InGaAs探測器熱電制冷方法研究

董長哲 王宇 李明 丁曉燕

（北京空間機電研究所，北京100076）

1 引言

近年來，紅外儀器在空間遙感和探測領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多。探測器的性能對整個儀器的性能有著關(guān)鍵性的作用。短波紅外譜段是空間遙感和探測領(lǐng)域一個很重要的窗口，可以很好的反映各種物質(zhì)信息。這個窗口透射率很高，很多物質(zhì)例如礦物質(zhì)、氣體在此譜段都有特定的光譜信號[1]。此外，對應(yīng)于此譜段的探測器技術(shù)也日趨成熟。在短波紅外領(lǐng)域，InGaAs探測器以其探測性能優(yōu)良、可在常溫條件下工作等優(yōu)勢，在空間遙感和探測領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。例如，法國的陸地衛(wèi)星SPOT4/SPOT5、歐洲環(huán)境衛(wèi)星ENVISAT、印度環(huán)境衛(wèi)星和資源衛(wèi)星均采用了InGaAs長線列焦平面器件，用于短波紅外的探測[2-5]。但是，盡管典型的InGaAs探測器在室溫下有較高的像元探測率，已成功地應(yīng)用于部分遙感領(lǐng)域，但對于探測靈敏度要求較高的系統(tǒng)，尤其是其在空間領(lǐng)域中的應(yīng)用，進一步降低其噪聲非常必要。

在InGaAs探測器的各種噪聲源中，暗電流噪聲起著主導作用，尤其在弱光、長積分時間條件下其影響更為顯著。采用對探測器制冷的方法減小其暗電流是提高整個紅外儀器探測靈敏度的一個重要手段，但是制冷的同時也會帶來體積、質(zhì)量、功耗的增加。因此，在保證探測靈敏度的前提下如何縮小制冷系統(tǒng)的體積和功耗是一個關(guān)鍵問題。針對此問題，本文首先分析了InGaAs探測器的工作原理，然后提出了一種綜合考慮體積、功耗因素的制冷方案——通過熱電制冷器對InGaAs探測器進行制冷，有效降低了其暗電流噪聲，提高了InGaAs探測器的探測靈敏度，改善了紅外儀器的性能。

2 InGaAs探測器分析

用于短波紅外領(lǐng)域的探測器有InGaAs探測器和HgCdTe探測器兩種。HgCdTe材料制作的探測器存在很大的局限性，HgCdTe的晶體制備困難，材料具有較高的本征缺陷密度，且在較高溫度或輻射作用下性能不穩(wěn)定，此外，HgCdTe要求有極為精確的組分控制，精確地確定其禁帶寬度，以控制材料的光響應(yīng)截止波長，要使整個晶片有很高的組分均勻性相當困難，這使得制備探測器陣列難度加大。而且HgCdTe材料本身存在著嚴重的隧道效應(yīng)，為了使其能夠靈敏地探測出紅外輻射量的微弱變化，必須在非常低的溫度條件下工作，以抑制噪聲的影響，因而裝置復雜，價格昂貴，使用不方便，在應(yīng)用方面受到諸多限制。而InGaAs材料具有直接間隙，高電子遷移率，可與InP晶格匹配生長等優(yōu)點，由它制作的探測器量子效率高、探測率高，在較高的溫度條件下也可以工作，這樣就使其結(jié)構(gòu)簡單、成本低、質(zhì)量輕、使用方便，在應(yīng)用方面具有可以減小儀器的體積和質(zhì)量、降低功耗、提高可靠性等明顯的優(yōu)勢。

典型的InGaAs探測器材料為In0.53Ga0.47As，工作波段為0.8～1.7μm。改變InxGa1-xAs材料中In的組分x可以改變其截止波長，當x從0增加到1時，其截止波長也相應(yīng)的從0.871μm增加到3.44μm。隨著截止波長的增加，探測器的暗電流噪聲會隨之增大，像元探測率D*下降，噪聲等效功率（NEP）增加，信噪比降低。表1為不同截止波長的探測器的像元探測率（探測器工作頻率為1kHz）。

表1 不同截止波長的探測器像元探測率

由表1可知，對于一般的要求，截止波長為1.7μm的探測器工作在室溫下其像元探測率D*足夠大；但是對于2.2μm和2.6μm截止波長的探測器，為了得到更好的探測效果就需要對其制冷以提高探測器的噪聲水平從而提高像元探測率。

