激光辐照下PV型HgCdTe探测器反常响应机理

 利用PV型探测器开路电压的表达式,并考虑探测器的温度变化建立模型,对激光辐照下PV型HgCdTe探测器开路电压的变化进行了理论计算。当激光较弱时,计算结果与实验结果符合得很好。当激光较强时,对于辐照过程当中探测器输出变化的一般性趋势以及激光完全停照后的热弛豫过程,该模型也能给出较好的解释;但对于激光开始辐照时输出下跳和激光停止辐照时输出上跳的反常现象,该模型不能给出合理的解释。分析认为,该模型较好地描述了晶格温升对探测器输出的影响,但是它没有考虑热载流子效应;当激光较强时,热载流子效应不可忽略,特别是激光开始辐照和激光停止辐照时,载流子与晶格的温度差有比较明显的快速变化,从而导致了探测器的反常响应。     

波段外激光辐照光导型InSb探测器的一种新现象

利用不同功率密度的10.6 μm(光子能量为0.12 eV)连续激光辐照了禁带宽度为0.228 eV的光导型锑化铟探测器, 得到了与以往报道不同的实验现象. 当10.6 μm波段外激光辐照光导型探测器时, 探测器吸收激光能量后温度升高. 在探测器的温升过程中, 存在一个转变温度T₀. 当探测器的温度T<T₀时, 载流子浓度基本不变, 迁移率随温度的升高呈T^-2.35趋势下降, 引起探测器的电导率减小, 电阻增大, 响应输出电压升高; 当T>T₀时, 热激发载流子浓度随温度的升高呈指数增长, 电阻急剧下降, 超过了载流子迁移率降低对电阻的影响, 响应输出急剧下降. 光电导探测器在较高功率密度波段外激光辐照下的响应特性是载流子的浓度和迁移率在温度影响下相互作用的结果. 这对进一步完善半导体内载流子输运模型提供了实验依据.     

光伏型光电探测器的激光软损伤机制

 对激光辐照功率密度高于探测器饱和阈值而低于其破坏阈值（中等功率的激光）时光伏型光电探测器的软损伤进行了理论研究,提出了一种新机制。当激光辐照功率密度超过探测器的饱和阈值以后,载流子的带间跃迁达到深度饱和,在半导体内产生热载流子且热载流子的温度高于晶格的温度,从而导致了光伏型光电探测器的电压输出信号随着辐照光功率密度的增加而下降直到零压输出的现象。对激光辐照下光伏型HgCdTe探测器的输出信号进行了模拟计算,结果表明,辐照光功率密度处于一定范围内探测器的输出信号随着辐照光功率密度的增加而逐步下降,甚至接近于零,与实验结果相符合。     

双光束组合激光辐照光导型CdS光电探测器的实验研究

为研究波段内和波段外组合激光对光导型光电探测器的辐照效应,实验采用532nm(波段内)和1319nm(波段外)双光束组合连续激光辐照光导型CdS光电探测器,分别改变两束激光的辐照功率,得到探测器的电压响应曲线。实验结果表明,光电探测器对波段内和波段外激光都有响应,但在激光开始和停止辐照瞬间探测器对两束激光的响应电压刚好相反。探测器对波段外激光的电压响应随线性工作区间内的波段内激光功率升高而增大;随着波段内激光趋于饱和,对波段外激光的响应电压近似指数级下降。分析认为,光电探测器对波段外激光的响应为光激发热载流子效应,是由自由载流子吸收激光能量产生带内跃迁引起的;波段内激光辐照影响探测器对波段外激光的吸收系数。     

飞秒激光辐照下单晶硅薄膜中超快能量输运的数值模拟

利用载流子输运模型对飞秒激光辐照下单晶硅亚微米薄膜中的能量输运过程进行数值模拟。研究了不同辐照能量密度和不同激光波长对载流子密度和温度超快变化过程的影响规律。结果表明,在800nm激光辐照下,不同入射能量密度仅影响载流子密度和温度响应的峰值,但达到峰值的时刻不变。平衡态的恢复过程受入射能量密度影响很小。在不同波长激光辐照下,光子能量越大,载流子密度和温度达到峰值所用时间越短,对应峰值越大,但衰减速度也越快。当入射光子能量大于单晶硅的直接带隙时,快速衰减时间常数可以与载流子能量弛豫时间相当。     

