光電導(dǎo)紅外探測(cè)器件

熱探測(cè)器（非致冷）是利用入射紅外輻射引起敏感元件的溫度變化，進(jìn)而使其有關(guān)物理參數(shù)或性能發(fā)生相應(yīng)的變化。通過(guò)測(cè)量有關(guān)物理參數(shù)或性能的變化可確定探測(cè)器所吸收的紅外輻射。主要有熱電阻型、熱電偶型、熱釋電型和高萊氣動(dòng)型等幾種型式。熱探測(cè)器的主要優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)波段寬，可以在室溫下工作，使用方便。熱探測(cè)器一般不需致冷（超導(dǎo)除外）而易于使用、維護(hù)，可靠性好；光譜響應(yīng)與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，為無(wú)選擇性探測(cè)器；制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)易，成本較低。但由于熱探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，靈敏度低，一般只用于紅外幅射變化緩慢的場(chǎng)合。熱探測(cè)器性能限制的主要因素是熱絕緣的設(shè)計(jì)問(wèn)題。光子探測(cè)器（致冷型）是利用某些半導(dǎo)體材料在紅外輻射的照射下，產(chǎn)生光子效應(yīng)，使材料的電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。通過(guò)測(cè)量電學(xué)性質(zhì)的變化，可以確定紅外輻射的強(qiáng)弱。按照光子探測(cè)器的工作原理，一般可分為外光電和內(nèi)光電探測(cè)器兩種。內(nèi)光電探測(cè)器又分為光電導(dǎo)探測(cè)器、光電伏特探測(cè)器和光磁電探測(cè)器三種。光電探測(cè)器的主要特點(diǎn)是靈敏度高，響應(yīng)速度快，響應(yīng)頻率高。但必須在低溫下工作，而且探測(cè)波段較窄。第七章致冷型紅外探測(cè)器件2023/2/4熱探測(cè)器與光子探測(cè)器的性能比較(1)熱探測(cè)器一般在室溫下工作，不需要致冷；多數(shù)光子探測(cè)器必須工作在低溫條件下才具有優(yōu)良的性能。工作于1~3μm波段的PbS探測(cè)器主要在室溫下工作，但適當(dāng)降低工作溫度，性能會(huì)相應(yīng)提高，在干冰溫度下工作性能最好。(2)熱探測(cè)器對(duì)各種波長(zhǎng)的紅外輻射均有響應(yīng)，是無(wú)選擇性探測(cè)器；光子探測(cè)器只對(duì)短于或等于截止波長(zhǎng)λc的紅外輻射才有響應(yīng)，是有選擇性的探測(cè)器。(3)熱探測(cè)器的響應(yīng)率比光子探測(cè)器的響應(yīng)率低1~2個(gè)數(shù)量級(jí)，響應(yīng)時(shí)間比光子探測(cè)器的長(zhǎng)得多。第七章致冷型紅外探測(cè)器件2023/2/47.1

SPRITE探測(cè)器原理與結(jié)構(gòu)SPRITE(Signal-Processing-in-The-Elements)探測(cè)器屬于光電導(dǎo)效應(yīng)型探測(cè)器，這種探測(cè)器利用了紅外圖像掃描速度與光生載流子雙極運(yùn)動(dòng)速度相等的原理，實(shí)現(xiàn)了在器件內(nèi)部進(jìn)行信號(hào)探測(cè)、時(shí)間延遲和積分的三種功能，大大簡(jiǎn)化了焦平面外的電子線路，從而使探測(cè)器尺寸、重量、成本顯著下降，并提高了工作可靠性，依據(jù)其原理，也稱之為“掃積型探測(cè)器”。是80年代英國(guó)人為高性能實(shí)時(shí)熱成像系統(tǒng)研制出的新型紅外探測(cè)器。2023/2/4SPRITE這種新型紅外探測(cè)器器件利用紅外圖像掃描速度等于光生載流子雙極漂移速度這一原理實(shí)現(xiàn)了在探測(cè)器內(nèi)進(jìn)行信號(hào)延遲、疊加，從而簡(jiǎn)化了信息處理電路。它可用于串掃或串并掃熱成像系統(tǒng)，但與熱成像系統(tǒng)中使用的陣列器件不同。陣列器件是互相分立的單元，每個(gè)探測(cè)器要與前置放大器和延遲器相連，它接收目標(biāo)輻射產(chǎn)生的輸出信號(hào)需經(jīng)放大、延遲和積分處理后再送到主放大器，最后在顯示器中顯示出供人眼觀察的可見(jiàn)圖像。目前國(guó)內(nèi)外研制的SPRITE探測(cè)器，有工作溫度為77K、工作波段為8~14m和工作溫度為200K左右、工作波段為3~5m兩種。將它用于熱成像系統(tǒng)中，既完成探測(cè)輻射信號(hào)的功能，又完成信號(hào)的延遲、積分功能，大大簡(jiǎn)化了信息處理電路，有利于探測(cè)器的密集封裝和整機(jī)體積的縮小。2023/2/47.1.1碲鎘汞（HgCdTe）

紅外探測(cè)目標(biāo)的波長(zhǎng)大約在8um-14um,要求光電導(dǎo)材料的禁帶寬度在0.09-0.15電子伏，Hg1-xCdxTe是由CdTe和HgTe組成的固熔三元化合物半導(dǎo)體，x表示CdTe占的配比。選擇不同的x值就可制備出一系列不同禁帶寬度的碲鎘汞材料。經(jīng)驗(yàn)公式：2023/2/4圖7-2SPRITE探測(cè)器工作原理示意圖7.1.2SPRITE工作原理及結(jié)構(gòu)－掃出效應(yīng)2023/2/4SPRITE探測(cè)器工作原理示意圖7.1.2SPRITE工作原理及結(jié)構(gòu)－掃出效應(yīng)2023/2/4

