（光学工程专业论文）双波段组合激光辐照光电探测器的研究.pdf

。译- 双波段组合激光辐照光电探测器的研究 ， 国防科学技术大学研究生院 r e s e a r c ho ns e m i c o n d u c t o rd e t e c t o r s i r r a d i a t e db yi n b a n da n do u t o f - b a n d l a s e rb e a m s c a n d i d a t e ：l il i s u p e r v i s o r ：p r o f l uq i s h e n g ad i s s e r t a t i o n s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fd o c t o ro fe n g i n e e r i n g i no p t i c a le n g i n e e r i n g g r a d u a t es c h o o lo fn a t i o n a lu n i v e r s i t yo fd e f e n s et e c h n o l o g y c h a n g s h a ，h u n a n ，p 1 乙c h i n a j a n u a r y ，2 0 1 0 r ， r 档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： 日期：d o l o 年，月3 日 日期：庆j d 年f 月t s - 日 l _ - ， 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 目录 图目录l v 表目录v l 表目录v l 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 课题研究背景与意义1 1 2 本文的主要研究方法和内容4 第二章基础理论6 2 1半导体材料的光吸收和能量转换6 2 1 1 半导体材料中的光吸收机制6 2 1 2 半导体材料内激光能量的转换8 2 2 激光与半导体光电探测器的作用9 2 2 1 半导体光电探测器的种类及其工作原理9 2 2 2 半导体光电探测器内的载流子输运1 0 2 3 小结1 4 第三章p c 型半导体光电探测器在双波段组合激光辐照下的动态响应1 5 3 1 光导型光电探测器的工作原理及波段内激光辐照效应1 5 3 1 1半导体光电导效应1 6 3 1 2 光导型光电探测器的工作原理1 7 3 1 3 光导型光电探测器的波段内激光辐照效应1 8 3 2c d s 光敏电阻在5 3 2 n m 和1 3 1 9 n m 组合激光辐照下的动态响应1 9 3 2 1实验装置1 9 3 2 2 实验内容和结果2 l 3 3p c h g c d t e 探测器在1 3 1 9 r i m 和1 0 6 0 0 n m 组合激光辐照下的动态响应2 3 3 3 1实验装置2 3 3 3 2 实验内容和结果2 5 3 4 实验数据处理及结果分析2 8 3 4 1 波段外激光辐照的异常响应2 8 3 4 2 不同功率密度波段外激光辐照的响应规律2 9 第1 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 3 4 3波段内背景激光辐照对波段外激光响应的影响规律3 2 3 4 4 波段外激光辐照下的热效应分析3 4 3 4 5两种光电探测器波段外响应规律的异同3 6 3 5 小结3 7 第四章波段外激光辐照光伏型h g c , d t e 光电探测器的实验研究一3 8 4 1光伏型光电探测器的工作原理3 8 4 1 1光伏型光电探测器的结构3 8 4 1 2 光伏型光电探测器的工作原理4 0 4 1 3 光伏型光电探测器的波段内激光辐照效应4 2 4 2 1 0 6 9 m 波段外激光辐照p v 型i - - i g c d t e 光电探测器的实验研究一4 3 4 2 1 实验装置4 3 4 2 3 实验结果4 5 4 3 实验结果分析4 7 4 3 1 探测器内的温度梯度4 7 4 3 2 探测器电压响应的热生电动势4 9 4 3 3探测器电压响应的变化规律5 1 4 3 4 波段外激光对p v 型n g c d t e 光电探测器的干扰和损伤5 l 4 4 小结5 l 第五章半导体材料在双波段组合激光辐照下的能量耦合规律5 3 5 1 半导体对激光的反射与吸收理论5 3 5 1 1 经典电磁理论5 3 5 1 2 色散的经典理论5 5 5 1 - 3 半导体对波段外光吸收的近金属近似5 6 5 2 积分球原理及应用5 6 5 2 1 积分球原理5 6 5 2 2 积分球在反射率和透射率测量中的应用5 7 5 2 3 实验用积分球测量系统5 7 5 2 4 积分球系统的误差分析5 8 5 3 半导体s i 材料在8 0 8 r i m 和1 3 1 9 n r n 激光辐照下的能量耦合规律5 9 5 3 1实验装置5 9 5 3 2 半导体s i 材料对波段内8 0 8 n m ：激光的能量耦合规律6 l 5 3 3 s i 材料对不同功率密度1 3 1 9 n r n 激光的能量耦合规律6 3 5 3 4 双波段组合激光辐照下s i 材料对1 31 9 激光的能量耦合规律6 4 