mireabulletinRussian Technological JournalRussian Technological Journal2782-32102500-316XRTU MIREA10.32362/2500316X-2025-13-1-122-135OABDBHmireabulletin-1079Research ArticleАНАЛИТИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИИANALYTICAL INSTRUMENT ENGINEERING AND TECHNOLOGYШумовые свойства предварительного усилителя для инфракрасного фотоприемника на основе HgCdTeNoise properties of preamplifier to be used with LN2-cooled HgCdTe photodetectorhttps://orcid.org/0000-0002-0547-3785КазанцевД. В.KazantsevDmitry V.

Казанцев Дмитрий Всеволодович, д.ф.-м.н., старший научный сотрудник; профессор, факультет физики,

119991, Москва, Ленинский пр-т, д. 53; 

101000, Москва, Старая Басманная ул., д. 21/5.

Scopus AuthorID: 6603178750.

Dmitry V. Kazantsev, Dr. Sci. (Phys.-Math.), Senior Researcher; Professor, Faculty of Physics,

53, Leninskii pr., Moscow, 119991; 

21/5, Staraya Basmannaya ul., Moscow, 101000.

Scopus AuthorID: 6603178750.

kaza@itep.ruhttps://orcid.org/0009-0004-2019-3310КазанцеваЕ. А.KazantsevaElena A.

Казанцева Елена Адольфовна, старший преподаватель, кафедра высшей математики, Институт кибербезопасности и цифровых технологий,

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78. 

Scopus AuthorID: 57219932826.

Elena A. Kazantseva, Senior Lecturer, Higher Mathematics Department, Institute of Cybersecurity and Digital Technologies, 

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454.

Scopus AuthorID: 57219932826.

kanele19@gmail.comФГБУН «Физический институт имени П.Н. Лебедева Российской академии наук» (ФИАН); Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»РоссияP.N. Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences; HSE UniversityRussian FederationФГБОУ ВО «МИРЭА – Российский технологический университетРоссияMIREA – Russian Technological UniversityRussian Federation202505022025131122135Copyright © Казанцев Д.В., Казанцева Е.А., 20252025Казанцев Д.В., Казанцева Е.А.Kazantsev D.V., Kazantseva E.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.rtj-mirea.ru/jour/article/view/1079Цели

Цели. Фоторезисторы на основе твердого раствора кадмий-ртуть-теллур (КРТ) применяются в инфракрасной (ИК) технике более 60 лет и в зависимости от композиции Hg1−xCdxTe имеют диапазон чувствительности в области длин волн от 1 до 15 мкм. Сопротивление светочувствительных КРТ-элементов составляет (в зависимости от площади) десятки Ом, и термодинамически ожидаемый шум Найквиста составляет менее 1 нВ/√Гц для такого резистора. Современные полупроводниковые технологии обеспечивают высокое качество как фотоприемных устройств, так и входных каскадов микросхем для усиления сигнала с них. Целью работы является исследование шумовых свойств разработанного электронного блока, предназначенного для совместной работы с КРТ-фотоприемником, охлаждаемым жидким азотом.

Методы

Методы. Для измерения и накопления шумовых спектров сигнала в диапазоне частот 0–1 МГц использована микропроцессорная плата аналогового ввода-вывода P25M производства Innovative, Inc. (США). Плата, на которой имеются четыре 16-битовых аналого-цифровых преобразователя с частотой до 25 МГц, управляющая ими программируемая логическая интегральная схема Spartan-3, процессор TMS320C6713 и оперативная память, передает собранные цифровые данные в материнскую плату через общий для них слот PCI-X. Спектры принятых данных вычислялись с помощью алгоритма быстрого преобразования Фурье с последующим усреднением квадрата амплитуды для всех спектральных составляющих.

Результаты

Результаты. Измерены спектры плотности шума первого каскада (ADA4898-2), второго каскада (AD8034) и источников тока смещения (AD8397 и LT3009). Обнаружено, что спектральная плотность шумов входа операционного усилителя ADA4898-2 сравнима с найквистовым (термодинамически ожидаемым) шумом резистора 20–100 Ом, соответствующего сопротивлению светочувствительного элемента. Это означает, что выбранный операционный усилитель идеально подходит для решения обсуждаемой технической задачи. Обнаружено также, что спектр шумов микросхем стабилизаторов напряжения и тока LT3009, ADR510 содержит заметную дрейфовую составляющую со спектральной плотностью вида 1/f α (f – частота, α ≈ 1).

