（光学工程专业论文）飞秒激光对光伏型256×1线阵碲镉汞探测器的辐照效应研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 摘要 h g c d t e 探测器在民用和军事领域都有着广泛的用途。飞秒激光具有峰值功率高、作 用时间短等特点，其损伤机理和损伤效应与连续激光存在不同，对比研究飞秒激光与连续 激光对h g c d t e 探测器的辐照效应具有重要的意义。 本文从探索飞秒激光与连续激光对h g c d t e 探测器辐照效应的异同出发，对p v 型 2 5 6 1 线阵h g c d t e 探测器进行了激光辐照实验研究，主要工作如下： 1 、实验研究了1 3 1 9 n m 连续激光对探测器的辐照效应，观察了探测器饱和现象、饱和 凹陷现象、饱和凹陷回升现象；测量了探测器单元饱和阈值为6 4 1 0 弓w c m 2 7 3 x 1 0 。c m 2 ， 饱和凹陷阈值为0 6 3 w c m 2 ：饱和凹陷回升阈值为2 1 9 w c m 2 4 2 3 w c m 2 ；实验结果表明： 在功率密度范围1 2 1 0 w c m 2 , , , 0 4 0 w c m 2 内，探测器饱和单元数与激光功率密度近似成 线性关系，平均功率密度低于8 4 5 w c m 2 的1 3 1 9 n m 连续激光未使探测器受到永久性损伤或 暂时性损伤。 2 、实验研究了1 0 3 0 n m 和8 0 0 n m 飞秒激光对探测器的辐照效应，测量了探测单元的 饱和阈值范围为6 5 x l o 4 j c m 2 - - - 9 3 1 0 4 j c m 2 ( 1 0 3 0 n m ) ，8 9 x l o 。5 j c m 2 5 8 x 1 0 4 j c m 2 ( 8 0 0 n m ) ，暂时损伤阈值为1 1 2 x 1 0 也j c l n z ( 8 0 0 n m ) 、永久损伤阈值为o 1 9 j c m 2 ( 8 0 0 n m ) ， 结果表明：飞秒激光单脉冲能量密度是致使探测器达到饱和、受到暂时损伤和永久损伤的 主要因素；发现并观察了飞秒激光辐照下探测器的平区现象、平区周期现象、信号残留现 象，实验测得平区阈值范围为6 5 1 0 4 j c m 2 9 3 x 1 0 4 j c m 2 ( 1 0 3 0 n m ) ，5 4 x 1 0 。4 j c m 2 5 8 x 1 0 n 1 2 ( 8 0 0 n m ) ，平区周期阈值范围为2 3 x 1 0 4 j c i n 2 - - 2 4 x 1 0 。4 j c m 2 ( 8 0 0 n m ) ，信 号残留阈值范围为5 5 1 0 4 j 恐m 2 7 4 x l o 4 j c m 2 ( 8 0 0 n m ) ；发现并观察了探测器受损单元 超常响应现象和抑制现象。 3 、对比了飞秒激光与连续激光辐照探测器的各种损伤效应的异同，发现飞秒激光在 对探测器造成损伤方面具有优势：连续激光未对探测器造成损伤，而相同功率的飞秒激光 对探测器能造成永久损伤。初步得出了飞秒激光的损伤效能优于同等功率密度下的连续激 光的结论。 关键词：辐照效应；h g c d t e 探测器；飞秒激光；饱和阈值： 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a bs t r a c t h g c d t ed e t e c t o ri sw i d e l yu s e di nc i v i l i a na n dm i l i t a r yd o m a i n f e m t o s e c o n d ( f s ) l a s e r s f e a t u r e so fh i g l lp e a kp o w e ra n ds h o r to p e r a t i v et i m em a k ei td i f f e r e n tf r o mt h ec o n t i n u o u sw a v e ( c w ) l a s e ri nd e s t r u c t i v em e c h a n i c sa n dd e s t r u c t i v ee f f e c t t h ec o m p a r a t i v es t u d yo fi r r a d i a t i o n e f f e c to nh g c d t ed e t e c t o rb