第页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 i i 5 4 小结6 8 第六章光导型光电探测器在双波段组合激光辐照下动态响应的数值模拟6 9 6 1 半导体光电探测器内载流子输运的理论模型6 9 6 1 1平衡能量流体动力学模型6 9 6 1 2 平衡能量流体动力学模型中的参数7 2 6 1 3 平衡能量流体动力学模型中的初始和边界条件7 8 6 1 4 平衡能量流体动力学模型与漂移扩散模型的比较7 9 6 2e b m 在波段外激光辐照下探测器内热载流子输运模拟中的应用8 l 6 2 1 模型建立8 2 6 2 2 计算参数与基本变量的关系8 4 6 3p c 型h g c d t e 探测器在双波段组合激光辐照下的模拟结果8 6 6 3 1 动态响应及规律8 6 6 3 2 温度场计算及破坏阈值9 l 6 4 小结9 5 第七章全文总结与展望9 6 7 1 全文总结9 6 7 2 展望与设想9 7 致谢9 9 参考文献1 0 1 攻渎学位期间发表的学术成果一10 9 第页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图5 3 图5 4 图目录 光导型光电探测器工作原理图1 7 c d s 光敏电阻结构示意图2 0 c d s 光敏电阻的响应曲线2 0 组合激光辐照c d s 光敏电阻的实验装置示意图2 l c d s 光敏电阻的波段内光响应曲线2 l 固定波段内光功率时c d s 光敏电阻的响应曲线2 2 固定波段外激光时c d s 光敏电阻的响应曲线2 3 p c 型h g c d t e 探测器的分层结构示意图2 4 窗v i z n s 材料的光谱透射曲线2 4 实验中p c h g c d t e 探测器的光谱响应曲线2 5 p c h g c d t e 光电探测器的波段内光响应曲线2 6 固定波段内光功率时p c h g c d t e 光电探测器的响应曲线2 6 固定波段外光功率时p c h g c d t e 光电探测器的响应曲线2 7 c d s 光敏电阻对波段外激光辐照的响应规律3 0 p c - h g c d t e 光电探测器对波段外激光的响应规律3 1 c d s 光敏电阻对波段外光响应随波段内光功率变化曲线3 2 p c - h g c d t e 光电探测器对波段外光响应随波段内光功率变化曲线3 3 c d s 光敏电阻随波段外光功率变化的响应规律曲线3 5 c d s 光敏电阻随波段内光功率变化的响应规律曲线3 5 光伏型光电探测器的能带结构原理图3 9 光伏型光电探测器的能带结构示意图4 0 p v a g c d t e 探测器的光谱响应曲线4 4 z n s 窗口材料的光谱透过率曲线4 4 实验装置示意图4 4 不同光功率密度辐照下探测器的电压响应结果4 6 激光开始、关闭和辐照1 5 s 时刻探测器的电压响应规律4 7 激光辐照过程q ，s g c d t e 前后表面温升以及温度差4 8 双积分球探测器系统结构图5 8 实验光路电路图6 0 纯硅的吸收系数和反射率与波长的关系6 1 积分球信号输出6 1 第页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 1 1 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 图5 1 7 图6 1 图6 2 图6 3 图6 4 图6 5 图6 6 图6 7 图6 8 图6 9 图6 1 0 图6 1 1 图6 1 2 图6 1 3 l 、2 # s i 对f i 同功率密度8 0 8 n m 激光的反射系数曲线6 2 1 、2 # s i 对不同功率密度8 0 8 n m 激光的耦合系数曲线6 2 l # s i 对不同功率密度1 3 1 9 n m 激光的反射率和透射率曲线6 3 2 # s i 对不同功率密度1 3 1 9 n m 激光的反射率和透射率曲线6 3 1 、2 # s i 对不同功率密度1 3 1 9 n m 激光的耦合系数曲线“ l 、2 # s i 对6 0 m w l 3 1 9 n m 光的反、透射率随8 0 8 n m 光功率变化曲线一6 4 1 、2 # s i 对6 0 m w l 3 1 9 n m 光的耦合系数随8 0 8 n m 光功率变化曲线一6 5 1 、2 # s i 对1 0 0 m w l 3 1 9 n m 光的反、透射率随8 0 8 n m 光功率变化曲线6 5 1 、2 # s i 对1 0 0 m w l 3 1 9 n m 光的耦合系数随8 0 8 n m 光功率变化曲线6 5 8 0 8 n m 激光3 4 m w 时1 、2 # s i 对1 3 1 9 n m 激光的反射率透射率曲线6 6 8 0 8 r i m 激光3 4 r o w 时1 、2 # s i 对1 3 1 9 n m 激光的耦合系数曲线6 6 8 0 8 n m 激光8 1 m w 时1 、2 # s i 对1 3 1 9 n m 激光的反射率透射率曲线6 7 8 0 8 n m 激光8 1 m w 时l 、2 # s i 对1 3 1 9 n m 激光的耦合系数曲线6 7 p c 型h g c d t e 结构示意图8 3 波段内光不变时探测器端压、温度和载流子浓度响应曲线8 7 