本文研究了一個截止波長為2.2μm、1×512像元的InGaAs探測器，其紅外焦平面陣列在結(jié)構(gòu)上包括兩部分：InGaAs光電二極管陣列和CMOS讀出電路。圖1為其焦平面陣列結(jié)構(gòu)圖?？梢钥闯?，每一個像元由InGaAs光電二極管和讀出電路組成。讀出電路又包括電容反饋跨阻抗放大器 （Capacitive Trans-impedance Amplifier，CTIA）和相關(guān)雙采樣 (Correlated Double Sampling，CDS)電路。CTIA輸入端接InGaAs光電二極管，輸出端接反饋積分電容Cint和復位開關(guān)INT。CDS電路接在CTIA后端，由采樣開關(guān)SH1、SH2及其相應(yīng)的采樣保持電容C1、C2組成。在積分開始時，INT斷開，信號開始積分，SH1接通進行第一次采樣保持，得到初始信號VIDEO1；在積分結(jié)束時，SH2接通進行第二次采樣保持，信號積分結(jié)束，得到最終信號VIDEO2。VIDEO1和VIDEO2差分后得到信號量，即相關(guān)雙采樣模式。

圖1 InGaAs紅外焦平面陣列結(jié)構(gòu)圖

在圖1中，偏置電壓VERF通過一個內(nèi)置電壓調(diào)整器鉗位至3.25V。理想情況下，陣列中每個InGaAs光電二極管所對應(yīng)的VERF都等于3.25V，但實際中會有超過±3mv的偏差。因此每個像元都會存在暗電流△I=△V/R0，其中R0為探測器的零偏電阻。由于△V可能為正或負，暗電流△I的方向也相應(yīng)會為正或反。暗電流的大小隨探測器溫度的變化而變化。試驗表明InGaAs探測器的溫度每降低10℃，其暗電流的大小會減小至一半。因此，對探測器制冷是降低探測器暗電流噪聲的有效手段，尤其在弱光信號條件下，探測器需要在長積分時間的條件下工作，積分時間越長，暗電流就越大，這就更需要降低探測器的溫度以提高其靈敏度。對于此2.2μm截止波長的InGaAs探測器，一般探測器工作時內(nèi)部溫度需要保持在260K左右其暗電流水平可以接受。

3 熱電制冷系統(tǒng)設(shè)計

制冷技術(shù)主要有制冷劑制冷、機械制冷、熱電制冷等方式。不同的制冷技術(shù)因其制冷效果、功耗、質(zhì)量需求不同而有不同的應(yīng)用場合。表2為幾種制冷技術(shù)在常溫下制冷其制冷效果及資源需求的比較。

表2 不同制冷技術(shù)的比較

從表2中可以看出，每一種的制冷技術(shù)在達到一定制冷效果的同時都有不同的質(zhì)量、功率限制。在實際應(yīng)用中，紅外儀器的質(zhì)量和功率都有一定的限制，因此，在滿足制冷效果的前提下，選擇質(zhì)量、功耗較小的制冷方法對儀器的小型化和成本的降低有重要意義。此外，制冷技術(shù)的應(yīng)用還需要考慮諸如制冷劑制冷可能會帶來污染，機械制冷存在振動、長期工作的可靠性不高等問題。

圖2 熱電制冷原理圖

由于InGaAs探測器對制冷效果要求不高，但是其應(yīng)用于小型紅外儀器中，質(zhì)量、功耗資源的限制大。因此，通過不同制冷技術(shù)的比較分析，可以看出熱電制冷最適用于小型紅外儀器的探測器制冷設(shè)計。

熱電制冷又稱半導體制冷、溫差電制冷、電子制冷，它是一種使用特種半導體材料，以電能為動力，珀爾帖（Peltier）效應(yīng)為基礎(chǔ)的能量轉(zhuǎn)換過程[6-7]。如圖2所示，熱電制冷原理是把一塊N型半導體材料和一塊P型半導體材料聯(lián)結(jié)成一個電偶對時，然后在這個電路中接通電壓后迫使電子發(fā)生定向的轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生電流；當電流由N型元件流向P型元件時，接頭處吸收熱量，成為冷端；另一端則放出熱量，成為熱端。當電流反向時，冷熱端互換。熱電制冷器吸熱和放熱的大小是通過電流的大小以PN電偶對的對數(shù)來決定的。

熱電制冷不需要復雜的機械組件所帶來的體積要求，在較高工作溫區(qū)的功耗也很小，而且熱慣性非常小，尤其適合于體積和功耗有一定限制的場合。

本文設(shè)計了一個熱電制冷系統(tǒng)如圖3所示，包括InGaAs探測器、熱電制冷器 （Thermoelectric Cooler，TEC）、散熱器以及風機。TEC冷面貼在探測器背面，熱面貼在散熱器上?？紤]到冷面與熱面的溫差基本為一常量，如果其熱面的溫度太高，將會影響到冷面的制冷效果，所以最好將其熱面貼到散熱器上并用風機增加對流，以使其熱面產(chǎn)生的熱量盡快散掉并達到熱平衡。對于熱電制冷器，驅(qū)動電壓決定驅(qū)動電流，而驅(qū)動電流又決定其制冷能力。因此，需要根據(jù)探測器的制冷需求和散熱器的散熱能力，給TEC提供合適的驅(qū)動電壓，這樣既可以達到制冷需求，又能通過散熱片散出熱量保持熱平衡。