yf sl a s e ra n dc wl a s e ri ss i g n i f i c a n t t i l ed i f f e r e n ti r r a d i a t i o ne f f e c to nt h eh g c d t ed e t e c t o rb yf sl a s e ra n dc wl a s e ri ss t u d i e d a n ds o m ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho fi r r a d i a t i o ne f f e c to nap vh g c d t el i n e a ra r r a yd e t e c t o rw i t h 2 5 6e l e m e n t sw a sm a d e 1 t h ei r r a d i a t i o ne f f e c to nt h ed e t e c t o rb y1319 n mc wl a s e rw a ss t u d i e d a n dt h e p h e n o m e n ao ft h ed e t e c t o r ss a t u r a t i o nd i pa n dt h er a i s eo fs a t u r a t i o nd i pa r eo b s e r v e di nt h e e x p e r i m e n t s t h es a t u r a t i o nt h r e s h o l do ft h ed e t e c t o re l e m e n ti sb e t w e e n6 4 10 - 3 w e r a a n d 7 3 10 q w c n r ，t h es a t u r a t i o nd i pt h r e s h o l di sb e l o w0 6 3 w c m z a n dt h er a i s eo fs a t u r a t i o nd i p t h r e s h o l di sb e t w e e n21 9 w c m za n d4 2 3 w c m z i tc a nb ea n a l y z e df r o mt h ee x p e r i m e n tt h a tt h e r e l a t i o no ft h en u m b e ro ft h ed e t e c t o r ss a t u r a t e de l e m e n ta n dt h el a s e rp o w e rd e n s i t yi sl i n e a r w h e nt h ep o w e rd e n s i t yi sb e t w e e n1 2 10 吖w c m za n d0 4 0 w c m z ：t h ed e t e c t o rd o e s n th a v e i r r e p a r a b l ed a m a g eo rr e p a r a b l ed a m a g eb y1319a i dc wl a s e ra tt h ea v e r a g ep o w e rd e n s i t y b e l o w8 4 5 w c m z 2 t h ei r r a d i a t i o ne f f e c to nt h ed e t e c t o rb y1 0 3 0 n ma n d8 0 0 n mf sl a s e ri ss t u d i e d a n dt h e s a t u r a t i o nt h r e s h o l d so ft h ed e t e c t o re l e m e n ta r eb e t w e e n6 5 x 、0 - 4 w 汜m 2a n d9 3 x1 0 q f c m 2a t 1 0 3 0 n m a n db e t w e e n8 9 1 0 叼w c m za n d5 8 x 1 0 1 w c m za t8 0 0 n m t h e8 0 0 n ml a s e r s r e p a r a b i l i t yd a m a g et h r e s h o l di s1 1 2 x1 0 吐j c m 2a n di r r e p