DETEKTORJI INFRARDEČEGA SEVANJA Vabljeno predavanje, SD-89, Maribor Borut B. Lavrenčič KLJUČNE BESEDE; infrardeče sevanje, infrardeči detektorji, infrardeči senzorji, parametri POVZETEK. Opisani so detektorji infrardečega sevanja, njihove značilnosti, klasifikacija in parametri. DETECTORS OF INFRARED RADIATION KEYWORDS; Infrared Radiation, Infrared Detectors, infrared Sensors, Parameters ABSTRACT. A review of the detectors for the infrared radiation is given along with their properties, classification and parameters. 1.UVOD Infrardeča tehnika je vrsta visoke tehnologije, ki sodi v področje optoelektronike. Le-taje tista vrsta tehnike, kjer optične signale spreminjamo v električne in obratno, kjer na optične lastnosti snovi ali pa širjenje žarkov lahko vplivamo z električnimi signali. Infrardeča tehnika je tehnika svetlobnih žarkov valovnih dolžin med 1 in približno 20 mikrometri. Infrardeča tehnika, skupaj z detektorji infrardečega sevanja, se je razvila med drugo svetovno vojno za vojaške namene in je taka ostala še vrsto let po vojni^'^. Zato so bile informacije o metodah in rezultatih na moč skromne. Pred kakimi 15 leti pa je zaradi hitrega napredka v spoznavanju elektronskih materialov izbruhnila množična uporaba v civilne namene. V te tehnološke trende se je vljučil tudi Institut Jožef Stefan v Odseku za fiziko kondenzirane snovi z razvojem piroelektričnega detektorja infrardeče svetlobe. V tem prispevku bomo lahko pregledali samo nekaj osnovnih značilnosti detektorjev infrardeče svetlobe (DIS). Opis tehnologije izdelave DIS pa je izven konteksta tega pregleda. 2. ZNAČILNOSTI DETEKTORJEV INFRARDEČE SVETLOBE DIS pretvarjajo vpadli optični energijski fluks (valovno območje cca 1 do 20 mikrometrov) v električen signal. Detektorje lahko klasificiramo na razne načine: * po mehanizmu delovanja (prava ali intrinzična foto-prevodnost, fotoprevodnost zaradi dopantov, Schottkyjeva zapora v sistemu kovina-polprevod-nik, termalni detektorji (bolometri, termočleni, piro- elektriki); najnovejši pa so detektorji s kvantno jamo^ in superprevodni keramični bolometri),'* * po osnovnem materialu iz katerega so narejeni (n.pr. Si, PbS, InGaAs, InAs, InSb, Hgi-xCdxTe, Ge:Hg, Pt-Si, piroelektriki itd.), * glede na območje valovnih dolžin, kjer so najbolj občutljivi (1-2|im, 3-5iJ,m, 6-14pim, enaka občutljivost za vse valovne dolžine), * glede na geometrijske značilnosti (posamezni detektorji, eno- in dvodimenzionalni nizi), * glede na pogoje delovanja (hlajeni in nehlajeni detektorji, zunanji ali vgrajeni predojačevalci, tip ohišja ipd.). 3. PARAMETRI DIS Za opis DIS uporabljamo vrsto parametrov, ki nam ka-rakterizirajo občutljivost, razmerje signal/šum in podobno^To so napetostni odziv, NEP in D*. Osnovna merilna oprema je razvidna iz SI. 1. Izvor sevanja je črno telo s tipično temperaturo 500 K. Le poredko se uporabljajo tudi drugi izvori, n.pr. laserji z valovno dolžino 0,63 |j,m ali pa 10,6 )j,m. Izvor sevanja moduliramo z chopperjem na želeno frekvenco. Signal iz DIS detektorja vodimo prek predojačevalnika in ojačevalnika na spektralni analizator, ki nam izmeri koren spektralne gostote napetostnega signala Sv (enota Volt^/Hz) pri frekvenci chopperja. DIS