不同时刻探测器的端压、温度、载流子浓度随波段外光功率变化曲线8 8 波段外激光6 7 0w c m 2 时探测器端压、温度和载流子浓度响应曲线8 9 波段外光不变时探测器端压、温度和载流子浓度响应曲线8 9 不同时刻的探测器端压、温度和载流子浓度变化曲线9 0 不同时刻探测器的端压、温度、载流子浓度随波段内光功率变化曲线9 1 改变波段外激光功率密度时探测器温度响应曲线9 2 改变波段内背景激光功率密度时探测器温度响应曲线9 2 波段内激光功率密度不变时探测器最大温升值变化曲线9 3 波段外激光功率密度不变时探测器最大温升变化曲线9 3 不同功率密度波段内背景激光辐照使探测器达到毁伤温度的时间9 4 不同功率密度波段外激光辐照使探测器达到毁伤温度的时间9 4 第v 页 博士学位论文 6 0 8 3 第页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 摘要 随着光电探测器在军事和民用等诸多领域的广泛应用，半导体材料与半导体 光电探测器的激光辐照效应越来越受到人们的重视。在实际应用中，光电探测器 种类繁多，其光谱探测范围从紫外到可见光到远红外，然而每一种探测器都存在 特定的光谱探测范围，即存在探测截止频率，我们把截止频率以内的光称为波段 内光，超出截止频率的光称为波段外光。在光电对抗中，当干扰和毁伤用的激光 为波段外光时，是否还能对光电探测器产生有效的干扰和毁伤，其作用机制如何， 在目前国内外文献中还鲜有报道。 本文从理论和实验两个方面较为系统的研究了波段外激光和双波段组合激光 与半导体材料及光电探测器的相互作用机制，并探索研究了波段外激光对光电探 测器的干扰和高效毁伤。 对不同的光导型光电探测器进行了波段外激光辐照实验，发现了波段外激光 辐照下探测器的电压响应方向与波段内正常探测的信号电压方向相反的响应规 律。考虑到实际应用中，波段内信号光辐照是探测器的正常工作状态，激光干扰 和毁伤通常在探测器的正常工作状态下进行，因此实验还系统研究了在波段内激 光与波段外激光组合辐照下，探测器电压响应的信号输出。通过对大量实验数据 的系统分析，得到双波段激光在不同功率密度组合的情况下，对探测器信号输出 的影响规律，发现探测器对波段外激光辐照的电压响应也存在饱和效应，波段内 背景激光辐照可以增大波段外激光的吸收系数，线性工作区间内的波段内背景光 辐照可以增强波段外激光的信号干扰强度。 对光伏型光电探测器进行了波段外激光辐照实验，得到光伏型光电探测器在 不同功率密度波段外激光辐照下的动态响应规律。发现光伏型光电探测器对波段 外激光的电压响应方向与波段内激光相同，但在开始和停止辐照瞬间，探测器的 输出信号产生瞬间跳变，且该跳变方向随入射光功率密度不同而改变。发现了光 伏型光电探测器内电动势产生的新的机制：在温度梯度存在的情况下，热激发自 由载流子定向运动，在p n 结区被结电场分离，在探测器两端分别累积正负电荷， 形成电动势，我们把其命名为热生电动势。把热生电动势与光生电动势和温差电 动势进行了对比分析，确定了热生电动势是p v 型探测器在波段外激光辐照下电压 响应的主要机制，在波段内激光辐照下热生电动势与光生电动势、温差电动势和 d e m b e r 电动势共存，在端电压的信号输出中不能区分。 利用双积分球探测器系统，对半导体材料在波段内和波段外双光束组合激光 辐照下的反射率和透射率进行了测量，得到了半导体材料与双波段组合激光的能 第i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 量祸合规律。发现随波段内激光功率密度的增强，材料对于波段内激光的能量耦 合效率降低；随波段外激光功率密度的增强，材料对波段外激光的能量耦合效率 先降低后增大；波段内激光辐照可以增大材料对波段外激光的能量耦合效率。 针对波段外激光辐照下光导型光电探测器的反向电压响应，提出了光激发热 载流子输运的思想，并从玻耳兹曼方程出发，在取三阶矩的近似条件下，推导并 建立了用于描述光激发热载流子输运的平衡能量流体动力学模型。并利用数值手 段，自行编制了适用于描述不同探测器及不同功率密度组合激光辐照下载流子输 运过程的计算程序。应用该程序对光导型h g c d t e 光电探测器在双波段组合激光 辐照下的载流子输运过程进行了数值模拟，结果与实验相吻合。利用该程序计算 还得到了探测器在不同光功率密度以及不同激光辐照时间下探测器的破坏阈值。 关键词：半导体光电探测器：波段内激光；波段外激光：光激发热载流子输 运；积分球；热生电动势 第i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ew i d e s p r e a du s eo fp h o t o e l e c t r i cd e t e c t o r si nd i f f e r e n td o m a i n s ，e s p e c i a l l y i nm i l i t a r y ，m o r ea n dm o r ea l t 训o n sa r eb e i n gp a i dt ot h ei r r a d i a t i o ne f f e c t so f s e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l sa n dp h o t o e l e c t r i cd e t e