光电导红外探测器件

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。第七章致冷型红外探测器件2023/2/4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。第七章致冷型红外探测器件2023/2/47.1

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。2023/2/4SPRITE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8~14m和工作温度为200K左右、工作波段为3~5m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。2023/2/47.1.1碲镉汞（HgCdTe）

红外探测目标的波长大约在8um-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：2023/2/4图7-2SPRITE探测器工作原理示意图7.1.2SPRITE工作原理及结构－扫出效应2023/2/4SPRITE探测器工作原理示意图7.1.2SPRITE工作原理及结构－扫出效应2023/2/4

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＝μp，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”。2023/2/4

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Δp将移出体外，反之，将只有部分Δp能移出体外，在SPRITE探测器中，Lμ＝L为全部扫出条件，可推知此时SPRITE探测器两端所加电压为为临界扫出电压。

L＝Lμ＝μEτ

（7－12）由于扫出效应的存在,当光照射样品时,光信号会自动转移出去，从而可以实现光信号的积累和延迟叠加。实现SPRITE探测器信号积累和延迟的必要条件－红外图像扫描速度等于非平衡载流子的双极运动漂移速度。

Vs=Vd(7-16)

2023/2/4典型的SPRITE探测器的结构八条N型HgCdTe样条构成，每条尺寸（700×62.5)μm2，厚度10μm,样条间距12.5μm。读出区长度50μm，宽度35μm。每条大约等效于10~12个分立单元探测器。当扫描点进入读出区时，Δp将调制读出区电压从而有信号输出。SPRITE探测器的实际结构2023/2/47.1.3SPRITE探测器的响应率光生载流子的稳态方程不受非平衡载流子的扩散影响。设N型光电导体，其掺杂浓度远大于背景辐射产生的载流子浓度，非平衡载流子寿命远大于双极漂移时间，双极漂移速度等于光点扫描速度，有稳定的红外辐射照射到探测器，且沿长度方向自左向右连续扫描。求解微分方程得到光点照射像元上，信号所产生的非平衡载流子浓度随着扫描位置的变化关系。2023/2/47.1.3SPRITE探测器的响应率2023/2/4SPRITE探测器的响应度分析响应度表达式，可探讨提高响应度的途径：(1)响应率与电场强度的关系：E过小，则载流子的渡越时间长，载流子在漂移的过程中，被大量的复合，影响响应率。适量的增大E则可以增大响应率。但是如果过分增大E，则会增大焦耳热，从而增大热噪声电流，使器件性能变坏。可采用制冷技术，降低读出区的热激发载流子浓度，提高响应度，（2）响应率过年载流子寿命的关系增大载流子寿命，可以提高响应度，故可通过探测器表面钝化技术来实现表面复合的影响降低到最低。（3）响应率与器件厚度的关系从响应率的公式上，采用指数展开可以看出响应率与器件厚度无关，实际上，厚度大，表面反射损失大，响应率小，应考虑适当减薄材料的厚度。。2023/2/4SPRITE探测器的分辨力影响SPRITE探测器分辨能力的三个主要因素：1、非平衡载流子的扩散2、图像扫描速度与光生载流子漂移速度的失配3、读出区长度。4、读出区结构和背景辐射也会