Шумовые свойства предварительного усилителя для инфракрасного фотоприемника на основе HgCdTe

Цели. Фоторезисторы на основе твердого раствора кадмий-ртуть-теллур (КРТ) применяются в инфракрасной (ИК) технике более 60 лет и в зависимости от композиции Hg_1−xCd_xTe 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. 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. 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. Показано, что спектральная плотность шумов электронных компонентов, приведенная ко входу устройства, в несколько раз ниже плотности шумов использованного фотоприемника.

1. Norton P. HgCdTe infrared detectors. Opto-Electron. Rev. 2002;10(3):159–174.

2. 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.2022.113511

3. Józwikowska 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)90141-2

4. Rogalski 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.2c01672

5. Кульчицкий 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/10.22184/1992-4178.2020.197.6.114.121

6. Hansen 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/10.1063/1.330018

7. Lawson 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)90110-6

8. Schmit 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/10.1063/1.1657304

9. Scott M.W. Energy Gap in Hg1−xCdxTe by Optical Absorption. J. Appl. Phys. 1969;40(10):4077–4081. https://doi.org/10.1063/1.1657147

10. Elliott 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.5.2985

11. McCombe 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.25.87

12. Xin 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.202306772

13. Xue 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/s41377-022-01014-0

14. Agarwal 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/s41566-023-01291-0

15. Lau 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/d1cs00434d

16. Rogalski 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/R01

17. Kimchi J., Frederick J.R., Wong T.T.S. Low-frequency noise in photoconductive HgCdTe detectors. Proc. SPIE. 1996;2812. 12 p. https://doi.org/10.1117/12.254098

18. Johnson J.B. The Schottky Effect in Low Frequency Circuits. Phys. Rev. 1925;26(1):71–85. https://doi.org/10.1103/PhysRev.26.71

19. Schottky W. Small-Shot Effect and Flicker Effect. Phys. Rev. 1926;28(1):74–103. https://doi.org/10.1103/PhysRev.28.74

20. Dutta 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.53.497

21. Voss R.F., Clarke J. 1/f noise in music and speech. Nature. 1975;258(5533):317. https://doi.org/10.1038/258317a0

22. Press W.H. Flicker noises in astronomy and elsewhere. Comments Astrophys. 1978;7(4):103–119.

23. Milotti E. 1/f noise: a pedagogical review. 2002; ArXiV_0204033v1. https://arxiv.org/pdf/physics/0204033

24. Рытов С.М. Введение в статистическую радиофизику. Часть 1. Случайные процессы. М.: Наука; 1976. 496 с.

25. Morikawa M., Nakamichi A. A simple model for pink noise from amplitude modulations. Sci. Rep. 2023;13(1):8364. https://doi.org/10.1038/s41598-023-34816-2

26. Zenhausern F., O’Boyle M.P., Wickramasinghe H.K. Apertureless near-field optical microscope. Appl. Phys. Lett. 1994;65(13):1623–1625. http://doi.org/10.1063/1.112931

27. Zenhausern 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.269.5227.1083

28. Keilmann 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.2003.1347

29. Казанцев Д.В., Казанцева Е.А. Предусилитель для CdHgTe-фотодетектора. Приборы и техника эксперимента. 2020;1:144–150. https://doi.org/10.31857/S0032816220010218

30. 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.x

31. Казанцев 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=Pribory2202014Kazantsev

32. 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/S0025-5718-1965-0178586-1

33. Stephens D.R., Diggins C., Turkanis J., Cogswell J. C++ Cookbook. O’Reilly Media, Inc.; 2005. 592 p. ISBN 978-059-600761-4