c t o r s t h es p e c t r u mo ft h ep h o t o e l e c t r i c d e t e c t o r sr a n g e sf r o mu l t r a v i o l e tt of a r - i n f r a r e ds i n c et h e r ea r ep l e n t yo fs e m i c o n d u c t o r m a t e r i a l s h o w e v e r , a sf a ra sas p e c i f i cd e t e c t o ri sc o n c e r n e d , i tc a r lo n l yr e s p o n s e st oa s p e c i f i cb a n d w ec a l lt h el i g h t sw i t h i nt h eb a n d “i n - b a n dl i g h t s ；o t h e r w i s ew ec a l l t h e m “o u t - o f - b a n dl i g h t s ”t h es c i e n t i f i cs o c i e t yk n o w sw e l l 也ei r r a d i a t i o ne f f e c t so f d e t e c t o r sb yi n b a n dl i g h t s , w h i l et h e r ei sl i t t l ek n o w l e d g eo ft h ec o r r e s p o n d i n ge f f e c t s b ) ro u t - o f - b a n dl i g h t s ，w h i c hi sa l s oi m p o r t a n ti i lp h o t o e l e c t r i cc o u n t e r m e a s u r e t h i sd i s s e r t a t i o ni sf o c u s e do nt h em e c h a n i s mo ft h ei n t e r a c t i o nb e t w e e ni n - b a n d a n do u t - o f - b a n dl a s e r sa n dp h o t o e l e c t r i cs e m i c o n d u c t o rd e t e c t o r sv i at h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e s e x p l o r a t o r yr e s e a r c hi sa l s om a d eo r lt h ei n t e r f e r e n c ea n d e f f i c i e n td a m a g eo fo u t - o f - b a n dl a s e r so np h o t o d e t e c t o r s w ec a m e do u tp l e n t yo fe x p e r i m e n t si nw h i c hd i f f e r e n tt y p e so fp h o t o c o n d u c t i v e ( p c ) d e t e c t o r sw e r ei r r a d i a t e db yo m _ o f b a n dl a s e r s , f i n d i n gt h a tt h ev o l t a g er e s p o n s e s o fd e t e c t o r si r r a d i a t e db yo u t - o f - b a n di a s e r sw e r oo p p o s i t et ot h o s eb yi n - b a n dl a s e r s w ea l s os t u d i e dt h eo u t p u to ft h ed e t e c t o r sw h e ni r r a d i a t e db yi x ) t i li i i - b a n da n d o u t - o f - b a n dl a s e rb e a m s b a s i n go nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，w ef i n dt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h eo u t p u ta n dt h el a s e ri n t e n s i t y 、c o n c l u d et l l a ta ) t h e r ea l s oe x i s t s s a t u r a t i o ne f f e c tf o r 吐l ev o l t a g er e s p o n s eo fp cd e t e c t o r sw h e ni r r a d i a t e db yo u t - o g b a n