sedaj prekrijemo z blendo in z isto merilno napravo izmerimo koren napetostne gostote šuma Sn (prav tako pri frekvenci chopperja). Za pravilno merjenje mora biti signal mnogo večji od šuma. Z generatorjem znanega napetostnega signala umerimo skupni ojačevalni faktor v predoja-čevalniku in ojačevalniku. Imenujmo ga G. Iz teorije črnega telesa in iz znane geometrije lahko izračunamo koren spektralne gostote svetlobne moči, s katero črno telo osvetjuje merjeni DIS. Imenujmo ga P (enota W/Hz"^). Chopper seveda ne pripravi sinusoidalne komponente sevanja črnega telesa, vendar se to da upoštevati z računom^. 4. TERMALNI IN FOTONSKI DIS Mehanizma delovanja termalnih in fotonskih DIS se bistveno razlikujeta.® V tem prispevku bomo opisali samo takoimenovano nekoherentno detekcijo. Slika 1: Shema eksperimentalne naprave za merjenje osnovnih parametrov DiS. (1) je črno telo, ki seva (2) skozi chopper (3) na testni detektor (5) in, ki je po potrebi zakrit z blendo (4). Prek predojačevainika (5) in ojačevalnika (6) vodimo signal v sp&ktrsini bnblizstor (7), kt jg sinhronizirsn (8) s chopperjem. Napetostni odziv Rv je definiran kot Rv = Sv^^2/G/P (1) Rv (enota Volt/Watt) je funkcija frekvence in za njegov izračun moramo poznati ojačevalni faktor detektorskega sistema G. Razmerje signala in šuma (SNR) dobimo kot SNR = Svi/2' ^ni/2. Šumu v DIS se seveda ne moremo izogniti. Običajno jih lahko klasificiramo po mehanizmu nastajanja, n.pr. Johnsonov ali Schottkyjev šum. K šumu v DIS prištevamo še šum v predojačevalniku (napetostni in tokovni šum). Nadaljni, izredno pomemben parameter za vsak DIS je NEP (noise equivalent power). To je tista najmanjša moč na detektorju, ko je SNR prav enak 1. NEP je tisti parameter, ki najpogosteje nastopa v ocenah delovanja infrardečih sistemov. NEP je definiran kot: NEP = P/SNR (2) Parameter NEP (enota ni odvisen od ojačeval- nega faktorja sistema G, kot merilo za kvaliteto DIS pa ima dve slabi lastnosti. Želeli bi tak parameter, ki bi bil čim večji pri čim boljšem DIS. Pri enakih DIS je NEP odvisen tudi od površine. Zaradi tega se je uveljavil dodatni parameter D', definiran kot: kjer je A površina detektorja v cm^. d' (enota cm Hz^'^ / W) je v večini primerov res samo slaba funkcija površine detektorja A in je odvisna le od frekvence. Parameter D* je za razne detektorje kot funkcija valovne dolžine prikazan na SI.2. Pri nizih detektorjev nastopajo še dodatni parametri kot so prisluh, modulacijska transfer funkcija itd. Pri termalnem detektorju se absorbirana energija manifestira v spremembi temperature detektorja, dT. Ta sprememba temperature povzroči nastanek napetosti na detektorju, ki je sorazmerna dT (bolometri in fototer-močleni) ali pa dT/dt (piroelektriki). Zato njihovo delovanje in parametri (n.pr. NEP) niso odvisni od valovne dolžine svetlobe, ki jo hočejo zaznati. Piroelektrični termalni DIS so se izredno uveljavili v najrazličnejših aplikacijah zaradi nizke cene detektorja in zaradi uporabnosti pri sobni temperaturi. Njihovo delovanje in tehnologijo smo izčrpno opisali na prejšnih SD konferencah. ' Fundamentale omejitve termalnih detektorjev so v naravnih f luktuacijah temperature izvora In samega