Неохлаждаемые матричные датчики терагерцового диапазона

Образовательный семинар аспирантов и студентов
Неохлаждаемые матричные датчики
терагерцового диапазона
Королёв Сергей
Сможем ли мы увидеть мир
полностью?
λ
λ
λ
λ
λ
Системы видения
датчик
изображения
источник
пассивные
и
активные
Радиотелескоп
Камера терагерцового диапазона
Тепловизор
Чувствительный элемент фотоаппарата
Камера рентгеновского диапазона
Гамма-камера
Терагерцовый диапазон, его
особенности
Микроволновый
диапазон
Оптический
диапазон
Волноводы
Линзы, призмы,
зеркала и др.
Радиотехнические
методы
L=1m
P=760mm Hg
RH=40%
Оптические
методы
Максимальное
поглощение:
f8THz
L=10cm
T<1%
Основные методы получения
изображения в системах видения
терагерцового диапазона
1. Метод растрового сканирования,
2. Метод двумерного изображения в фокальной
плоскости,
3. Метод сканирования телецентрическим лучом,
4. Времяпролётный метод,
5. Метод синтетической апертуры,
6. Интерференционный метод.
Метод двумерного изображения в
фокальной плоскости
Объектив
Матричный датчик
Объект
P
S
Матричные датчики
1.Датчик на основе электрооптического
кристалла,
2.Датчик на основе матрицы
микроболометров,
3.Датчик на основе матрицы полевых
транзисторов,
4.Датчик на основе матрицы биполярных
транзисторов.
Датчик на основе электрооптического
кристалла
Ячейка Поккельса
Δn  F
Датчик на основе матрицы
микроболометров
Принцип действия теплового детектора
Θ  Pω
Болометр
Температурный коэффициент
сопротивления:
α
 dR
R dT
Датчик на основе матрицы
микроболометров (2)
f=2.52THz
Датчик на основе матрицы полевых
транзисторов
Технология на основе комплементарных структур
металл-оксид-полупроводник (КМОП)
Кремниевая технология построения электронных схем.
N-МОП
P-МОП
Основное назначение – логические схемы (процессор) и схемы памяти (ОЗУ).
- Высокая скорость переключения;
- Малое энергопотребление.
Детектирование на транзисторе в терагерцовом
диапазоне
антенна
МШУ
Дальнейшая
обработка
сигнала
tпр
Максимальная частота усиления транзистора: f   ГГц
Квадратичное детектирование
γ
e
Для ν=1TГц hν=4.1мэВ
Ec
1)
2)
Ev
Для T=300К kBT=25.9мэВ
Квадратичное детектирование (случай низких частот)
Квадратичное детектирование (случай высоких частот)
Чувствительность квадратичного детектирования
Vds  I ds  Rds
I ds  VRF  VRF
Pin  VRF  I RF
Pin  VRF  I RF
Детектирование на кремниевом транзисторе
Тип транзистора: n-type MOSFETs (Metal-OxideSemiconductor Field-Effect Transistors);
Затвор: n+ polySi, толщина=120nm, ширина=10m,
длина=30-800nm;
Подзатворный диэлектрик: SiO2, толщина=1.2nm.
f=120GHz, T=300K
800nm
600nm
Датчик на полевых транзисторах, изготовленный по
технологии КМОП
Микрополосковая антенна
Микрофотоснимок матричного датчика
f=645GHz
T=300K
Различные объекты в бумажном конверте
Микрополосковая антенна
Микрополосковая антенна в датчике на полевых
транзисторах
45 ГГц
Видеокамера с размером матрицы 32x32 элемента на
диапазон частот 0.7-1.1 ТГц
5x5x3cm3
Датчик на основе матрицы
биполярных транзисторов
Bipolar Transistor and Complementary Metal-OxideSemiconductor Silicon-Germanium Technology (BiCMOS
SiGe)
Биполярные транзисторы – для аналоговых частей схемы
КМОП-транзисторы – для логических частей схемы
Матричный датчик терагерцового диапазона на основе
технологии BiCMOS SiGe
Биполярный транзистор с гетеропереходом
CBE ~ фФ  τ BE ~ пс
f=650GHz
T=300K
Заключение
Спасибо за внимание!