a r a b i l i t yd a m a g et h r e s h o l di s0 19 j c m 2 t h ee x p e r i m e n t s r e s u l t si n d i c a t et h a tt h es i n g l ep u l s ee n e r g yd e n s i t yo ff sl a s e ri st h em a i n f a c t o rt om a k ed e t e c t o r ss a t u r a t i o n r e p a r a b l ed a m a g ea n di r r e p a r a b i l i t yd a m a g e t h e p h e n o m e n ao ft h ef l a t o u t p u tr e g i o n ，t h ef l a to u t p u tc y c l e ，a n dt h er e s i d u a ls i g n a li so b s e r v e di n t h ee x p e r i m e n t s t h ef l a t o u t p u tr e g i o nt h r e s h o l di sb e t w e e n6 5xl0 。4 j c n l 2a n d9 3 10 4 j c m 2a t 1 0 3 0 n m a n di sb e t w e e n5 4 1 0 q j c m 2a n d5 8 x 1 0 q j c m za t8 0 0 n m ；t h e8 0 0 n ml a s e r sf l a t o u t - p u tc y c l et h r e s h o l di sb e t w e e n2 3 1 0 q j c m za n d2 4 1 0 q j c m z ：a n dt h e8 0 0 n ml a s e r s s i g n a lr e m a i n d e rt h r e s h o l di sb e t w e e n5 5 1 0 4 j e r aa n d7 4 l o - 4 j c m 2 t h ep h e n o m e n ao f e x t r a o r d i n a r yc o r r e s p o n d i n ga n ds u p p r e s s i o no fd a m a g e de l e m e n ti sf o u n di nt h ee x p e r i m e n t s 3 t h ec o n c l u s i o ni sa c h i e v e dt h a tf sl a s e ri sb e t t e rt h a nc wl a s e rb yc o m p a r i n gt h e d e t e c t o r sd a m a g ee f f e c tb yf sl a s e ra n dc wl a s e r si r r i t a t i o n ：t h ed e t e c t o rd o e sn o th a v eb e e n d a m a g e db yc wl a s e r ，w h i l ef sl a s e rc a nd a m a g et h ed e t e c t o ra tt h es a l t l ea v e r a g ep o w e rd e n s i t y k e y w o r d s ：i r r a d i a t i o ne f f e c t ；h g c d t ed e t e c t o r ；f sl a s e r ；s a t u r a t i o nt h r e s h o l d ； 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图2 1 图2 2 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图 图 图 图 o l 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图目录 光伏型光电探测器热平衡时的能带结构原理图( n o i l p 结) 4 初始峰值8 5 g w e m 2 的飞秒脉冲在不同传输距离处的强度变化7 p v 型2 5 6 x l 线阵h g c d t e 探测器尺寸及排列方式示意图。