму. Таким способом здійснюється реєстрація рівня ІЧ-випромінювання, значно меншого рівня шуму. Недоліком способу є необхідність механічної модуляції ІЧ-випромінювання, що ускладнює його практичне використання, та застосування ФП з власними шумами коливальної природи, що виключає урахування шумів з постійною амплітудою. Задача, на рішення якої спрямована запропонована корисна модель, є створення методу виявлення ІЧ-випромінювання з використанням спеціальної схеми включення гетероперехідного ФП, яка дозволяє уникнути впливу теплового фонового шуму. Поставлена задача вирішується методом виявлення ІЧ-випромінювання, який включає прийом та перетворення, за допомогою ФП, ІЧ-випромінювання в електричний сигнал у вигляді суміші корисного сигналу та шуму, і відрізняється тим, що як ФП використовується гетероперехідна структура у складі широкозонного та вузькозонного шарів, що підключається за спеціальною схемою, за допомогою якої проводиться розділення струмів у шарах гетеропереходу, визначення опорного значення струму, відповідного фоновому, та виявлення ІЧ-випромінювання у випадку реєстрації вимірювального сигналу, що менше фонового. Загальними ознаками прототипу і запропонованого методу виявлення ІЧ-випромінювання є наступні: прототип і запропонований метод містять ФП для прийому випромінювання та перетворення його в електричний сигнал у вигляді корисного сигналу і маскуючого шуму. Відмінними ознаками запропонованого методу виявлення ІЧ-випромінювання від прототипу є те, що фільтрацію корисного сигналу здійснюють шляхом порівняння його амплітуди з опорним значенням фотоструму, відповідного тепловому фоновому, і реєстрації корисного сигналу, меншого ніж фоновий. На фіг. 1 представлені структура та конструкція фотоприймальної структури. На фіг. 2. зображена схема включення фотоприймальної структури. На фіг. 3. надана еквівалентна схема гетероперехідної структури. На фіг. 4. представлений графік залежностей струму I 1. На фіг. 5 показана спектральна характеристика гетеропереходу p(Pb1-xSnxSe)-n(CdSe) при кімнатній температурі. Здійснюється метод наступним чином. Виявлення ІЧ-випромінювання проводиться за допомогою ФП з гетероперехідною структурою, наведеною на фіг. 1. На фіг. 1:1 - діелектрична підкладинка, 2 - вузькозонний шар, 3 - широкозонний шар, 4 омічні контакти. 1 UA 106203 U 5 10 15 20 Фотоприймальна структура виконана за схемою "оптичне вікно - поглинач". Роль оптичного вікна виконує верхній широкозонний шар 3, розташований з боку освітлення, а поглиначем є нижній вузькозонний шар 2, який має власну провідність в ІЧ-області спектра. Омічні контакти 4 забезпечують вимірювання електричних параметрів як окремих шарів ФП, так і переходу між ними. А саме, поздовжнє підключення до шарів забезпечують парні омічні контакти до кожного з них, а поперечне підключення до переходу здійснюється між контактними парами. Фотоприймальна структура включається у мостову схему, представлену на фіг. 2. На фіг. 2: ФП - фотоприймач, Ε - джерело живлення, Rн - опір навантаження, Rк керувальний опір. У відповідності зі схемою включення на один із контактів верхнього шару подається напруга живлення Ε від затискача (+) джерела живлення, а другий контакт підключений до опору навантаження Rн. Контакти нижнього шару закорочені та підключені до керувального