d l a s e l x d ，b ) i l l b a n dl a s e ri r r a d i a t i c a ni n c r e a s et h ea b s o r p t i o no ft h eo u t - o f - b a n di a s e r s ， a n dc ) i n - b a n dl a s e ri r r a d i a t i o nw i t h i nl i n e a r - r e s p o n s ed o m a i nc 觚e n h a n c et h er e s p o n s e o fo u t - o f - b a n dl a s e r s w ec a r r i e do u te x p e r i m e n t so n p h o t o v o l t a g e ( p v ) d e t e c t o r s i r r a d i a t e db y o u t - o f - b a n dl a s e r s ，a n dg e tm er u l so fd y n a m i cr e s p o n s e s w ef i n dt h a tt h ev o l t a g e r e s p o n s eo fp v - t y p ed e t e c t o rt oo m 柞b a n dl a s e r si ss i m i l a rt ol h a tt oi n - b a n dl a s r , w h i l et h e r ew e r ei n s t a n t a n e o u sj u m pf o rt h ev o l t a g eb 0 吐la tt h eb e g i n n i n ga n da tt h ee n d o fl a s e ri 盯a d i a t i o n t h ed i r e c t i o no ft h ev o l t a g ej u m pv a r i e dw i t hl a s e ri n t e n s i t y a n a l y s i n gt h ep h y s i c a lp r o g r e s s , w ef i n dn e wm e c h a n i c s o f v o l t a g er e s p o n s e ，w h i c hw e c a l lt h e r m o v o l t a g e c o m p a r i n gw i t hp h o t o v o l t a g ea n dt h e r m o p o w e r , t h e r m o v o l t a g ei s t h em a i nm e c h a n i c so fv o l t a g er e s p o n s ew h e no u t - o f = b a n dl a s e ri r r a d i a t i n g ，a n d t h e r m o v o l t a g ec o m b i n e sw i t hp h o t o v o l t a g e ，t h e r m o p o w e ra n dd e m b e rv o l t a g ew h e n i n - b a n dl a s e ri r r a d i a t i n g u s i n gd o u b l ei n t e g r a t i n gs p h e r e - p h o t od e t e c t o rs y s t e m , w em e a s u r e dr e f l e c t a n c e a n dt r a n s m i t r a n c ef o rs e m i c o n d u c t o rm a t e d a l su n d e ri r r a d i a t i o no fb o t hi n - b a n da n d 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 o u t o f - b a n dl a s e r s ，g e r l n gt h ee n e r g y c o u p l i n gr u l e so fs e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l sa n d l a s e r s w ef i n dt h a ta ) t h ee n e r g y - c o u p l i n gc o e f f i c i e n to fm a t e r i a l sw i t hi n - b a n dl a s e r s d e c r e a s e sw i 仳li n - b a n d - l a s e rp o w e rd e n s i t yi n c r e a s e ；b 1t h ec o e f f i c i e n tf o ro u t - o f - b a n d l a s e r si n c r e a s e sf i r s ta n