當(dāng)紅外光照射到兩端加有固定電壓的N型半導(dǎo)體上，光生載流子將經(jīng)歷產(chǎn)生、復(fù)合、擴(kuò)散和漂移的過(guò)程，其濃度變化形式可寫成公式7-11，其中D和μ為雙極擴(kuò)散系數(shù)和雙極遷移率。見(jiàn)7-9、7-10。

漂移是由于電場(chǎng)E作用下，且n與p不等造成的。若n=p，μ＝0,則無(wú)漂移運(yùn)動(dòng)；對(duì)于N型半導(dǎo)體，n>>p，μ＝μp，這表明光生少數(shù)載流子空穴在電場(chǎng)的作用下漂移。Δn和Δp沿同一方向運(yùn)動(dòng)，但是Δn和Δp不重合，會(huì)產(chǎn)生附加電場(chǎng)。它同E反向，使之消弱。在被消弱的電場(chǎng)區(qū)，多子（電子）的漂移速度降低，導(dǎo)致左端電子濃度降低，右端增加，相當(dāng)Δn于向右漂移。

總體呈現(xiàn)出，當(dāng)Δp前進(jìn)時(shí)，Δn也跟著前進(jìn)，用這種方法就可以實(shí)現(xiàn)Δp分布的自動(dòng)掃描，這種效應(yīng)稱為“掃出效應(yīng)”。2023/2/4

雙極運(yùn)動(dòng)漂移速度與材料的少數(shù)載流子遷移率和外置偏壓大小有關(guān)，如果偏壓足夠大，非平衡少子將全部或大部分掃出，若電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)過(guò)小，非平衡少子漂移長(zhǎng)度小于器件長(zhǎng)度，則光生少子將在體內(nèi)復(fù)合.L若大于樣品長(zhǎng)度，則在τ時(shí)間內(nèi)Δp將移出體外，反之，將只有部分Δp能移出體外，在SPRITE探測(cè)器中，Lμ＝L為全部掃出條件，可推知此時(shí)SPRITE探測(cè)器兩端所加電壓為為臨界掃出電壓。

L＝Lμ＝μEτ

（7－12）由于掃出效應(yīng)的存在,當(dāng)光照射樣品時(shí),光信號(hào)會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)移出去，從而可以實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的積累和延遲疊加。實(shí)現(xiàn)SPRITE探測(cè)器信號(hào)積累和延遲的必要條件－紅外圖像掃描速度等于非平衡載流子的雙極運(yùn)動(dòng)漂移速度。

Vs=Vd(7-16)

2023/2/4典型的SPRITE探測(cè)器的結(jié)構(gòu)八條N型HgCdTe樣條構(gòu)成，每條尺寸（700×62.5)μm2，厚度10μm,樣條間距12.5μm。讀出區(qū)長(zhǎng)度50μm，寬度35μm。每條大約等效于10~12個(gè)分立單元探測(cè)器。當(dāng)掃描點(diǎn)進(jìn)入讀出區(qū)時(shí)，Δp將調(diào)制讀出區(qū)電壓從而有信號(hào)輸出。SPRITE探測(cè)器的實(shí)際結(jié)構(gòu)2023/2/47.1.3SPRITE探測(cè)器的響應(yīng)率光生載流子的穩(wěn)態(tài)方程不受非平衡載流子的擴(kuò)散影響。設(shè)N型光電導(dǎo)體，其摻雜濃度遠(yuǎn)大于背景輻射產(chǎn)生的載流子濃度，非平衡載流子壽命遠(yuǎn)大于雙極漂移時(shí)間，雙極漂移速度等于光點(diǎn)掃描速度，有穩(wěn)定的紅外輻射照射到探測(cè)器，且沿長(zhǎng)度方向自左向右連續(xù)掃描。求解微分方程得到光點(diǎn)照射像元上，信號(hào)所產(chǎn)生的非平衡載流子濃度隨著掃描位置的變化關(guān)系。2023/2/47.1.3SPRITE探測(cè)器的響應(yīng)率2023/2/4SPRITE探測(cè)器的響應(yīng)度分析響應(yīng)度表達(dá)式，可探討提高響應(yīng)度的途徑：(1)響應(yīng)率與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系：E過(guò)小，則載流子的渡越時(shí)間長(zhǎng)，載流子在漂移的過(guò)程中，被大量的復(fù)合，影響響應(yīng)率。適量的增大E則可以增大響應(yīng)率。但是如果過(guò)分增大E，則會(huì)增大焦耳熱，從而增大熱噪聲電流，使器件性能變壞?？刹捎弥评浼夹g(shù)，降低讀出區(qū)的熱激發(fā)載流子濃度，提高響應(yīng)度，（2）響應(yīng)率過(guò)年載流子壽命的關(guān)系增大載流子壽命，可以提高響應(yīng)度，故可通過(guò)探測(cè)器表面鈍化技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)表面復(fù)合的影響降低到最低。（3）響應(yīng)率與器件厚度的關(guān)系從響應(yīng)率的公式上，采用指數(shù)展開(kāi)可以看出響應(yīng)率與器件厚度無(wú)關(guān)，實(shí)際上，厚度大，表面反射損失大，響應(yīng)率小，應(yīng)考慮適當(dāng)減薄材料的厚度。。2023/2/4SPRITE探測(cè)器的分辨力影響SPRITE探測(cè)器分辨能力的三個(gè)主要因素：1、非平衡載流子的擴(kuò)散2、圖像掃描速度與光生載流子漂移速度的失配3、讀出區(qū)長(zhǎng)度。4、讀出區(qū)結(jié)構(gòu)和背景輻射也會(huì)