圖3 熱電制冷系統(tǒng)設(shè)計模型圖

此外，對于某些InGaAs探測器芯片，由于探測單元和TEC集成在一個封裝中，受散熱限制，不能將探測器制冷到很低的溫度。這時可采用圖3所示的制冷系統(tǒng)，在探測器背面再貼一片TEC，根據(jù)制冷需求調(diào)節(jié)內(nèi)外TEC的驅(qū)動電壓，這樣不但提高了制冷系統(tǒng)的可控性，同時又進一步增加了制冷深度。

由于熱電制冷器和探測器緊貼在一起，探測器信號很微弱，而制冷器的驅(qū)動電流很大，制冷器的驅(qū)動電流通斷瞬間就有可能對探測器產(chǎn)生干擾。為使驅(qū)動電流緩慢增加，避免制冷器工作在開關(guān)溫控狀態(tài)，因此，采用PID控制方法使制冷器處于連續(xù)溫控狀態(tài)。如圖4所示，將探測器的溫度模擬量傳輸?shù)紸D中進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再將溫度數(shù)字量傳送給PID控制器，控制器根據(jù)連續(xù)采樣溫度的高低發(fā)出控制信號給制冷驅(qū)動電路，從而達到更好的制冷效果。

圖4 溫控系統(tǒng)框圖

4 探測器制冷試驗結(jié)果分析

利用圖3所示的熱電制冷系統(tǒng)對InGaAs探測器進行制冷，采集探測器內(nèi)部溫度數(shù)據(jù)，其溫度值與時間的關(guān)系如圖5所示。可以看出，制冷系統(tǒng)在很短時間內(nèi)將溫度降低到260K左右，并且能夠保持穩(wěn)定。制冷系統(tǒng)內(nèi)部制冷器供電電壓為3.3V，電流為0.85A；外部制冷器供電電壓為2.5V，電流為0.43A，因此制冷功耗約為3.88W，也可以接受。

圖5 熱電制冷效果

然后，對InGaAs探測器在不制冷和制冷條件下分別進行暗電流噪聲測試。探測器的暗電流測試需要在完全無光條件下多次測量探測器的輸出信號，對其求平均值，得到每個像元輸出的平均信號。圖6和圖7分別為探測器在不制冷和制冷條件下輸出信號（測試條件：探測器工作頻率35kHz，積分時間5ms）。對比圖6和圖7可以發(fā)現(xiàn)，制冷以后探測器輸出信號暗電流噪聲得到明顯降低。因此，此熱電制冷系統(tǒng)對InGaAs探測器的探測性能有很大的提升。

圖6 不制冷時探測器輸出信號

圖7 制冷時探測器輸出信號

5 結(jié)束語

本文采用熱電制冷的方法對紅外儀器中的InGaAs探測器進行制冷，以提高紅外儀器的性能。通過測試可以得到如下結(jié)論：1）熱電制冷能夠以相對較小的體積功耗代價快速穩(wěn)定的對InGaAs探測器進行制冷；2）制冷后隨著溫度的降低，InGaAs探測器的噪聲得到明顯降低，從而提高了紅外儀器的探測靈敏度。因此，熱電制冷方法對于紅外儀器在空間遙感和探測領(lǐng)域的應(yīng)用有很大價值。

[1]陳世平.空間相機設(shè)計與試驗[M].北京:宇航出版社,2003.

[2]Moy J F,Chabbal J J,Chaussat S,et al.Buttable Arrays of 300 Multiplexed InGaAs Photodiodes for SWIR Imaging[J].SPIE,1986,686:93-95.

[3]Moy J F,Hugon X,Chabbal J,et al.InGaAs Photodiode Multiplexed Linear Array for SPOT 4 SWIR Channel[J].SPIE,1989,1107:137-151.

[4]劉兆軍,陳偉.面陣凝視型成像空間應(yīng)用技術(shù)[J].紅外與激光工程,2006,35(5):40-44.

[5]Dave H,Dewan C,Paul S,et al.AWiFS Camera for Resourcesat[C].Proceedings of SPIE,Multispectral,Hyperspectral,and Ultraspectral Remote Sensing Technology,Techniques,and Aplications,2006,6405:64050X.

[6]徐德勝.半導體制冷與應(yīng)用技術(shù)[M].上海:上海交通大學出版社,1992.

[7]鐘廣半.半導體制冷器件及其應(yīng)用[M]北京:科學出版社,1989.