Выводы

Выводы. Показано, что спектральная плотность шумов электронных компонентов, приведенная ко входу устройства, в несколько раз ниже плотности шумов использованного фотоприемника.

Objectives

Objectives. Photoresistors based on a solid solution of mercury–cadmium–tellurium (MCT) have been used in infrared (IR) technology for over 60 years. They can have a sensitivity range in the wavelength region from 1 μm to 15 μm, depending on Hg1−xCdxTe composition. The resistance of photosensitive MCT elements is (depending on their area) tens of Ohms, and for such a resistor the thermodynamically expected Nyquist noise is less than 1 nV/√Hz. Modern semiconductor technologies ensure a high level of quality of both photodetectors and input stages of integrated circuits for amplifying the signal from them. The aim of this work is to study the noise properties of the electronic unit developed for joint operation with a liquid nitrogen cooled MCT-photodetector.

Methods

Methods. An analog input-output digital signal processor card P25M (Innovative, Inc., USA) was used to measure and accumulate the noise spectra of the signal in the frequency range 0–1 MHz. The card has four 16-bit ADCs of sampling rate up to 25MSpS, a Spartan-3 field-programmable gate array controlling them, a TMS320C6713 processor, and RAM, in order to transmit the collected digital data to the motherboard through a common PCI-X slot. The spectra of the received data were calculated using the fast Fourier transform algorithm with subsequent averaging of the square of the amplitude for all spectral components.

Results

Results. The noise properties of comparatively modern integrated circuits currently used for this task were considered. The noise density spectra of the first stage (ADA4898-2), the second stage (AD8034), and bias current sources (AD8397 and LT3009) were measured. It was found that the spectral density of the input noise of the operational amplifier ADA4898-2 is comparable to the Nyquist (thermodynamically expected) noise of a 20–100-Ohm resistor corresponding to the resistance of the photosensitive element. This means that the selected operational amplifier is ideal for resolving the technical problem discussed herein. Meanwhile, it was also established that the noise spectrum of the LT3009, ADR510 voltage and current stabilizer integrated circuits contains a noticeable drift component with a spectral density of “pink noise” 1/f α (f – frequency, α ≈ 1).

Conclusions

Conclusions. It was shown that the spectral noise density of the electronic components, reduced to the input of the device, is several times lower than the noise density of the photodetector used.

