光電導(dǎo)紅外探測器件

熱探測器（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。通過測量有關(guān)物理參數(shù)或性能的變化可確定探測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型等幾種型式。熱探測器的主要優(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)與波長無關(guān)，為無選擇性探測器；制備工藝相對簡易，成本較低。但由于熱探測器響應(yīng)時間長，靈敏度低，一般只用于紅外幅射變化緩慢的場合。熱探測器性能限制的主要因素是熱絕緣的設(shè)計(jì)問題。光子探測器（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。通過測量電學(xué)性質(zhì)的變化，可以確定紅外輻射的強(qiáng)弱。按照光子探測器的工作原理，一般可分為外光電和內(nèi)光電探測器兩種。內(nèi)光電探測器又分為光電導(dǎo)探測器、光電伏特探測器和光磁電探測器三種。光電探測器的主要特點(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，而且探測波段較窄。第七章致冷型紅外探測器件2023/2/4熱探測器與光子探測器的性能比較(1)熱探測器一般在室溫下工作，不需要致冷；多數(shù)光子探測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探測器主要在室溫下工作，但適當(dāng)降低工作溫度，性能會相應(yīng)提高，在干冰溫度下工作性能最好。(2)熱探測器對各種波長的紅外輻射均有響應(yīng)，是無選擇性探測器；光子探測器只對短于或等于截止波長λc的紅外輻射才有響應(yīng)，是有選擇性的探測器。(3)熱探測器的響應(yīng)率比光子探測器的響應(yīng)率低1~2個數(shù)量級，響應(yīng)時間比光子探測器的長得多。第七章致冷型紅外探測器件2023/2/47.1

SPRITE探測器原理與結(jié)構(gòu)SPRITE(Signal-Processing-in-The-Elements)探測器屬于光電導(dǎo)效應(yīng)型探測器，這種探測器利用了紅外圖像掃描速度與光生載流子雙極運(yùn)動速度相等的原理，實(shí)現(xiàn)了在器件內(nèi)部進(jìn)行信號探測、時間延遲和積分的三種功能，大大簡化了焦平面外的電子線路，從而使探測器尺寸、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“掃積型探測器”。是80年代英國人為高性能實(shí)時熱成像系統(tǒng)研制出的新型紅外探測器。2023/2/4SPRITE這種新型紅外探測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)了在探測器內(nèi)進(jìn)行信號延遲、疊加，從而簡化了信息處理電路。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，每個探測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圖像。目前國內(nèi)外研制的SPRITE探測器，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，既完成探測輻射信號的功能，又完成信號的延遲、積分功能，大大簡化了信息處理電路，有利于探測器的密集封裝和整機(jī)體積的縮小。2023/2/47.1.1碲鎘汞（HgCdTe）

紅外探測目標(biāo)的波長大約在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7-9、7-10。

漂移是由于電場E作用下，且n與p不等造成的。若n=p，μ＝0,則無漂移運(yùn)動；對于N型半導(dǎo)體，n>>p，μ＝μp，這表明光生少數(shù)載流子空穴在電場的作用下漂移。Δn和Δp沿同一方向運(yùn)動，但是Δn和Δp不重合，會產(chǎn)生附加電場。它同E反向，使之消弱。在被消弱的電場區(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，Δn也跟著前進(jìn)，用這種方法就可以實(shí)現(xiàn)Δp分布的自動掃描，這種效應(yīng)稱為“掃出效應(yīng)”。2023/2/4

雙極運(yùn)動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，若電場場強(qiáng)過小，非平衡少子漂移長度小于器件長度，則光生少子將在體內(nèi)復(fù)合.L若大于樣品長度，則在τ時間內(nèi)Δp將移出體外，反之，將只有部分Δp能移出體外，在SPRITE探測器中，Lμ＝L為全部掃出條件，可推知此時SPRITE探測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,光信號會自動轉(zhuǎn)移出去，從而可以實(shí)現(xiàn)光信號的積累和延遲疊加。實(shí)現(xiàn)SPRITE探測器信號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)動漂移速度。

Vs=Vd(7-16)

2023/2/4典型的SPRITE探測器的結(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)長度50μm，寬度35μm。每條大約等效于10~12個分立單元探測器。當(dāng)掃描點(diǎn)進(jìn)入讀出區(qū)時，Δp將調(diào)制讀出區(qū)電壓從而有信號輸出。SPRITE探測器的實(shí)際結(jié)構(gòu)2023/2/47.1.3SPRITE探測器的響應(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器，且沿長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探測器的響應(yīng)率2023/2/4SPRITE探測器的響應(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)率與電場強(qiáng)度的關(guān)系：E過小，則載流子的渡越時間長，載流子在漂移的過程中，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。但是如果過分增大E，則會增大焦耳熱，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，故可通過探測器表面鈍化技術(shù)來實(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)展開可以看出響應(yīng)率與器件厚度無關(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探測器的分辨力影響SPRITE探測器分辨能力的三個主要因素：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)長度。4、讀出區(qū)結(jié)構(gòu)和背景輻射也會