一種碲鎘汞長波紅外探測器暗電流測試方法

王 亮,徐長彬

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

碲鎘汞紅外探測器問世以來,引起了各國的重視[1]。以美國、以色列以及歐洲多個國家為主,對碲鎘汞材料進行了重點研究。碲鎘汞紅外探測器在軍用和民用領(lǐng)域得到了快速發(fā)展[2]。然而,為了獲得更好的使用效果,碲鎘汞探測器必須工作在低溫環(huán)境以遏制自身的暗電流水平,因此需要長期研究探測器的暗電流參數(shù)。暗電流會直接提高探測器的無效輸出信號,無效輸出信號的增加勢必減少探測器讀出電路的有效輸出范圍。降低探測器的有效信號,同時暗電流還會提高探測器的噪聲、降低探測器的信噪比。降低目標識別距離。尤其是隨著碲鎘汞探測器波長的延長,暗電流輸出成指數(shù)式增加。

碲鎘汞紅外焦平面探測器的暗電流一般是在無法接受到外界熱輻射的狀態(tài)下進行測試,這種方法在實驗室是比較容易實現(xiàn)的[3]。一般進行紅外探測器研制的單位均具有這種特殊的杜瓦結(jié)構(gòu),但是在探測器實際應用的單位,基本不具備這樣的結(jié)構(gòu)。這種杜瓦結(jié)構(gòu)需要將正常冷屏換成封口冷屏(封口冷屏工作溫度為77 K,熱輻射近似為零)才能得到,而對于一般已封裝好又希望了解其暗電流大小的組件,采用這種方法是不能夠是測試的。本文介紹了一種暗電流的測試方法,可以通過測試和計算得到組件結(jié)構(gòu)的暗電流。

2 探測器輸出電流的分類

正常情況探測器組件產(chǎn)生的電流分為暗電流和光電流:暗電流是指處于工作狀態(tài)的探測器沒有接收到熱輻射時探測器自身產(chǎn)生的電流。而光電流是指探測器接收到所有熱輻射產(chǎn)生的電流。所以探測器產(chǎn)生總電流為:

I總=I暗+I光

(1)

探測器產(chǎn)生的總電流可以通過測試得到。測試流程如圖1所示。

圖1 測試原理流程圖Fig.1 Flow chart of test principle

·暗電流的分類

產(chǎn)生暗電流的機制有很多[4],主要包括:擴散電流、產(chǎn)生復合電流、直接遂穿電流、陷阱輔助遂穿電流和表面漏電流,各種暗電流的產(chǎn)生的機理機理比較復雜,同時又受到器件工藝的影響,因此很難用公式進行計算。

·光電流的分類

探測器產(chǎn)生的光電流是可以通過測試并通過理論計算得到,一般探測器組件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 探測器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure of detector

探測器接收到的熱輻射有杜瓦內(nèi)部的冷屏輻射和窗口輻射以及杜瓦外部的黑體輻射。因此,探測器組件產(chǎn)生的光電流可表示為:

I光=I黑體+I冷屏+I窗片

(2)

2.1 探測器總輸出電流的計算

紅外焦平面探測器的總輸出電流由下式表示:

I總=VT1C/t

(3)

式中,VT1為探測器在T1溫度時的輸出電壓；C為探測器讀出電路的積分電容；t為讀出電路的積分時間。

2.2 黑體輻射電流的計算

探測器組件產(chǎn)生的黑體輻射的光電流由下式表示[5]:

I黑體=η×e×N(T)×Ad

(4)

式中,η為探測器的量子效率,%；e為電子電荷,1.6×10-19C；Ad為探測器光敏面積,cm2；N(T)為黑體溫度為T時探測器單位時間接收的光子數(shù)。

因此我們需要求得量子效率和探測器單位時間接收的光子數(shù)即可求出探測器面對黑體輻射產(chǎn)生的電流。

量子效率的計算公式為:

η=N接收/N輻射

(5)

其中,N接收為探測器產(chǎn)生的電子數(shù);N輻射為探測器接收到的光子數(shù)。

碲鎘汞探測器輸出電子經(jīng)過讀出電路積分放大后轉(zhuǎn)換成電壓并輸出,因此需要將輸出電壓還原成探測器產(chǎn)生的電子數(shù)。利用下式可以得出N接收。

N接收=UC/e

(6)

式中,U為輸出信號。

由于探測器得輸出電壓包含其他固有輻射電壓,所以采用做差得方式除去其他固有電壓得影響。利用兩個不同的黑體溫度得到不同黑體溫度的輸出電壓VT1和VT2,然后采用下式得出輸出信號U。

U=VT2-VT1

(7)

由于測試條件一定時,探測器固有電流包含探測器暗電流、冷屏輻射電流和窗口輻射電流。所以將面對兩個不同黑體溫度產(chǎn)生的輸出電壓然后做差可以消除探測器暗電流、冷屏輻射電流和窗口輻射電流的影響。

