ISSN 0236-3933. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Приборостроение». 2012
176
Схемы болометров и принцип их действия.
Схемы предлагае-
мых болометров приведены на рисунке. Эти болометры состоят из
двух графеновых областей
n
- и
p
-типов, поглощающих ТГц-
излучение в основном за счет внутризонных переходов, соединенных
между собой нелегированной ГНЛ-областью (
I
-областью). Эта об-
ласть имеет достаточно большую ширину Δ запрещенной зоны
вследствие размерного квантования электронного и дырочного спек-
тров в направлении, перпендикулярном ГНЛ. Графеновые области
могут быть легированы как химически (см. рисунок, поз.
а
), так и с
использованием проводящих электродов (затворов), отделенных от
слоев графена (см. рисунок, поз.
б
). В последнем случае между этими
электродами и соответствующими слоями приложены напряжения
смещения противоположной полярности
.
g
V
Электроды представ-
ляют собой также графеновые слои [20—23]. Предполагается, что
поперечные размеры
d
каждой ГНЛ столь малы, что ширина запре-
щенной зоны
/
W
v d
(
8
10
W
v
см/с — характерная скорость элек-
тронов и дырок в графене,
ħ
— постоянная Планка) достаточно ве-
лика для эффективного ограничения электронов в
n
-графеновой и
дырок в
p
-графеновой областях. Энергетический барьер в ГНЛ обес-
печивает относительно сильную зависимость электронного и дыроч-
ного токов между
n
- и
p
-областями и, следовательно, повышенную
чувствительность болометра к ТГц-излучению.
При наличии запрещенной зоны шириной
Δ
между валентной
зоной и зоной проводимости в ГНЛ, а также приложенного напряже-
ния смещения
V
зонная диаграмма болометра имеет вид, приведен-
ный на рисунке, поз.
в
.
Ниже рассмотрен случай, когда энергия Ω
ħ
ТГц-фотонов не
слишком велика: Ω 2
ħ
(где
— химический потенциал элек-
тронов и дырок;
— циклическая частота излучения) и межзонные
переходы запрещены в соответствии с принципом Паули.
При комнатной температуре (в отличие от низких температур [6])
взаимодействие с оптическими фононами в графене является доми-
нирующим механизмом рекомбинации [24] и энергетической релак-
сации [25] электронно-дырочной призмы.
Темновой и фототок.
Исследуемые системы электронов и дырок
в соответствующих графеновых областях характеризуются химиче-
ским потенциалом
и эффективной температурой
T
. При облуче-
нии системы значения
и
T
отличаются от их равновесных (темно-
вых) значений
0
и
0
T
. При одномерном движении электронов и ды-
рок над барьером в ГНЛ с учетом распределения Ферми в графеновых
областях сумму электронного и холловского токов между этими об-
1 3,4,5,6,7,8,9,10