连续波激光辐照PV型HgCdTe探测器的新效应

 用连续波DF激光辐照PV型HgCdTe红外探测器，得到不同辐照功率密度下，探测器响应输出的一系列实验结果，观察到器件饱和以外的如探测器混沌、探测器单极化等一些新现象，这些结果与理论预期有着较大差别。给出了实验结果的初步解释，该实验结果为今后更好地研究PV型HgCdTe探测器提供了新的线索。     

激光辐照PC型HgCdTe探测器的实验研究

 分别用连续波1.319μm激光和10.6μm激光辐照PC型HgCdTe红外探测器时，得到了不同辐照光功率密度下，探测器输出的一系列实验结果。给出了在波长为1.319μm的波段内激光辐照下PC型HgCdTe探测器的饱和阈值；用波长为10.6μm的波段外CO₂激光辐照探测器时，发现了一些与波段内激光辐照探测器时大不相同的实验现象；对实验结果进行了分析。简要总结了PC型HgCdTe探测器对于波段内和波段外激光辐照的响应机制。     

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。     

波段外10.6μm激光辐照中红外PV型HgCdTe光电探测器机理分析

用波长为10.6μm的波段外连续波激光辐照PV型HgCdTe中红外光电探测器,得到了不同辐照功率密度下探测器的响应输出随激光功率密度变化的一系列实验结果。观察到探测器对波段外激光的电压响应方向与波段内激光的电压响应方向相同,随波段外激光功率密度升高,探测器的电压响应值先增大后减小。分析认为:该现象是由于探测器材料的弱吸收和基底材料的强吸收在不同时刻产生的不同的温度梯度,与材料的整体温升共同作用的结果。该温度梯度在探测器内产生温差电动势,而热激发的电子空穴对在温度梯度的作用下定向运动被结电场分离,产生热生电动势,热生电动势是波段外激光辐照下PV型探测器中电动势产生的主要机制。     

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。     

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     

连续波氧碘激光对光伏型锑化铟探测器的破坏阈值

 通过测量光伏型锑化铟探测器在不同功率密度的连续波氧碘激光辐照下性能的变化,得到其破坏阈值范围为26(089s)～113(14s)W/cm²。 理论上用一维热模型计算了探测器在激光辐照过程中温升和输出信号的变化过程,对实验结果进行了分析。     

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.     

PV型HgCdTe线阵探测器对强光反常响应机制研究

采用多种波段内激光辐照带有电容反馈互导放大器(CTIA)读出电路的PV型线阵HgCdTe探测器,实验均发现,当激光功率密度增强到约10-2 W/cm2时,未辐照像素也存在响应,且其基底信号出现以前未曾发现的反常响应,即随功率密度的增加,未辐照像素基底信号的响应值先下降后上升,并且噪声增大。针对这一反常响应现象进行了深入研究,结果表明器件内部公共P级结构、电路共用Vref电压结构是导致这一反常响应的主要原因。     

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。     

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.     

高功率密度激光宽角度阵列探测技术研究

为了提高探测器阵列靶的到靶激光功率密度测量范围及入射角度宽容性,从防护取样衰减结构出发,基于全反射与透射散射理论设计镀金铜基面板、光纤取样和散射片所组成的防护取样衰减结构。同时,将所设计的结构应用于探测器阵列靶系统。通过激光辐照靶面热分析、光线追迹仿真及激光逐点扫描实验,对系统抗激光损伤能力、角度特性及通道响应一致性进行分析测试。结果表明,该防护取样衰减结构可以承受高功率密度激光的长时间辐照;在0°～30°的入射角度范围内,实测角度特性系数经余弦校正后相对于正入射偏差小于4%;各通道单元间的响应不一致性标准差均小于2%。     

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。     

波段外10.6 μm激光辐照下光导型HgCdTe探测器的电学响应

 利用描述半导体内热载流子效应的１维能量平衡模型,对波段外10.6 μm激光辐照下光导型HgCdTe探测器的电学响应进行了数值模拟。结果表明：在激光开始辐照和停止辐照瞬间,探测器电阻的快速变化是由载流子温度的迅速变化引起的;在激光辐照过程中以及激光停照后,探测器电阻的缓慢变化是由晶格温度的缓慢变化进而导致载流子温度发生缓慢变化所致。模拟结果与对实验曲线的定性分析得出的结论一致。     

基于热释电探测器的重频脉冲激光诊断(英文)

以热释电探测器的工作原理为基础,研究了热释电探测器对重频脉冲激光的瞬态响应特性,建立了热释电探测器对单脉冲激光辐照响应的工作模型,分析了影响探测器频率特性的主要因素。根据材料和结构参数模拟计算了实际应用中的响应模型。设计了信号检测电路并对其进行计算仿真。完成了探测器的频率响应、脉宽响应等实验测量,验证了热释电探测器用于高重频、窄脉冲激光能量测量的可行性。     

基于热释电探测器的重频脉冲激光诊断

摘以热释电探测器的工作原理为基础,研究了热释电探测器对重频脉冲激光的瞬态响应特性,建立了热释电探测器对单脉冲激光辐照响应的工作模型,分析了影响探测器频率特性的主要因素。根据材料和结构参数模拟计算了实际应用中的响应模型。设计了信号检测电路并对其进行计算仿事。完成了探测器的频率响应、脉宽响应等实验测量,验证了热释电探测器用于高重频、窄脉冲激光能量测量的可行性。     

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InSb(PV)型探测器的热损伤

 在建立高斯型连续激光辐照InSb(PV)型探测器物理模型的基础上,采用近似解析解的形式计算了圆柱形InSb靶板的2维温度场。通过数值分析得出了在激光辐照时,InSb(PV)型探测器的温升与时间的关系,并计算出相应的损伤阈值。研究表明：在强激光连续辐照下,半导体材料InSb会发生熔融损伤,且最早发生于迎光面的光斑中心,激光的功率密度越高,造成破坏所需要的时间越短;对于一定厚度胶层的InSb(PV)型探测器,只有强度大于一定阈值的连续激光辐照才可能发生熔融损伤,越薄的胶层对应的损伤阈值越大。为了增加InSb(PV)型探测器抗激光辐照能力,应该减小胶层厚度。采用该理论计算得到不同功率下的InSb熔融时间为1.57 s和4.54 s,与实验得到的2 s和 4~5 s基本吻合。