PDF《高Tc 超导探测器的进展与应用前景 3》

3 中国科学院基金资助项目

1998 -

09 -

21 收到初稿 ,1998 -

11 -

02 修回 知识和进展 高Tc 超导探测器的进展与应用前景3 刘心田(中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家实验室 上海 200083) 摘要描述了高 Tc 超导体检测红外辐射的机理和高 Tc 超导红外探测器的技术水平 ,介绍了亚微 米结构器件、

4 *

4 元面阵以及 HBCCO 超导体的研究结果 ,最后简要讨论了这一技术的应用前景.

关键词 高Tc 超导体 ,红外探测器 ,超导器件 HIGH Tc SUPERCONDUCTING INFRARED DETERTORS Liu Xintian ( National L aboratory f or IR Physics , Shanghai Institute of Technical Physics , The Chinese Academy of Sciences , Shanghai 200083) Abstract The mechanism of infrared radiation detection using high Tc superconductors and the state - of - the - art of such detectors are described. Research by the autor on submicron structure devices ,4 *

4 element arrays and the HBCCO superconductor is reported also. Application prospects are briefly discussed. Key words high Tc superconductor ,infrared detector ,superconducting device

1 引言 目前 ,高Tc 超导红外探测器研究成为超 导电子学中的重要内容之一 ,这是因为高 Tc 超导探测器的研制水平已达到实用阶段 ,并且 成为光电探测技术发展的一个新方向[1 ―

4 ] . 与 传统的半导体探测器比较 ,高Tc 超导探测器 在大于

20 μm 的长波探测中将成为优良的接收 器件 ,填补了电磁波谱中远红外至毫米波段的 空白. 此外 ,它还具有高集成密度、 低功率、 高成 品率、 低价格的优点. 预计这一技术将在天文探 测、 光谱研究、 远红外激光接收和军事光学等领 域有广泛应用[5 ―

7 ] .

2 探测机理 用超导体检测红外辐射 ,早在

50 年代就开 始[8 ] 了 ,但由于

20 K 以下深低温的工作条件而 一直停滞不前. 高Tc 超导材料的问世 ,使这一 技术领域得以新生. 探测机理有如下

9 种:(1) 电阻与温度关系机制. 它是利用超导体 从正常态转变到超导态时 ,电阻随温度变化而 急剧改变的特性来检测红外辐射的. 现有的高 Tc 辐射热计 (bolometer) 就是依据这个原理研 制的. Richards 等的探测率理论值 D

3 理≈1189 *

1010 cm・ Hz1/

2 ・ W - 1[9 ] . (2) 电感与温度关系机制. 它是根据超导膜 处在 Tc 探测率下 ,其动态电感随温度变化而 急剧改变这一原理而制成探测器的[10 ] . 在Tc 下工作 ,可消除 bolometer 的热噪声 ,非常精确 地测定动态电感 L K 引起的频率变化 ,具有制 作简单、 灵敏度高的特点. ・

0 6

2 ・ 物理 (3) 磁化率与温度关系机制. 当红外辐射照 射在超导敏感元上并引起温度上升时 ,其磁化 率也迅速变化 ,它有如 "磁场快门" ,是一种抗磁 机制的改变或者交流磁化率的变化来实现对入 射辐 射检测的,已试制出最小可探测功率NEP1) ~10 -

11 W・ Hz - 1/

2 的探测器[11 ,12 ] . 这种 探测机制不涉及电流输运 ,不需要电学连续性 , 这对探测器在低温下工作、 室温下读取信号的 设计非常有利. 1) NEP 定义为入射辐射功率所产生的信号电压等于器件本 身的噪声电压时的入射功率 (4) 光助隧道效应 (photon - assisted tun2 neling effect) .

1962 年,Josephson 在理论上预 言 :若两个超导体之间隔有一层很薄的绝缘介 质 ,约几纳米 ,弱电流 ( μ A 到mA) 也能无阻地 穿过. 不久 ,这一预言被贝耳实验室的实验证 实 ,称这种现象为约瑟夫森效应. 把具有超导体 (S) - 绝缘体( I) - 超导体 (S) 结构叫做约瑟夫 森结 ,当对这种隧道结施加恒定电场时 ,结区产 生高频电流 ,并辐射或吸收电磁波 ,其频率 υ 与电压 V 有如下关系 :υ= eV / h. 就是说 ,光子 能量 h υ可以引起超导隧道结的 V - I 特性发 生变化. 根据这个原理可制成性能优良的红外 探测器,其理论上的NEP 值可达10 -