7.1光电导红外探测器件

第七章 致冷型红外探测器件

热探测器(非致冷)是利用入射红外辐射引起敏感元件的温度变化， 进而使其有关物理参数或性能发生相应的变化。通过测量有关物理参 数或性能的变化可确定探测器所吸收的红外辐射。主要有热电阻型、 热电偶型、热释电型和高莱气动型等几种型式。热探测器的主要优点 是响应波段宽，可以在室温下工作，使用方便。热探测器一般不需致 冷(超导除外)而易于使用、维护，可靠性好；光谱响应与波长无关， 为无选择性探测器；制备工艺相对简易，成本较低。但由于热探测器 响应时间长，灵敏度低，一般只用于红外幅射变化缓慢的场合。热探 测器性能限制的主要因素是热绝缘的设计问题。 光子探测器(致冷型)是利用某些半导体材料在红外辐射的照射下， 产生光子效应，使材料的电学性质发生变化。通过测量电学性质的变 化，可以确定红外辐射的强弱。按照光子探测器的工作原理，一般可 分为外光电和内光电探测器两种。内光电探测器又分为光电导探测器、 光电伏特探测器和光磁电探测器三种。光电探测器的主要特点是灵敏 度高，响应速度快，响应频率高。但必须在低温下工作，而且探测波 段较窄。

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第七章 致冷型红外探测器件热探测器与光子探测器的性能比较 (1) 热探测器一般在室温下工作，不需要致冷；多数光子

探测器必须工作在低温条件下才具有优良的性能。工作于 1~3μm波段的PbS探测器主要在室温下工作，但适当降低 工作温度，性能会相应提高，在干冰温度下工作性能最好。 (2) 热探测器对各种波长的红外辐射均有响应，是无选择 性探测器；光子探测器只对短于或等于截止波长λc的红外 辐射才有响应，是有选择性的探测器。 (3) 热探测器的响应率比光子探测器的响应率低1~2个数量 级，响应时间比光子探测器的长得多。

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7.1 SPRITE探测器原理与结构 SPRITE(Signal-Processing-in-The-Elements) 探 测器属于光电导效应型探测器，这种探测器利用了 红外图像扫描速度与光生载流子双极运动速度相等 的原理，实现了在器件内部进行信号探测、时间延 迟和积分的三种功能，大大简化了焦平面外的电子 线路，从而使探测器尺寸、重量、成本显著下降， 并提高了工作可靠性，依据其原理，也称之为“扫 积型探测器”。是80年代英国人为高性能实时热成 像系统研制出的新型红外探测器。

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SPRITE这种新型红外探测器器件利用红外图像扫描速度

等于光生载流子双极漂移速度这一原理实现了在探测器内 进行信号延迟、叠加，从而简化了信息处理电路。它可用 于串扫

或串并扫热成像系统，但与热成像系统中使用的阵 列器件不同。 阵列器件是互相分立的单元，每个探测器要与前置放大器 和延迟器相连，它接收目标辐射产生的输出信号需经放大、 延迟和积分处理后再送到主放大器，最后在显示器中显示 出供人眼观察的可见图像。 目前国内外研制的SPRITE探测器，有工作温度为77K、工 作波段为8~14 m和工作温度为200K左右、工作波段为 3~5 m两种。将它用于热成像系统中，既完成探测辐射信 号的功能，又完成信号的延迟、积分功能，大大简化了信 息处理电路，有利于探测器的密集封装和整机体积的缩小。

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7.1.1碲镉汞(HgCdTe)红外探测目标的波长大约在8 um-14um,要求光电导材料的禁带 宽度在0.09-0.15电子伏，Hg1-xCdxTe是由CdTe和HgTe组成的固 熔三元化合物半导体，x表示CdTe占的配比。选择不同的x值就 可制备出一系列不同禁带宽度的碲镉汞材料。

经验公式：

Eg 0.25 1.59 x 5.233 10 4 T (1 2.08 x) 0.327 x3 Eg 5.233 10 4 T (1 2.08 x) dEg 5.233 10 4 (1 2.08 x) dT

(7 3)

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7. 1.2 SPRITE工作原理及结构-扫出效应读

图7-2 SPRITE探测器工作原理示 意图 2 p p p p g D E t x 2 x (7 5)

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7. 1.2SPRITE工作原理及结构-扫出效应读

SPRITE探测器工作原理示意图

强电场作用下：

p p p g E t x

(7 11)

漂移长度：临界电压2013-2-20

Ld μ EτU EL L2

(7 12)(7 14)

当红外光照射到两端加有固定电压的N型半导体上， 光生载流子将经历产生、复合、扩散和漂移的过程， 其浓度变化形式可写成公式7-11,其中D和μ为双极扩 散系数和双极迁移率。见7-9、7-10。 漂移是由于电场E作用下，且n与p不等造成的。若 n=p,μ=0,则无漂移运动； 对于N型半导体，n>>p, μ= μ p,这表明光生少数 载流子空穴在电场的作用下漂移。Δn和Δp沿同一方向 运动，但是Δn和Δp不重合，会产生附加电场。它同E 反向，使之消弱。在被消弱的电场区，多子(电子) 的漂移速度降低，导致左端电子浓度降低，右端增加， 相当Δn于向右漂移。 总体呈现出，当Δp前进时， Δn也跟着前进，用这种 方法就可以实现Δp分布的自动扫描，这种效应称为 “扫出效应”。漂移长度： Ld μ Eτ (7 12)

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双极运动漂移速度与材料的少数载流子迁移率和外置偏压大小 有关，如果偏压足够大，非平衡少子将全部或大部分扫出，若 电场场强过小，非平衡少子漂移长度小于器件长度，则光生少 子将在体内复合. L若大于样品长

度，则在τ时间内 …… 此处隐藏：1902字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……