8 p v 型2 5 6 x 1 线阵h g c d t e 探测单元构造示意图8 p v 型h g c d t e 探测器光谱响应曲线。9 探测器正常基底信号1 0 探测器正常饱和信号。1 0 1 3 1 9 n m 连续激光辐照h g c d t e 探测器实验光路示意图1 1 1 3 1 9 n m 连续激光辐照p v 型2 5 6 x l 线阵碲镉汞探测器实验现象1 1 光斑有效半径示意图。13 光斑辐照探测器单元示意图1 3 光斑中心( 第1 2 4 探测单元处) 输出信号随激光功率密度变化情况1 3 饱和单元数与功率密度的关系1 4 探测器不同部位受1 3 1 9 n m 连续激光辐照产生的饱和凹陷波形对比1 5 饱和凹陷随激光功率密度增加而变化的三个阶段1 6 饱和凹陷和回升过程各探测单元输出信号随功率变化情况1 7 中红外飞秒o p a 装置实物图与光路示意图1 9 飞秒激光辐照p v 型线阵h g c d t e 探测器实验系统示意图2 0 1 0 3 0 n m 重频l k h z 飞秒激光辐照探测器的典型实验现象。2 1 1 0 3 0 n m 重频l k h z 实验中探测单元输出信号与激光功率密度的关系。2 2 8 0 0 n m 重频1 h z 飞秒激光辐照探测器的典型实验现象2 3 8 0 0 n m 重频1 h z 飞秒激光辐照探测器周期现象( 种) 2 3 8 0 0 n m 重频1 0 h z 飞秒激光辐照探测器的典型实验现象2 4 8 0 0 n m 重频1 0 h z 飞秒激光探测器周期现象2 5 8 0 0 n m 重频1 0 0 h z 飞秒激光辐照探测器的典型实验现象。2 5 8 0 0 n m 重频1 0 0 h z 飞秒激光辐照探测器周期现象2 6 光斑中心探测单元输出信号与激光功率密度的关系2 6 典型实验现象之一( 光斑直径6 m m ) 2 7 典型实验现象之二( 光斑直径1 0 8 m m ) 2 7 8 0 0 n m 重频l k h z 实验中各探测单元输出信号与功率密度的关系2 9 8 0 0 n m 重频1 k h z 飞秒激光辐照下信号残留现象3 0 第1 2 0 、1 3 5 探测单元在激光信号之后的读出周期中的信号输出。3 0 i v 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图4 1 7 图4 1 8 图4 1 9 图4 2 0 图4 2 1 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 探测器暂时损伤和永久损伤实验结果3 1 8 0 0 n m 重频l k h z 飞秒激光辐照时间对探测器性能的影响。3 2 暂时损伤造成的探测器饱和凹陷随辐照时间的变化3 2 受损探测单元超常响应现象3 3 受损探测单元抑制现象3 4 典型平区现象。3 6 8 0 0 n m 重频1 h z 飞秒激光辐照探测器周期现象( a - - e ) 3 7 8 0 0 r i m 重频l k h z 飞秒激光辐照下信号残留现象3 8 受损探测单元超常响应现象一3 9 受损探测单元抑制现象3 9 连续激光实验中典型饱和凹陷现象4 1 飞秒激光辐照时间对饱和凹陷的影响4 1 v 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表3 1p v 型线阵h g c d t e 探测器性能参数表9 表3 2 杜瓦管脚功能说明9 表3 3平均功率密度p 与饱和单元数n 的对应关系1 4 表3 4 探测器不同部位受1 3 1 9 n m 连续激光辐照产生的饱和凹陷数据对比1 5 表4 1飞秒激光参数2 0 表4 2 低重频8 0 0 n m 飞秒激光辐照下探测单元饱和阈值区间2 6 表4 38 0 0 n m 重频l k h z 飞秒激光辐照下探测器的饱和阈值和平区闽值2 9 表4 4中心功率密度法测量的探测单元饱和阈值区间。3 5 表4 51 0 0 0 h z 飞秒激光平区阈值3 5 表4 6 低重频8 0 0 n m 飞秒激光辐照探测器平区周期阈值3 5 表4 78 0 0 n m 重频l k h z 飞秒激光对探测器损伤阈值3 5 表5 1 飞秒激光和连续激光辐照下探测器单元饱和阈值比较4 0 表5 2 连续激光和飞秒激光对探测器的损伤效应比较4 2 表6 1 各种阈值对照表4 3 续表6 1 各种阈值对照表4 4 i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 日期：蝴年，1 月浙 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，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。) 