ИК-фотоприемникКРТ-приемникмалошумящая аппаратуравходные каскадыаналоговая электроникаIR-photodetectorMCT-photodetectorlow-noise electronicsinput stagesanalog electronicsReferencesNorton P. HgCdTe infrared detectors. Opto-Electron. Rev. 2002;10(3):159–174.Norton P. HgCdTe infrared detectors. Opto-Electron. Rev. 2002;10(3):159–174.Kopytko M., Rogalski A. New insights into the ultimate performance of HgCdTe photodiodes. Sensors and Actuators A: Physical. 2022;339:113511. https://doi.org/10.1016/j.sna.2022.113511Kopytko M., Rogalski A. New insights into the ultimate performance of HgCdTe photodiodes. Sensors and Actuators A: Physical. 2022;339:113511. doi: 10.1016/j.sna.2022.113511Józwikowska A., Józwikowski K., Rogalski A. Performance of mercury cadmium telluride photoconductive detectors. Infrared Phys. 1991;31(6):543–554. https://doi.org/10.1016/0020-0891(91)90141-2Józwikowska A., Józwikowski K., Rogalski A. Performance of mercury cadmium telluride photoconductive detectors. Infrared Phys. 1991;31(6):543–554. doi: 10.1016/0020-0891(91)90141-2Rogalski A. Commentary on the Record-Breaking Performance of Low-Dimensional Solid Photodetectors. ACS Photonics. 2023;10(3):647–653. https://doi.org/10.1021/acsphotonics.2c01672Rogalski A. Commentary on the Record-Breaking Performance of Low-Dimensional Solid Photodetectors. ACS Photonics. 2023;10(3):647–653. doi: 10.1021/acsphotonics.2c01672Кульчицкий Н.А., Наумов А.Б., Старцев В.В. Охлаждаемые фотоприемные устройства ИК-диапазона на кадмий- ртуть-теллуре: состояние и перспективы развития. Электроника: наука, технология, бизнес. 2020;6(197): 114–121. https://doi.org/10.22184/1992-4178.2020.197.6.114.121Kulchitsky N.A., Naumov A.B., Startsev V.V. Cooled IR photodetectors based on cadmium-mercury-tellurium: current status and development prospects. Elektronika: nauka, tekhnologiya, biznes = Electronics: Science, Technology, Business. 2020;6(197):114–121 (in Russ.). https://doi.org/10.22184/1992-4178.2020.197.6.114.121Hansen G.L., Schmit J.L., Casselman T.N. Energy gap versus alloy composition and temperature in Hg1−xCdxTe. J. App. Phys. 1982;53(10):7099–7101. https://doi.org/10.1063/1.330018Hansen G.L., Schmit J.L., Casselman T.N. Energy gap versus alloy composition and temperature in Hg1−xCdxTe. J. App. Phys. 1982;53(10):7099–7101. https://doi.org/10.1063/1.330018Lawson W., Nielsen S., Putley E., Young A. Preparation and properties of HgTe and mixed crystals of HgTe–CdTe. J. Phys. Chem. Solids. 1959;9(3–4):325–329. https://doi.org/10.1016/0022-3697(59)90110-6Lawson W., Nielsen S., Putley E., Young A. Preparation and properties of HgTe and mixed crystals of HgTe–CdTe. J. Phys. Chem. Solids. 1959;9(3–4):325–329. https://doi.org/10.1016/0022-3697(59)90110-6Schmit J.L., Stelzer E.L. Temperature and Alloy Compositional Dependences of the Energy Gap of Hg1−xCdxTe. J. Appl. Phys. 1969;40(12):4865–4869. https://doi.org/10.1063/1.1657304Schmit J.L., Stelzer E.L. Temperature and Alloy Compositional Dependences of the Energy Gap of Hg1−xCdxTe. J. Appl. Phys. 1969;40(12):4865–4869. https://doi.org/10.1063/1.1657304Scott M.W. Energy Gap in Hg1−xCdxTe by Optical Absorption. J. Appl. Phys. 1969;40(10):4077–4081. https://doi.org/10.1063/1.1657147Scott M.W. Energy Gap in Hg1−xCdxTe by Optical Absorption. J. Appl. Phys. 1969;40(10):4077–4081. https://doi.org/10.1063/1.1657147Elliott C., Melngailis J., Harman T., Kafalas J., Kernan W. Pressure Dependence of the Carrier Concentrations in p-Type Alloys of Hg1−xCdxTe at 4.2 and 77°K. Phys. Rev. B. 1972;5(8):2985. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.5.2985Elliott C., Melngailis J., Harman T., Kafalas J., Kernan W. Pressure Dependence of the Carrier Concentrations in p-Type Alloys of Hg1−xCdxTe at 4.2 and 77°K. Phys. Rev. B. 1972;5(8):2985. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.5.2985McCombe B.D., Wagner R.J., Prinz G.A. Far-Infrared Observation of Electric-Dipole-Excited Electron-Spin Resonance in Hg1−xCdxTe. Phys. Rev. Lett. 1970;25(2):87–90. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.25.87McCombe B.D., Wagner R.J., Prinz G.A. Far-Infrared Observation of Electric-Dipole-Excited Electron-Spin Resonance in Hg1−xCdxTe. Phys. Rev. Lett. 1970;25(2):87–90. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.25.87Xin W., Zhong W., Shi Y., Shi Y., Jing J., Xu T., Guo J., Liu W., Li Y., Liang Z., Xin X., Cheng J., Hu W., Xu H., Liu Y. Low-Dimensional-Materials-Based Photodetectors for Next-Generation Polarized Detection and Imaging. Adv. Mater. 2024;36(7):2306772. https://doi.org/10.1002/adma.202306772Xin W., Zhong W., Shi Y., Shi Y., Jing J., Xu T., Guo J., Liu W., Li Y., Liang Z., Xin X., Cheng J., Hu W., Xu H., Liu Y. Low-Dimensional-Materials-Based Photodetectors for Next-Generation Polarized Detection and Imaging. Adv. Mater. 2024;36(7):2306772. https://doi.org/10.1002/adma.202306772Xue X., Chen M., Luo Y., Qin T., Tang X., Hao Q. High-operating-temperature mid-infrared photodetectors via quantum dot gradient homojunction. Light: Sci. Appl. 2023;12(1):2. https://doi.org/10.1038/s41377-022-01014-0Xue X., Chen M., Luo Y., Qin T., Tang X., Hao Q. High-operating-temperature mid-infrared photodetectors via quantum dot gradient homojunction. Light: Sci. Appl. 2023;12(1):2. https://doi.org/10.1038/s41377-022-01014-0Agarwal H., Nowakowski K., Forrer A., Principi A., Bertini R., Batlle-Porro S., Reserbat-Plantey A., Prasad P., Vistoli L., Watanabe K., Taniguchi T., Bachtold A., Scalari G., Krishna Kumar R., Koppens F.H.L. Ultra-broadband photoconductivity in twisted graphene heterostructures with large responsivity. Nat. Photon. 2023;17(12):1047–1053. https://doi.org/10.1038/s41566-023-01291-0Agarwal H., Nowakowski K., Forrer A., Principi A., Bertini R., Batlle-Porro S., Reserbat-Plantey A., Prasad P., Vistoli L., Watanabe K., Taniguchi T., Bachtold A., Scalari G., Krishna Kumar R., Koppens F.H.L. Ultra-broadband photoconductivity in twisted graphene heterostructures with large responsivity. Nat. Photon. 2023;17(12):1047–1053. https://doi.org/10.1038/s41566-023-01291-0Lau J.A., Verma V.B., Schwarzer D., Wodtke A.M. Superconducting single-photon detectors in the mid-infrared for physical chemistry and spectroscopy. Chem. Soc. Rev. 2023;52:921–941. https://doi.org/10.1039/d1cs00434dLau J.A., Verma V.B., Schwarzer D., Wodtke A.M. Superconducting single-photon detectors in the mid-infrared for physical chemistry and spectroscopy. Chem. Soc. Rev. 2023;52:921–941. https://doi.org/10.1039/d1cs00434dRogalski A. HgCdTe infrared detector material: history, status and outlook. Rep. Prog. Phys. 2005;68(10):2267. http://doi.org/10.1088/0034-4885/68/10/R01Rogalski A. HgCdTe infrared detector material: history, status and outlook. Rep. Prog. Phys. 2005;68(10):2267. http://doi.org/10.1088/0034-4885/68/10/R01Kimchi J., Frederick J.R., Wong T.T.S. Low-frequency noise in photoconductive HgCdTe detectors. Proc. SPIE. 1996;2812. 12 p. https://doi.org/10.1117/12.254098Kimchi J., Frederick J.R., Wong T.T.S. Low-frequency noise in photoconductive HgCdTe detectors. Proc. SPIE. 1996;2812. 12 p. https://doi.org/10.1117/12.254098Johnson J.B. The Schottky Effect in Low Frequency Circuits. Phys. Rev. 1925;26(1):71–85. https://doi.org/10.1103/PhysRev.26.71Johnson J.B. The Schottky Effect in Low Frequency Circuits. Phys. Rev. 1925;26(1):71–85. https://doi.org/10.1103/PhysRev.26.71Schottky W. Small-Shot Effect and Flicker Effect. Phys. Rev. 1926;28(1):74–103. https://doi.org/10.1103/PhysRev.28.74Schottky W. Small-Shot Effect and Flicker Effect. Phys. Rev. 1926;28(1):74–103. https://doi.org/10.1103/PhysRev.28.74Dutta P., Horn P.M. Low-frequency fluctuations in solids: 1/f noise. Rev. Mod. Phys. 1981;53(3):497–516. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.53.497Dutta P., Horn P.M. Low-frequency fluctuations in solids: 1/f noise. Rev. Mod. Phys. 1981;53(3):497–516. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.53.497Voss R.F., Clarke J. 1/f noise in music and speech. Nature. 1975;258(5533):317. https://doi.org/10.1038/258317a0Voss R.F., Clarke J. 1/f noise in music and speech. Nature. 1975;258(5533):317. https://doi.org/10.1038/258317a0Press W.H. Flicker noises in astronomy and elsewhere. Comments Astrophys. 1978;7(4):103–119.Press W.H. Flicker noises in astronomy and elsewhere. Comments Astrophys. 1978;7(4):103–119.Milotti E. 1/f noise: a pedagogical review. 