dd i m i n i s h e ss u b s e q u e n t l yw h e nt h eo u t - o f - b a n dl a s e rp o w e r d e n s i t yi n c r e a s e ；a n dc ) l r r a d i a t i o no fi n b a n dl a s e r sc a ni n c r e a s et h ec o u p l i n g c o e f f i c i e n tf o rt h eo u t - o f - b a n dl a s e r s t oe x p l a i nt h ea b n o r m a lr e s p o n s eo ft h ep c t y p ed e t e c t o rf o ro u t - o f - b a n dl a s e r s 。 w eb n n gf o r w a r dac o n c e p to fp h o t o e x c i t e dh o tc a r r i e r st r a n s p o r t a t i o n b a s i n go n b o l t z m a nf o r m u l a , w eo b t a i nt h ee n e r g yb a l a n c eh y d r o d y n a m i cm o d a lu n d e rl h i r d - o r d e r 印p r o r a m a l a o n , w h i c hc a l ld e s c r i b et h et r a n s p o r t a t i o no fp o h t o e x c i t e dh o tc a r r i e r s a c c o r d i n g l y ，w em a d eap r o c e d u r et h a tc 锄d e s c r i b ed i f f e r e n tc a s e s s i m u l a t i o mf o ra p c - t y p eh g c d t ed e t e c t o ri r r a d i a t e db yi n - b a n da n do u t - o f - b a n dl a s e r sw e r ed o n e , a g r e e i n gw e l lw i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t s b a s i n go nt h ep r o c e d u r e w ea l s oh a v eg o tt h e d e s t r u c t i o nt h r e s h o l do fd e t e c t o r su n d e rd i f f e r e n ti r r a d i a t i n gt i m ea n dp o w e r k e yw o r d s ：p h o t o e l e c t r i cs e m i c o n d u c t o r d e t e c t o r s ；i n b a n dl a s e r ； o u t o f - b a n dl a s e r ；t r a n s p o r t a t i o no fp h o t o e x c i t e dh o tc a r r i e r s ；i n t e g r a t i n gs p h e r e ； t h e r m a l - v o l t a g e 第i v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景与意义 随着光电技术的发展，光电探测器在军事和民用领域都得到了空前广泛的应 用，出于攻防对抗的需要，光电探测器的激光辐照效应和破坏机理也得到了广泛 和深入的研究。 早在七十年代k r u # l 】等人对于激光破坏光电探测器的永久性效应做了大量研 究，并用热传导模型做了热效应分析。l a 0 2 3 】在考虑热传导系数随温度变化的条 件下，用解析方法研究了半导体硅的稳态退火热输运过程。m e y e r 4 ，5 】研究了短脉 冲激光辐照下，半导体材料的表面效应。y o f f a 6 ，7 1 较为系统地研究了半导体硅的加 热过程，指出载流子扩散在能量输运中具有重要的作用。i g m t 8 9 l 进一步研究了强 激光辐照下半导体硅的加热过程中，非线性热输运中载流子的扩散效应。国内在 这个领域也已做了大量的研究工作，李彦文f 1 0 1 等在m e y e r 模型的基础上，忽略载流 子效应，用数值计算方法给i 丑i n s b 材料的熔化阈值与激光波长的定标关系。陆启生 1 l - 1 4 l 等观察到了激光辐照光导型光电探测器产生的瞬变行为、记忆效应、光学饱 和效应，给出了能描述光伏型探测器的光学饱和效应的表达式。蒋志平【l 毛1 6 j 研究 了激光辐照i n s b 探测器和h g c d t e 探测器的温升过程。强希文1 1 7 1 3 】等研究了脉冲激 光辐照探测器的力学效应。