学位论文题目： 玉壁邀左盟出迭型2 i 兰! 垡睦叠鱼丞拯型墨煎堑墼垫廑受塞 学位论文作者签名： 作者指导教师签名：二笔舀扯 日期：加纱年，月珈 日期：萨易年，7 月2 加 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 光电探测器在民用和军事领域具有十分广泛的用途。激光对光电探测器的作用研究一 直受到重视，人们在激光对光电探测器的辐照效应和破坏机理方面己作了大量的工作。国 外早在2 0 世纪7 0 年代k r u e r 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 】。y o f f a 2 - 3 】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。k j m 4 , 5 j 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。c h e n z h iz h a n g 等人【6 j 对硅c c d 成像探测器的 功能性破坏( 软破坏) 进行研究。h m o h s e n i 7 】等人测量了i n a s g a s b 光电二极管的探测灵 敏度和( a ) 值。f l o r ym l i 等人【s 】对紫外敏感c c d 在激光辐照下的退化行为和损伤机理 进行了研究。 国内李彦文等在m e y e r 模型的基础上，忽略载流子效应，用数值计算方法给出i n s b 材料的熔化阈值与激光波长的定标关系【9 】。蒋志平等人研究了激光辐照i n s b 探测器的温升 过程【l o l 。赵建君等人研究了激光辐照i l l s b ( p v ) 型探测器的热损伤【l i 】，强希文等人考虑了材 料的光学、热学性质的温度关系及热输运的非线性关系，对半导体材料激光损伤效应进行 了解析研究【l 引。 h g c d t e 材料作为一种较为理想的红外光学与光电子学材料，具有许多作为良好光电 材料所必须具备的特点。由它制成的h g c d t e 探测器可适应各种需要，在国防、气象、资 源、环境监测以及生物医学方面都有广泛应用。虽然h g c d t e 探测器具有众多优点并且应 用广泛，但容易受到强激光的干扰和破坏而失去探测能力。因此，激光对h g c d t c 探测器 的干扰和损伤研究有十分重要的意义。 在近期的激光辐照h g c d t e 探测器的实验研究中，李修乾研究了中波h g c d t e 红外探 测器对于波段内以及波段外连续激光的响应特性【l3 1 。江厚满等人针对光伏型光电探测器， 提出了一个新的光伏效应解析模型，描述光伏型光电探测器在强光辐照时的信号饱和效应 【1 4 】。人们还观察到了激光与h g c d t c 探测器作用的一些新效应，如：p c 型h g c d t e 探测器 的记忆效应【1 5 】、反常效应【1 6 1 ；在用连续激光激光辐照p v 型h g c d t e 红外光电探测器的实 验过程中，随着激光辐照功率密度的改变，探测器的输出出现了与理论预期有着较大差别 的演变过程：线性响应一极短的似饱和过渡区一产生混沌( 振荡) _ 非稳定单极化( 零压 输出) ，同时该实验还观察到了探测器的热积累效应【1 7 1 。马丽芹等人通过求功率谱、计算 l y a p u n o v 指数对p v 型h g c d t e 探测器出现的混沌效应进行了诊断，并对混沌出现的可能 原因进行了分析【1 8 】。e n r i c ob e l l o t t i 等人用三维模型对双波段h g c d t e 探测器的光谱响应、 少数载流子寿命等进行了数值模拟【1 9 1 。王睿等人研究了光电探测器信号响应的光热竞争机 理。 第l 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 飞秒激光是指脉宽在1 0 0 5 s 量级的超短脉冲激光，它在很多领域都具有重要的应用价 值，使我们对物质世界的认识范围更广，程度更深。