2002; ArXiV_0204033v1. https://arxiv.org/pdf/physics/0204033Milotti E. 1/f noise: a pedagogical review. 2002; ArXiV_0204033v1. https://arxiv.org/pdf/physics/0204033Рытов С.М. Введение в статистическую радиофизику. Часть 1. Случайные процессы. М.: Наука; 1976. 496 с.Rytov S.M. Vvedenie v statisticheskuyu radiofiziku. Chast’ 1. Sluchainye protsessy (Introduction to Statistical Radiophysics. Part 1. Random Processes). Moscow: Nauka; 1976. 496 p. (in Russ.).Morikawa M., Nakamichi A. A simple model for pink noise from amplitude modulations. Sci. Rep. 2023;13(1):8364. https://doi.org/10.1038/s41598-023-34816-2Morikawa M., Nakamichi A. A simple model for pink noise from amplitude modulations. Sci. Rep. 2023;13(1):8364. https://doi.org/10.1038/s41598-023-34816-2Zenhausern F., O’Boyle M.P., Wickramasinghe H.K. Apertureless near-field optical microscope. Appl. Phys. Lett. 1994;65(13):1623–1625. http://doi.org/10.1063/1.112931Zenhausern F., O’Boyle M.P., Wickramasinghe H.K. Apertureless near-field optical microscope. Appl. Phys. Lett. 1994;65(13):1623–1625. http://doi.org/10.1063/1.112931Zenhausern F., Martin Y., Wickramasinghe H.K. Scanning Interferometric Apertureless Microscopy: Optical Imaging at 10 Angstrom Resolution. Science. 1995;269(5227):1083–1085. https://doi.org/10.1126/science.269.5227.1083Zenhausern F., Martin Y., Wickramasinghe H.K. Scanning Interferometric Apertureless Microscopy: Optical Imaging at 10 Angstrom Resolution. Science. 1995;269(5227):1083–1085. https://doi.org/10.1126/science.269.5227.1083Keilmann F., Hillenbrand R. Near-Field Microscopy by Elastic Light Scattering from a Tip. Philos. Trans.: Math., Phys. Eng. Sci. 2004;362(1817):787–805. https://doi.org/10.1098/rsta.2003.1347Keilmann F., Hillenbrand R. Near-Field Microscopy by Elastic Light Scattering from a Tip. Philos. Trans.: Math., Phys. Eng. Sci. 2004;362(1817):787–805. https://doi.org/10.1098/rsta.2003.1347Казанцев Д.В., Казанцева Е.А. Предусилитель для CdHgTe-фотодетектора. Приборы и техника эксперимента. 2020;1:144–150. https://doi.org/10.31857/S0032816220010218Kazantsev D.V., Kazantseva E.A. A Preamplifier for a CdHgTe Photodetector. Instrum. Exp. Tech. 2020;63(1):133–138. https://doi.org/10.1134/S0020441220010194 [Original Russian Text: Kazantsev D.V., Kazantseva E.A. A Preamplifier for a CdHgTe Photodetector. Pribory i tekhnika eksperimenta. 2020;1:144–150 (in Russ.). https://doi.org/10.31857/S0032816220010218 ]Shockley W. The Theory of p-n Junctions in Semiconductors and p-n Junction Transistors. Bell System Tech. J. 1949;28(3): 435–489. https://doi.org/10.1002/j.1538-7305.1949.tb03645.xShockley W. The Theory of p-n Junctions in Semiconductors and p-n Junction Transistors. Bell System Tech. J. 1949;28(3): 435–489. https://doi.org/10.1002/j.1538-7305.1949.tb03645.xКазанцев Д.В., Казанцева Е.А. Цифровое детектирование оптического сигнала в микроскопе ближнего оптического поля. Приборы и техника эксперимента. 2022;2:79–98. URL: https://sciencejournals.ru/view-article/?j=pribory&y=2022&v=0&n=2&a=Pribory2202014KazantsevKazantsev D.V., Kazantseva E.A. Digital Detection of Optical Signals in a Near-Optical-Field Microscope. Instrum. Exp. Tech. 2022;65(2):273–291. https://doi.org/10.1134/S0020441222020130 [Original Russian Text: Kazantsev D.V., Kazantseva E.A. Digital Detection of Optical Signals in a Near-Optical-Field Microscope. Pribory i tekhnika eksperimenta. 2022;2:79–98 (in Russ.). Available from URL: https://sciencejournals.ru/view-article/?j=pribory&y=2022&v=0&n=2&a=Pribory2202014Kazantsev ]Cooley J.W., Tukey J.W. An algorithm for the machine calculation of complex Fourier series. Math. Comp. 1965;19(90): 297–301. https://doi.org/10.1090/S0025-5718-1965-0178586-1Cooley J.W., Tukey J.W. An algorithm for the machine calculation of complex Fourier series. Math. Comp. 1965;19(90): 297–301. https://doi.org/10.1090/S0025-5718-1965-0178586-1Stephens D.R., Diggins C., Turkanis J., Cogswell J. C++ Cookbook. O’Reilly Media, Inc.; 2005. 592 p. ISBN 978-059-600761-4Stephens D.R., Diggins C., Turkanis J., Cogswell J. C++ Cookbook. O’Reilly Media, Inc.; 2005. 592 p. ISBN 978-059-600761-4

The authors declare that there are no conflicts of interest present.