光伏碲镉汞探测器在波段内连续激光辐照下的非线性响应机理研究

利用波段内连续激光, 辐照禁带宽度为0.33 eV的中波光伏碲镉汞探测器. 实验结果表明, 随着辐照激光光强的逐渐增大, 探测器从线性响应过渡为非线性响应. 当探测器进入非线性状态, 探测器的开路电压随激光光强的增大而减小, 且在激光开启辐照时开路电压信号迅速下跳, 在激光停止辐照时开路电压信号迅速上跳. 通过考虑激光辐照下探测器的温度场分布以及温度对p-n结内建电场的影响, 结合考虑机械快门在开启和关闭时对激光光强变化的影响, 建立了光伏探测器在波段内连续激光辐照下的解析模型, 模型计算结果与实验结果吻合得较好. 研究表明, 激光辐照过程中的非线性响应, 主要由温度对p-n结内建电场的影响决定, 激光开启和关闭时的开路电压的幅值是由光强和温度共同决定.     

中红外高能激光探测单元

基于光电导探测原理,分析了影响室温光导型InSb探测器在中红外激光功率参数测量中的因素,得到了材料掺杂数密度、环境温度对探测器暗电阻、光谱响应率和光谱探测率的影响规律;开展了探测器在强激光辐照下的热效应理论模拟和实验研究,模拟分析了探测器在激光辐照下的动态响应特性。结果表明:针对测量系统中所使用的探测器,在激光功率密度小于4 W/cm2时,激光热效应对测量结果的影响可忽略;研制了相应的恒流源驱动电路,实现了中红外高能激光功率参数的探测。     

波段外激光辐照PC型探测器的反常响应机制

 提出了PC型半导体探测器对波段外激光辐照的热电子光电导响应机制。响应波段外激光辐照PC型半导体探测器时,探测器有响应且输出电压信号迅速增大,与波段内激光辐照时的响应规律截然不同,这是由光激发能带内热电子而引起的光电导现象。当较强功率的激光辐照时还应考虑热效应。依据该机制进行了模拟计算,计算结果表明当PC型HgCdTe探测器被波段外激光辐照时,热电子的产生使得电导率减小,进而导致探测器的电阻增大。     

光伏半导体器件对能量小于禁带宽度光子的响应机理研究

利用光子能量为0.12 eV的10.6 μm连续激光分别辐照了禁带宽度为0.91和0.33 eV的光伏碲镉汞探测器. 实验表明,激光辐照下禁带宽度为0.91 eV的探测器输出正电压,而禁带宽度为0.33 eV的探测器对激光的响应方向却与之相反. 为了研究此现象,利用功率密度一定的10.6 μm激光辐照不同开路电压状态下禁带宽度为0.91 eV的探测器,实验结果证实初始开路电压是产生输出电压反向现象的原因. 对这一机理进一步分析发现,光伏探测器在光子能量小于禁带宽度的激光辐照下,其开路电压是热激发载流子导致的热生电动势和自由载流子吸收导致的晶格热效应共同决定的. 关键词： 能量小于禁带宽度的光子 光伏碲镉汞探测器 热生电动势 晶格热效应     

亚皮秒脉冲激光辐照硅薄膜热效应的模拟研究

基于Boltzmann方程,采用了Chen J K等人建立的自相关模型,考虑了Si薄膜的热容、热导率、弛豫时间等热力学参量随温度非线性变化的影响.采用有限差分法,数值求解了脉宽为500 fs的激光脉冲辐照2 μm厚硅膜的自相关模型.分析了膜表面载流子浓度、载流子温度、晶格温度等随入射激光功率和脉宽等的变化规律.结果表明：在脉冲辐照初期（t<0.68 ps）,载流子和晶格之间存在着明显的非热平衡性,之后通过相互之间的弛豫碰撞,逐渐达到热平衡,载流子热容是引起载流子温度在早期迅速上升的原因;载流子温度速率方程中单光子吸收、载流子-晶格能量交换和载流子能流变化率对载流子温升影响较大,而多光子吸收、双极能流和带隙能量变化率对载流子温升的影响较小,可以忽略;较高脉冲激光能量（Ф＞0.02 J·cm－2）辐照Si膜,会引起载流子密度方程中的俄歇复合项增大,从而使载流子密度下降率增大,导致载流子温度出现双峰.     