利用飞秒激光可以观测极端条件下物 理现象、化学反应过程；可以利用飞秒激光在半导体激发声子的反射，来测量半导体薄膜 的厚度，以检测半导体薄膜的生长；用飞秒激光作为光通信的光源，可以把现有的通信速 度提高几百倍；也可以用飞秒激光来研究蛋白质光激发的原初过程以及光合作用中电荷转 移、能量转移过程等等科技前沿课题【2 0 1 。 在使用飞秒激光进行破坏机理研究方面国内已有先例。江继军等人【2 1 】于0 4 年进行了 c c d 在f s 激光辐照下的损伤研究；黄绍艳等人于0 5 年进行的5 0 0 f s 超短脉冲激光辐照c c d 的实验【2 2 1 ，郭少锋等人于0 6 年使用高重频飞秒激光辐照面阵c c d 的实验1 2 引，均得到了较 低的损伤阈值。对h g c d t e 探测器而言，使用连续激光和长脉冲激光进行的辐照效应研究 已经比较全面，而使用飞秒激光对h g c d t e 探测器的辐照研究尚不深入。相对连续激光和 长脉冲激光而言飞秒激光是一种新工具，它与物质相互作用时，具有作用时间短、作用区 域小、热效应小、能耗少等许多优点。研究飞秒激光对h g c d t e 探测器的辐照效应可能得 到与连续激光辐照实验不同的结果，发现新的辐照效应。 本文以上海技术物理研究所提供的光伏型2 5 6 x l 线阵h g c d t e 中红外探测器为对象， 实验研究了飞秒激光与连续激光辐照探测器的差异，观察了不同实验现象，并比较了两种 激光的损伤效应。其中第二章为实验相关理论部分，第三章和第四章为实验部分。为对比 飞秒激光对p v 型2 5 6 x l 线阵h g c d t e 探测器的损伤效应，第三章使用1 3 1 9 n m 连续激光 对同一探测器进行了辐照效应实验。实验主要观察了1 3 1 9 n m 连续激光辐照下探测器的饱 和现象，饱和凹陷现象，饱和凹陷回升现象，测量了探测器饱和阈值范围，饱和凹陷阈值 范围。第四章在第三章连续激光实验的基础上，分别使用1 0 3 0 n m 和8 0 0 n m 飞秒激光对该 探测器进行了辐照效应研究，主要观察了探测器饱和现象，测量了饱和阈值，暂时损伤和 永久损伤阈值，得出了飞秒激光单脉冲能量密度是致使探测器达到饱和、受到暂时损伤和 永久损伤的主要因素的结论；发现并观察了飞秒激光辐照下探测器的平区现象、平区周期 现象、信号残留现象、受损单元超常响应现象和抑制现象，测量了平区阈值、平区周期阈 值、信号残留阈值。第五章综合分析比较了飞秒激光与连续激光对探测器损伤效应的差异， 初步得出了在对探测器造成损伤方面飞秒激光优于连续激光的结论。 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 2 1 1 碲镉汞材料介绍 第二章实验相关理论 2 1 碲镉汞探测器简介 1 9 5 9 年，英国皇家雷达科学研究院发表了第一篇关于将半金属h g t e 和宽带隙半导体 c d t e 合成为半导体合金h g c d t e 的报告，这篇论文报告了h g c d t e 在1 2 9 m 以下波长上的 光导和光伏响应特性，并保守的认为这种材料有希望成为本征红外探测器的制作材料。此 后不久，美国霍尼韦尔共同研究中心报道了用一些不成熟的h g c d t e 器件进行光导和光伏 探测的情况。 经过四十多年的发展，h g c d t e 材料在红外领域得到了广泛的应用，成为s i 和g a a s 后第三大半导体材料，是制造中波和长波( 3 3 0 m ) 红外光电探测器的最重要的半导体材 料。h g c d t e 材料的制备也由最初采用体材料直接制作，转变为目前利用薄膜技术来制作 器件，并通过灵活运用各种薄膜的制备和掺杂技术，采用不同的器件结构，使器件的性能 取得了极大的提高。从单元到多元到焦平面，从单色到双色，从低温到高温，从短波波段 到长波波段，h g c d t e 探测器已发展成为了种类最齐全，使用最广泛的一类红外探测器， 在国防、气象、资源、环境监测以及生物医学方面都有应用。 作为一种较为理想的红外光学与光电子学材料，h g c d t e 材料具有许多作为良好光电 材料所须具备的特点，适合制成可适应各种需要的红外探测器。它的优点主要表现在： 1 、h g c d t e 材料可以通过调节组分x 来调整其禁带宽度，从而改变探测器的响应波段。 h g l _ 霄c d x t e 是一种三元混晶半导体材料，是金属h g t e ( e g 一0 3 e v ) 和半绝缘体c d t e ( e 产1 6 e v ) 的连续固溶体。