王睿【1 只嘴在研究多元探测器系统时，指出由温升引 起的烧蚀热不仅对探测器的半导体材料产生破坏，对滤光片、窗i = i 、引线等的烧 蚀也会导致探测器系统的毁伤。程湘爱、李修乾、马丽芹【2 卜绉1 等对强激光辐照下 的探测器的动态信号响应进行了大量实验，发现了p v 型h g c d t e 探测器中的混沌现 象和零输出效应，并应用改进的漂移扩散模型和等离子体模型对探测器内的载流 子输运进行了数值模拟仿真。郭少峰、李文煜、张震 2 9 - 3 4 】等进行了激光辐照c c d 光电探测器的效应研究，得到了饱和、串扰、热破坏及过饱和等效应。此外强激 光辐照探测器的破坏阈值和破坏机理的研究也日趋广泛和深入p 5 弓2 1 ，得到了多种 波长的激光对多种光电探测器的破坏阈值，在理论和实验方面都取得了丰硕的成 果。 然而，以上如此大量的研究工作主要是针对光电探测器的波段内激光辐照效 应开展的，对于波段外激光辐照的系统研究鲜有报道，而波段内和波段外组合激 光的辐照效应研究尚未发现文献报道。 光电探测器种类繁多，光谱探测范围也几乎覆盖了从紫外到可见到红外的全 部谱段，然而每一种探测器都有其特定的光谱响应范围，即存在探测截止频率， 第l 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 该探测截止频率主要由探测器半导体材料的禁带宽度决定，同时受到材料尺寸、 掺杂浓度、温度等参数的影响。在弱光探测的应用中，当入射光频率小于该截止 频率时，认为探测器没有响应输出，我们把大于截止频率的光称为该探测器的波 段内光，而小于截止频率的光称为波段外光。 在攻防对抗的实际应用中，干扰和毁伤用激光不一定处于探测器的响应波段 内，则该激光成为该探测器的波段外激光。那么，在较强的波段外激光的辐照下， 探测器是否会存在信号响应输出? 波段外激光是否能够对光电探测器产生毁伤， 如何有效降低阈值、达到高效毁伤的目的? 波段外激光与光电探测器的作用机理 如何? 能否通过数值模拟对干扰和毁伤的效果进行预测? 以上问题在光电对抗研 究中具有重要的现实意义。为此，本文将围绕这些问题对波段外激光辐照效应展 开探索性研究。另外，对于半导体光电探测器而言，对波段内信号光的探测响应 是其正常的工作状态，那么当探测器在正常探测工作的状态下，加入波段外激光 辐照，是否能够产生对正常探测信号的干扰? 两者之间会有什么样的相互影响? 针对这些问题，我们还开展了波段内和波段外双波段组合激光辐照光电探测器的 研究。 激光与光电探测器相互作用，首先是由探测器内半导体材料对激光光子的吸 收引起的。探测器的半导体材料对波段内光的吸收【5 3 ，5 4 1 主要是本征吸收，吸收系 数可高达1 0 5 一1 0 6 硎。量级，然而对波段外光的吸收系数却很小，约低4 5 个量级。 在过去的理论和实验研究中，我们认为光电探测器对波段外激光辐照没有响应， 是因为辐照研究大都是在弱光条件下进行。在弱光辐照的情况下，对波段外光的 吸收几乎可以忽略不计，认为材料对波段外光束透明。然而在较强功率密度的波 段外激光辐照下，即使吸收系数较小，但吸收的总能量却因辐照光强的增大而增 大，并且在吸收能量增大的过程中，吸收系数也会随之发生非线性变化，因此波 段外光的辐照效应不能忽略。半导体材料内的电子和声子等吸收波段外激光光子 能量，会从载流子粒子输运和能量输运两个方面对探测器的响应输出和破坏阙值 等参数产生影响。 从理论上研究光电探测器在波段外以及双波段组合激光辐照下的动态响应， 需要对探测器的响应过程建立微观物理模型，并通过数学方法进行模拟仿真。自 二十世纪六十年代以来，半导体器件的模拟仿真在集成电路工业中扮演着越来越 重要的角色。一般说来半导体器件模拟主要有两种方法：一种是蒙特卡洛方法， 这种方法从微观的角度把半导体器件中的载流子看成是分立的个体，主要研究载 流子的个体行为，这种方法的优点是模拟精度高，但它有一个致命的缺点，即占 用的c p u 时间太长。另一种方法是从宏观的角度把半导体器件中的载流子看成是 连续不断的“流体一，从整体输运的角度研究载流子的行为，我们通常称之为载 第2 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = i m = i = = = = = = = = = = = = = = = = = ：= = 流子输运模拟，该方法是目前国内外半导体器件模拟中最常用的方法。 在使用载流子输运方法进行半导体器件进行模拟时，建立的物理模型大致可 分为四大类【5 5 删( 从繁到简) ：量子输运模型( q u a n t u m t r a n s p o r tm o d e l ，简称q t e ) 、 半经典玻尔兹曼输运模型( s e m i c l a s s i c a lb t m 简称s c b t m ) 、平衡能量流体动 力学模型( e n e r g yb a l a n c eh y d r o d y n a m i cm o d e l 简称h d m ) 、和传统的漂移- 扩散 模型( d r i f t - d i f f u s i o nm o d e l 简称d d m ) 。 量子输运模型和半经典玻尔兹曼输运模型是基本的动力学模型，它们描述载 流子在整个态空间( 动量、坐标、时间) 中的运动；平衡能量流体动力学方程和 传统的漂移扩散方程则描述载流子系宗的运动。由于量子输运方程和半经典玻尔 兹曼输运方程描述非常复杂，计算量极大，所以主要应用于量子效应较