光伏型HgCdTe阵列探测器的电学串扰

阵列探测器单元间的串扰是影响探测效果的重要因素，研究探测器的串扰机理及其抑制措施有助于优化探测器性能。针对激光辐照线阵HgCdTe探测器实验中的串扰现象，使用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件建立了激光辐照探测器的三维仿真模型，通过模拟芯片内载流子浓度分布、光电流和电场，揭示了电学串扰的产生机理，并针对该器件提出了沟槽隔离的抑制串扰措施。研究结果表明：光生载流子沿线阵排列方向的横向扩散是造成被辐照像元附近像元串扰的直接因素，但对距离辐照区域较远的像元影响较小；公共P极电压降低是导致距离辐照区域较远的像元产生响应的根本原因。此外，仿真结果验证了提出的沟槽隔离措施对电学串扰具有显著的抑制效果。     

激光辐照碲镉汞红外焦平面探测器的热应力损伤研究

基于碲镉汞红外焦平面探测器的结构与其材料热力学相关特征,描述了激光辐照碲镉汞红外焦平面探测器造成的损伤机理。根据相关的辐照环境和条件,通过有限元分析法建立了三维仿真模型。基于COMSOL Multiphysics软件仿真了碲镉汞红外探测器受到波长10.6 μm的激光辐照时,探测器各部分的温度变化及应力变化情况;通过数值分析方法,比较了碲镉汞探测器在经过光斑面积相同。功率不同的激光辐照后,其表面径向及内部轴向的温度场变化及应力场变化情况。仿真结果表明:在经过106 W/cm2的连续激光辐照后碲镉汞探测器表面温度与应力快速升高,造成探测器表面损伤,同时探测器被辐照部位的温度变化也导致其内部局部应力值变化。将碲镉汞探测器的应力损伤阈值及变化趋势与文献中相关实验数据进行对比,发现二者结果基本一致,验证了模型的可行性。     

光导型HgCdTe光电探测器对双波段组合激光辐照动态响应的数值模拟

采用数值方法,考虑波段内激光的本征载流子带间跃迁吸收和波段外激光的自由载流子带内跃迁吸收的光吸收机制,以及器件温升对载流子寿命、浓度、迁移率和光吸收系数等材料参数的影响,通过求解粒子数平衡方程和热传导方程的联立方程组,研究了PC型HgCdTe光电探测器在波段内和波段外双光束组合激光辐照下的动态响应过程.计算结果证实了探测器对波段内和波段外激光的电压响应方向相反;结果显示探测器对波段外激光的反向电压响应随波段外激光功率升高迅速增大,线性区间的波段内背景光辐照使波段外光响应迅速增大,随波段内激光使探测器趋于饱和,波段外光响应逐渐减小.     

激光对半导体材料损伤的机理研究

研究了半导体材料对激光的吸收机制。运用一维热传导方程以及载流子耦合扩散方程研究了激光与半导体材料相互作用的热输运、自由载流子输运过程。分析了半导体材料的热学损伤、力学损伤,以及光电探测器的击穿损伤机制。应用数值模拟的方法对Nd:YAG脉冲激光(1.06μm)辐照下感兴趣的半导体材料PbS内部瞬时温度场分布进行了模拟。     

超短脉冲激光辐照硅膜的热弹性

 考虑到热电子崩力的影响,在基于玻耳兹曼理论弛豫时间近似的非线性自相关模型基础上,将晶格温度与应变速率相耦合,建立了超短脉冲激光作用下半导体材料的超快热弹性模型。在单轴应变条件下,利用有限差分法模拟了500 fs脉冲激光作用下2 μm厚硅膜内的载流子温度、晶格温度、载流子数密度、热应力和热电子崩力等的变化情况。结果表明：在低能量密度激光条件下,热弹性效应对半导体材料的影响很小;载流子温度达到峰值的时间比激光强度达到峰值的时间早,随后载流子数密度达到峰值,以及激光脉冲作用5 ps以后硅膜趋于总体热平衡;在脉冲辐照早期,非热平衡阶段形成的热电子崩力在超快损伤过程中起主要作用。     