通过调节c d 含量x 的大小，h g l 吖c d 膏t e 合金的禁带宽度随其 组分x 的改变可在0 e v 1 6 e v 范围内变化，从而使探测器工作于l 3 9 m 、3 - 5 p m 、8 1 4 9 m 三个大气窗口波段。根据经验公式，碲镉汞禁带宽度与温度和组分的有如下关系： 乓( x ，r ) = _ 0 2 9 5 + 1 8 7 x - 0 2 8 x 2 + ( 6 - 1 4 x + 3 x 2 ) 1 0 。4 t + 0 3 5 x 4 ( 2 1 ) 2 、h g c d t e 探测器光生载流子的寿命较长，暗电流较小，在较高温度下( 7 0 k ) 通常能 达到背景限制的性能。 3 、h g c d t e 材料光学吸收系数比较大，量子效率高。 4 、与p b t e 和p b s n t e 相比，h g c d t e 的介电常数比较低( 疋= 1 8 x e o ) ，这就使它的结电 容较低，探测器的r c 时间常数小，响应速率快。 5 、由于h g c d t e 存在有利的复合机制，这使得h g c d r e 探测器可以在液氮温度( 7 7 k ) 至常温状态工作。 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 6 、h g c d t e 器件制备工艺成熟。采用常规方法生长h g c d t e 晶体，如掺杂，可满足大 部分器件的要求；光伏h g c d t e 阵列可用液相外延技术来生长：分子束外延和金属汽相外 延等方法可用于小批量生产h g c d t e 工程器件和原型器件；由于h g c d t e 的热膨胀系数与 硅的比较接近，可用混成的方法将h g c d t e 阵列与硅多路传感器混合在一起。 2 1 2 光伏型碲镉汞探测器的开路电压 光伏型碲镉汞探测器开路电压v 0 2 4 , 2 5 ，2 q 由光生电动势场、温差电动势a v 和d e m b e r 电动势k 三部分组成。在n 型层作为受光面的光伏器件中，温差电动势和d e m b e r 电动势 与光生电动势的方向相反，所以开路电压圪为： v o = 圪一a v 一 ( 2 2 ) 2 1 2 1 光生电动势 图2 1 是光伏型光电探测器在热平衡时的能带结构原理图。在制作过程中光伏器件前 后表面生成一层很薄的氧化物，称为界面层，焊接后仍存在于半导体与金属引线之间，由 于金属引线与半导体接触时形成的肖特基势垒的影响造成了界面层内能带边缘的倾斜，界 面层内侧由于密集的局域表面态处于禁带之中，它们俘获过剩载流子使p 区表面带正电， n 区表面带负电，构成了界面层附近的能带弯曲，形成了表面势垒吃和吃。 本文所用探测器的p n 结属于，z o n - p 型，即n 型层作为受光面。从吒到x 。为p n 结的耗 尽层，是扩散势垒，k 。和为表面势垒，e r 是费米能级。 m 暑 2 稍 q = c 兰 0 矗d白x 图2 1光伏型光电探测器热平衡时的能带结构原理图( n - o n p 结) 假设光从n 区表面垂直入射。当敏感波段的光垂直照射在, 区时可以认为光仅在表面 被吸收并产生大量的电子空穴对，然后向两侧扩散。由于界面层较高势垒的作用，表面附 近产生的光生载流子主要向内部扩散。遇到p n 结时，电子被p n 结势垒阻挡，驻留在以 区，空穴则受到p n 结加速，由隧道效应而通过p 区的界面层，形成回路光电流。阻留在 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 n 区的光生电子和流动至p 区的光生空穴之i 日j 构成一个与p n 结势垒反向的电动势，称 为光生电动势。 基于这种物理图象，陆启生等人改进了前人的物理模型，得到光生电动势的表达式为： 肚静巫篙端铲， p 3 ， 式中： 州r 悟”+ 岛伊 ( 2 4 ) n p = ( 虬2 + 4 吩2 一m ) 2 ，p p = ( 虬2 + 4 2 + m ) 2 t i n = ( d 2 + 4 吩2 + ) 2 ，磊= ( d 2 + 4 吃2 一) 2 其中，q 、包分别为空穴和电子的扩散系数，d p = p p k t e ，或= l a k t e ，u p 、以 为相应的迁移率，七为波尔兹曼常数，f 为热力学温度，e 为电子电量。f 。、厶分别为空 穴和电子的寿命，刀，、分别为p 区和，z 区的电子密度，p ，、见分别为p 区和刀区的空 穴密度，m 和分别表示p 区的受主浓度和玎区的施主浓度，为本征载流子浓度。 