опору Rк. При цьому Rн та Rк підключаються до затискача (-) джерела живлення. Принцип роботи гетероперехідного ФП у даній схемі включення пояснюється за допомогою еквівалентної схеми, наведеної на фіг. 3, з урахуванням його розподілених параметрів та елементів схеми. На фіг. 3 R nв - повздовжній опір верхнього шару гетеропереходу, R nn - поперечний опір гетеропереходу поблизу позитивного та негативного електродів джерела живлення Е, І1, І2, І3 контурні струми. Схема утримує три незалежних контури, в яких замикаються контурні струми І1, І2 та І3. Для такої схеми система лінійних рівнянь має вид [Иванов А. А. Справочник по электротехнике. - К.: Вища школа, 1979. - 360 с.] Е11=І1R11+I2R12+I3R13, Е22=І1R21+I2R22+I3R23, Е33=І1R31+I2R32+I3R33 25 (1) де Еii - контурна ерс в i-ому контурі, Rii - власний опір i-ого контуру, Еij - загальний опір сусідніх i-ого та j-ого контурів. Рішення системи для струму І1, що протікає через Rн у загальній гілці 1-го та 3-го контурів, виражається як I1   3  1 ,  (2) 30 де  - головний визначник системи,  1 и  3 - визначники 1-го та 3-го контурів відповідно. Головний та контурні визначники системи рівнянь типу (1) обчислюються за правилом Саррюса [Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. - Μ.: Наука, 1986. - 544 с.] і мають вид 35 A=R11R22R33+R12R23R31+R13R21R32-R31R22R13-R32R23R11-R33R21R12, (3) Δ1=E11R22R33+R12R23E33+R13E22R32-E33R22R13-R32R23E11-R33E22R12 (4) Δ3=R11R22E33+R12E22R31+E11R21R32-R31R22E11-R32E22R11-E33R21R12, (5) У відповідності з фіг. 3 опори та ерс контурів визначаються наступним чином (таблиця). 40 Таблиця R11=Rк+Rн+Rnn R22=Rпов+2Rnn R33=Rн+Rnв R12=R21=-Rnn R13=R31=-Rн R23=R32=-Rnв E11=E22=0 E33=E Визначники (3-5) системи у позначеннях таблиці записуються як Δ=Rк(2RнRnn+RнRnв+2RnвRnn)+Rnn(RнRnn+RnвRnn+RnвRн), Δ1=E(RnnRnв+RnвRн+2RnnRн), (7) 2 (6) UA 106203 U 2 Δ3=E(RкRnв+2RкRnn+RнRnв+2RнRnn+RnnRnв+Rnn ), (8) Підставляючи (6-8) у рівняння (2), одержуємо вираз для розрахунку струму І1 5 I1  E 10 (9) Із рівняння (9) видно, що зміна величини I1 відбувається при поглинанні випромінювання у верхньому або нижньому шарі гетеропереходу, що супроводжується зменшенням опорів R nв и Rnn, а також регулюється Rк. Рівняння (9) уявляє собою залежність I1R к  , яка є дробово-лінійною функцією виду, f x   15 R к 2R нR nn  R нR nв 2 R к R nв  2R nn   R nn ,  2R nвR nn   R nn R нR nn  R nвR nn  R nвR н  ax  b , cx  d (10) де а, b, с, d числові коефіцієнти. Якщо дискримінант такої функції D=ad-bc більше 0, то вона монотонно зростає. Із рівняння (10) залежності I1 від змін опору верхнього шару Rnв та власне гетеропереходу Rnn при поглинанні випромінювання мають наступний вигляд   I1 R nв   E 25 (11) I1 R nn   E 20 2 R nвR к  2R к R nn  R nn , 2 2 R nв R к R н  2R к R nn  R nn  R nnR н  2R к R нR nn  R нR nn 2 R nn  2R к R nn  R к R nв , 2 R nn R н  R nв   R nn 2R к R н  2R к R nв  R nвR н   R к R нR nв (12)  2 2 с  R к R н  2R к R nn  R nn  R nnR н , d  2R к R нR nn  R нR nn  R nвR н . За умовою нескоротності функції аd≠bс, вона перетворюється у дріб виду [Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. - Μ.: Наука, 1986. - 544 с.] a bc  ad ,  c c x  d c  (13) Із (13) видно, що величина функції зростає із зменшенням х. Графіком дробово-лінійної функції є гіпербола, яка за умови D=ad-cb