红外探测系统的激光辐照热效应仿真分析

为研究红外探测系统受激光辐照后的热效应与二次热辐射对探测器成像的影响,使用Ansys软件对红外探测器进行热辐射仿真和有限元结构仿真;采用黑体辐射定律和DO辐射计算模型模拟计算探测器内光学系统在不同激光辐照度下的温度随时间变化情况以及探测器内部温升对靶面成像的二次热辐射干扰情况;采用热弹性力学模型仿真计算探测器内部的热应力和热变形情况。结果表明:探测器受到1.06μm激光照射,矫正镜激光辐照度在50 W/cm²时,靶面受到二次热辐照度在0.6 s时达到100μW/cm²的量级,使红外探测器达到饱和;探测器受激光辐照后系统最高温度出现在矫正镜中心处,拟合得到系统最高温度与受照时间函数关系,可预测探测器升温结构破坏;最大热变形出现在矫正镜背面中心处,由外向内形成不等附加光程差,干扰探测器的成像效果;最大热应力出现在矫正镜前面中心处,得到最大热应力与激光辐照度间的线性关系曲线,为矫正镜热应力破坏提供预测参数。     

强激光辐照下光电探测器响应性能的研究

 响应度R是反映探测器性能的一项重要指标,当探测器被强激光损伤后,光电探测器的响应度将发生改变。设计了一套实时测量探测器响应度的装置,用能量逐渐增加的Nd∶YAG激光辐照PIN光电探测器,获得了探测器响应度与入射强激光功率密度的变化关系。从实验数据可知,探测器被功率密度低于7.6×105W/cm2的激光辐照后不会发生损伤,探测器对532nm参考光的响应度不变;当激光的功率密度超过1.27×106W/cm2时,激光辐照后,探测器对532nm参考光的响应度开始下降,当探测器被功率密度为6.01×106W/cm2的激光辐照后,响应度迅速下降,PN结遭到破坏是探测器响应度下降的根本原因,扫描电镜的结果与我们的分析相一致。     

TEA-CO2激光辐照HgCdTe图像传感器的实验研究

利用TEA-CO₂激光对碲铬汞(HgCdTe)图像传感器的干扰和损伤现象进行了实验研究,分析了干扰和损伤机理。探测器上激光能量密度小于255 mJ/cm2时,饱和像素仅出现在光斑区域,激光能量密度为425.8 mJ/cm2时,像素被损伤,观察到了弥散斑和暗环等现象。建立了探测器的激光辐照模型,计算了探测器的温升,讨论了温升与载流子浓度、迁移率的关系。分析认为,弥散斑的出现是探测器升温产生的热激发载流子浓度扩散所致,暗环的出现是迁移率与载流子浓度扩散共同作用的结果,像素的损伤则是因为温升导致汞的析出。     

正对电极结构碳化硅光导开关的电路模型

利用SilvacoTCAD软件,在532 nm激光辐照下,对正对电极结构6H-SiC光导开关（SiC-PCSS）瞬态电流电场的分布及不同光功率下的伏安特性进行了仿真。结果表明:载流子速率在强场下达到饱和,并且电流电场在主要电流区域沿垂直于激光辐照方向均匀分布。提出SiC-PCSS电路模型的建模依据,可以近似条件化简得到PCSS电阻一般表达式的解,建立SiC-PCSS载流子迁移率随电场变化的PSpice模型,分析讨论了外电路参数对SiC-PCSS导通过程的影响。该模型模拟结果与已有实验结果吻合良好。     

光伏型碲镉汞探测器在波段内连续激光辐照下的两种不同过饱和现象的产生机理

利用连续波段内激光对两批光伏型碲镉汞探测器进行了激光辐照实验, 发现了两种不同的过饱和现象. 实验表明, 光伏型碲镉汞探测器在强光辐照下都会出现开路电压随光强增强而减小的过饱和现象, 明晰了PV型探测器在强光辐照下的一般规律性现象和由探测器个体差异导致的特殊现象. 从等效电路模型出发, 剖析了两种过饱和现象的发生条件, 建立了数值计算的理论模型, 对两种过饱和现象进行了数值模拟, 计算结果与实验结果符合得较好. 研究表明, 光伏型碲镉汞探测器在波段内强光辐照下引起的过饱和现象有两种产生机理, 一种是热效应引起的暗电流增大机理; 另一种是探测器材料中缺陷引起的漏电流增大机理. 关键词： 波段内连续激光 光伏型碲镉汞探测器 过饱和现象