吩= 2 百m 厄m p k t ) 3 2e x p ( 一乓2 七丁) ( 2 5 ) 、m p 分别是电子和空穴的有效质量，壳= h 2 r c ，h 为普朗克常量。坟为禁带宽度， 它与组分x 和温度丁的函数由经验公式( 2 1 ) 给出光生电子流密度为 q = a r ( 1 一，) p 加( 2 6 ) 其中口为吸收系数，r 为量子转换效率，为材料表面对入射光的反射率，尸为辐照 光功率密度，y 为辐照光频率。 2 1 2 2 温差电动势 当光电探测器受到强激光照射时，由于吸收激光能量，在光照射的方向产生温度梯度， 成为温差电动势的根源。低温端附近的载流子浓度比高温端附近低，使得载流子从高温端 向低温端扩散，并在半导体的两侧积累形成电场。在晶格散射占优势的情况下，对非简并 的p 型半导体，其温差电动势可表示成： 一备c h 警铊卜 弘7 ， 其中m = 2 f 竽r 为价带的等效态密度，为空穴有效质量，p 为空穴载流 子密度。在全部电离和电中性条件下，p 型半导体中自由空穴密度由下式给出： 第5 页 p = 弓1 n _ + 厢) ( 2 - 8 ) 其中s a 为受主杂质浓度，为本征载流子浓度。当温度很低，满足n ， ， 趔 井 咿 迎 丑 舞 苏光平均功率否度p 单位：w c m 2 图3 1 4 饱和凹陷和回升过程各探测单元输出信号随功率变化情况 光斑中心处( 第11 0 ) 探测单元饱和值在出现凹陷后随激光功率密度增加而下降。当 激光功率密度增加到2 1 9 w c m 2 4 2 3 w e r a 2 范围内时，探测单元饱和输出信号开始由加深 向变浅转变，该功率密度区间即为饱和凹陷回升阈值范围。输出信号饱和值的回升随激光 功率密度的增大而逐渐趋于平缓。当激光功率密度达到3 3 6 w c m 2 时，饱和凹陷回升现象 基本停止，探测单元输出信号饱和值接近2 9 v 。 饱和凹陷回升原因分析：读出电路中信号电平保持不变的同时复位电平上升引起了饱 和值下降，形成饱和凹陷。继续增加激光功率密度，复位电平达到饱和而保持不变，而信 号电平能在饱和状态之后出现第二次上升，使二者之差再次增大，引起了饱和信号值的回 升。当复位电平饱和，信号电平二次饱和后，饱和信号就不再随激光功率密度变化，最终 达到稳定。由于光斑中心处激光功率密度最大，因此凹陷回升现象最先从中央部分开始， 其它探测单元的回升要晚于光斑中心处探测单元：第1 0 0 探测单元在平均功率密度范围 4 2 3 w e m 2 5 9 3 w e r a 2 之间发生转变，第1 5 0 探测单元在大于1 6 0 w c m 2 之后发生转变。激 光平均功率密度达到1 6 0 w c m 2 之后，探测器凹陷范围内各探测单元输出信号趋于一致。 结论：探测器在连续激光辐照下的饱和凹陷回升阈值为2 1 9 w c m 2 - 4 2 3 w c m 2 ；读出 电路中复位电平饱和，信号电平二次饱和是出现探测单元饱和值回升的原因；探测器未受 损伤。 3 3 本章小结 本章使用1 31 9 n m 连续激光对上海技术物理研究所提供的光伏型2 5 6 1 线阵碲镉汞 h g c d t e 探测器进行了辐照效应实验。实验观察了连续激光辐照下探测器的饱和现象，饱 和凹陷现象、饱和凹陷回升现象；测量了探测器饱和阈值范围、饱和凹陷阈值、饱和凹陷 回升阈值，分析了饱和探测单元数与激光功率密度的关系；提出了中心功率密度法和边缘 第1 7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 阈值法测量探测器的单元饱和阈值，并比较了两种方法的优劣。初步得至0 以下结论： 1 、p v 型2 5 6 x 1 线阵h g c d t e 探测器在1 3 1 9 n m 连续激光辐照下单元饱和阈值范围为： 6 4 x10 。3 w e r a 2 7 3x10 3 w c m 2 。 2 、饱和探测单元数与激光功率密度关系：在0 0 1 2 w c m 2 0 4 0 w c m 2 范围内存在近似 线性关系： n ( p ) = 4 9 0 5 p + 3 5 8 1 ( 尸) 为探测器在激光平均功率密度p 辐照条件下，探测器的饱和探测单元数。 3 、测量了探测器饱和凹陷阈值范围为小于0 6 3 w c m 2 ；饱和凹陷阈值范围为： 21 9 w e m 2 4 2 3 w c m 2 ； 4 、饱和凹陷和饱和凹陷回升的原因：饱和凹陷是由于复位电平的上升导致，饱和凹 陷回升是由于信号电平在复位电平饱和之后又出现二次饱和导致。 5 、得出功率密度低于8 4 5 w c