detektorja. V praksi so se termalni DIS približali tej omejitvi za red velikosti v D*. Fotonski DIS pa delujejo na osnovi fotoefekta v raznih polprevodnikih. Prehodi elektronov so lahko iz valenčnega v prevodni pas (intrinzični DIS) ali pa prehodi iz valenčnega pasu na pas nečistoč, ki se nahaja v energijski reži osnovnega materiala. Zaradi tega opazimo v krivulji Rv kot funkcijo valovne dolžine značilno mejno valovno dolžino (SI.3), ki omejuje področje delovanja. Izjema je sistem Hgi-x-CdxTe, ki mu s sestavo x lahko spreminjamo energijsko režo. Fotonska detekcija pa ima to dobro lastnost, da samostojno omeji signal pri nekaterih, običajno nezaželenih valovnih dolžinah. Izbira ustreznega foton-skega DIS je pomembna, ker v zraku obstajajo 3 glavna "okna prepustnosti" (SI. 2), v katerem lahko izvor infrardečega sevanja zaznamo na velike razdalje^Fo-tonske DIS je potrebno v splošnem hladiti. V območju 1 2 3 4 5 6 7 VALOVNA 8 9 10 n 12 13 14 DOLŽINA Slika 2: Kompozitni prikaz detektivnosti raznih fotonskih in termalnih D IS, sevanja črnih teles i/ Wcm'^ sr^ in infrardeče transmisije atmosfere. (1) PbS, (2) InSb, (3) Ge:Au, (4) HgCdTe, (5) piroelektrik, (6) bolometer, (7) termočlen 6-14 mikrometrov so le malo bolj občutljivi kot termalni DIS, pri manjših valovnih dolžinah pa jih znatno prekašajo. Njihova glavna prednost ma je v hitrosti odziva na spremenjiv infrardeči fluks. Če so tipične časovne konstante pri termalnih DIS desetinke sekunde, so pri fotonskih DIS v mikrosekundah. Zato fotonski DIS ustrezajo tudi za koherentno ali heterodinsko detekcijo^, kjer damentalni limit detekcije pri fotonskih DIS je v fluk-tuacijah signala in ozadja, ki ga DIS opazuje^' 5. RAZVOJ DIS PRI NAS Ta pregled v SD konferenci ne bi bil dovolj informativen, Slika 3: Napetostni odziv za termalne (1) in fotonske (2) DIS lahko dosežemo nekaj redov velikosti manjši NEP, kot pri nekoherentni detekciji. Za koherentno detekcijo pa potrebujemo infrardeči laser kot lokalni oscilator. Fun- če ne bi zapisali, kje v Jugoslaviji opravljajo raziskave DIS. Poleg že omenjenih piroelektričnih termalnih DIS, ki so bili razviti na IJS, teče razvoj; * Si in Ge detektorjev na FER v Ljubljani in v IHTM v Beogradu, * PbSvEiNIšu, * Hgi-xCdxTe v lEVT v Ljubljani in v IHTM. LITERATURA (1) W.LWolfe and G.J.Zissis, The Infrared Handbook, The office of Naval Research 1986, ISBN 0-9603590-1-X, (2) R.D.Hudson,Jr.,Infrared System Engineering, Wiley-lnter-science, New York 1969. (3) Quantum Well nad Superlattice Physics, Proc. SPIE, Newport Beach, USA, 17-18 March 1988. (4) P.L.Richards et al.. The high Tc superconducting bolometer, IEEE Trans. Magn. 25, 1335 (1989). (5) R.H.Kingston, Detection of Optical and Infrared Radiation, Springer Verlag, Heidelberg 1978, ISBN 0-387-08617-X. (6) B.B.Lavrenčič, J.Polanec, A.Kandušerin P.Cevc, Piroelektrični Detektor Infrardečega sevanja, Simpozij o elektronskih sestavnih delih - SD 85, Ljubljana 1985, str. 179. (7) P.Cevc, A.Kandušer, J.Polanec in B.B.Lavrenčič, Tehnogija piroelektričnih detektorjev z J-FETom v čip obliki, Simpozij o elektronskih sestavnih delih - 88, Nova Gorica 1988, str. 155. dr. Borut B. Lavrenčič, dipl.ing. Laboratorij za infrardečo tehnil