若求N輻射,首先要求得探測器的光譜曲線,光譜曲線可以用光譜儀測試直接得到。

求得光譜曲線后,在已知的響應波段范圍內(nèi)計算黑體的輻射光子數(shù),黑體溫度與測試探測器信號的溫度一致。

由普朗克公式算出:

(8)

式中,N(T)為黑體溫度為T時的波段光子數(shù)；λ為探測器的光譜響應范圍,μm；h為普朗克常數(shù),6.63×10-34J·s；c為光速,3×108m/s；K為玻耳茲曼常數(shù),1.38×10-23J/K；FOV為探測器組件的視場角,sr。

所以,N輻射用下列公式可得:

N輻射=N(T2)-N(T1)

(9)

將上述參數(shù)代入到公式(3)中可以得到黑體輻射電流。

2.3 冷屏輻射電流的計算

探測器的冷屏采用發(fā)黑工藝,發(fā)射率一般可以達到0.92以上,近似為黑體。同時冷屏溫度是可以監(jiān)控的。探測器接收冷屏輻射的視場為π減去冷屏開口的視場角。將冷屏輻射視場和冷屏輻射溫度帶入布朗克公式得到以下公式:

(10)

所以冷屏輻射電流可用下式得到:

I冷屏=η×e×N(冷屏)×Ad

(11)

2.4 窗口輻射電流的計算

最后計算窗口輻射電流。由于探測器窗口可以采用鍺、錫化鋅和硅等材料制備,同時受到工藝影響,窗口的發(fā)射率存在一定范圍的變化,因此發(fā)射率很難直接測試得到。本文提供一種可以間接測試窗口發(fā)射率的方法。

將探測器放置烘箱中,將探測器連接采集設(shè)備后正常工作,同時杜瓦窗口面對恒溫的黑體,將烘箱保持一個恒定的溫度T1,得出探測器的輸出電平V1,然后改變烘箱溫度而黑體溫度不變(一般保持2個小時以上確保窗片溫度與烘箱溫度一致),再次采集輸出電平V2,將兩個輸出電平做差,得到因窗片溫度變化得到的電平差異:

V窗=V2-V1

(12)

同時利用探測器已經(jīng)得到的量子效率及布朗克公式計算出窗片的發(fā)射率,公式如下:

(13)

所以探測器窗口輻射光子數(shù)為:

(14)

因此窗片輻射電流為:

I窗口=η×e×N(窗片)×Ad

(15)

2.4 暗電流的計算

最終探測器的暗電流可以用以下公式得到:

I暗=I總-I冷屏-I窗片-I黑體

(16)

3 試驗結(jié)果及分析

選取一只波長為9.5 μm(通用長波組件的要求)的探測器組件進行性能測試,測試條件及結(jié)果見表1和表2。

表1 測試所需的相關(guān)參數(shù)Tab.1 Related parameters required for testing

表2 測試參數(shù)及結(jié)果Tab.2 Test parameters and results

將測試參數(shù)和測試結(jié)果代入到相關(guān)公式得到探測器總電流為10.15 nA；探測器接收黑體輻射產(chǎn)生的電流為9.11 nA；冷屏產(chǎn)生的電流為1.94 pA；窗片產(chǎn)生的電流為0.273 nA。所以探測器暗電流為0.767 nA(去除盲元)。理論計算暗電流圖如圖3所示。

圖3 理論計算暗電流圖Fig.3 Dark current computed in theory

測試出的暗電流占比為7.55 %,因此有效輸出范圍只有92.45 %。同時考慮輸出信號的一致性差異以及光欄能量的影響(一般F=2組件光欄能量分布相差12 %),實際有效輸出范圍會更低。同時經(jīng)過計算,暗電流增加使得探測器輸出噪聲增加4.1 %,所以探測器的信噪比降低將近10 %。對實際應用有著很大的影響。同時為了驗證暗電流結(jié)果的準確性,采用實驗室方法進行驗證,測試得到的暗電流為0.785 nA(去除盲元影響),整個面陣的暗電流圖(含盲元)如圖4所示。

通過對比暗電流的結(jié)果,我們發(fā)現(xiàn)兩種方法的結(jié)果基本一直。可以證明該方法是可行的,其中圖4暗電流圖中亮點較圖3明顯偏多,是因為探測器組件在接收光電流時,受到讀出電路電荷容量限制,

圖4中對應的亮點在間接法測試中已經(jīng)飽和,因此在圖3中沒有真實的反映出某些暗電流很大的象元實際水平。

總體來說,采用本文建議的評價方法與實驗室測試方法相比,不需要對探測器進行破壞,同時結(jié)果比較準確。對用戶研究暗電流、優(yōu)化圖像算法是有效的方法。

圖4 盲冷屏暗電流圖Fig.4 Dark current by blind cold shield