激光輻照HgCdTe探測(cè)器輸出特性與軟損傷判定

范永杰，秦 強(qiáng)

激光輻照HgCdTe探測(cè)器輸出特性與軟損傷判定

范永杰1，秦 強(qiáng)2

（1. 昆明理工大學(xué)理學(xué)院，云南 昆明 650500；2. 昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

根據(jù)PV探測(cè)器的開(kāi)路輸出公式，建立了涵蓋長(zhǎng)波、中波、短波的HgCdTe探測(cè)器響應(yīng)模型。模型仿真發(fā)現(xiàn)探測(cè)器被激光輻照后產(chǎn)生的溫升將降低探測(cè)器的輸出，探測(cè)器被激光直接照射后會(huì)立即產(chǎn)生飽和輸出。綜合實(shí)際應(yīng)用提出了探測(cè)器軟損傷的判斷門限。

HgCdTe；紅外探測(cè)器；激光器；軟損傷；激光輻照

0 引言

HgCdTe是重要的紅外探測(cè)器制造材料。不同的材料組分可以分別接收從長(zhǎng)波到短波的紅外輻射，進(jìn)而可以制造不同響應(yīng)波長(zhǎng)的器件。激光作為一種重要的光電對(duì)抗手段已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。隨著光電對(duì)抗的技術(shù)發(fā)展，研究激光輻照HgCdTe探測(cè)器的損傷情況，對(duì)于攻守雙方都有著很強(qiáng)的必要性。

國(guó)內(nèi)已有不少對(duì)于激光輻照HgCdTe探測(cè)器損傷情況的研究。國(guó)防科技大學(xué)的馬麗芹、程湘愛(ài)等，對(duì)激光輻照HgCdTe探測(cè)器的混沌現(xiàn)象進(jìn)行了相關(guān)研究[1]。裝備指揮技術(shù)學(xué)院的李修乾等進(jìn)行了HgCdTe探測(cè)器的激光輻照響應(yīng)特性研究[2]。北京信息科技大學(xué)的牛春暉等人進(jìn)行了激光輻照探測(cè)器熱傳導(dǎo)的模擬研究[3-4]。

以往的理論及仿真研究的不足有：主要針對(duì)某一波長(zhǎng)的探測(cè)器響應(yīng)；主要針對(duì)單元探測(cè)器沒(méi)有考慮面陣探測(cè)器；沒(méi)有考慮未受到照射的像元所受的影響；主要研究探測(cè)器的硬損傷情況，沒(méi)有考慮軟損傷（軟故障）的評(píng)價(jià)等。

我們的研究將針對(duì)目前使用最廣的HgCdTe紅外探測(cè)器，主要研究當(dāng)激光輻照探測(cè)器還未出現(xiàn)硬損傷時(shí)，探測(cè)器的響應(yīng)變化對(duì)使用的影響，當(dāng)影響使得探測(cè)器無(wú)法滿足使用時(shí)，我們認(rèn)為探測(cè)器進(jìn)入軟故障。我們?cè)赑V探測(cè)器開(kāi)路響應(yīng)[5-6]基礎(chǔ)上建立的模型將包含短波、中波、長(zhǎng)波3個(gè)波段的情況；將分別討論由于激光照射后產(chǎn)生的溫升對(duì)像元響應(yīng)的影響，以及被直接照射的像元響應(yīng)的影響。我們還將根據(jù)模型和實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)提出軟故障的判定條件。

1 探測(cè)器開(kāi)路響應(yīng)模型

PV型探測(cè)器的開(kāi)路電壓包含3個(gè)部分：光生電動(dòng)勢(shì)，探測(cè)器表面底面溫差電動(dòng)勢(shì)，以及Dember電動(dòng)勢(shì)（P-N結(jié)電子空穴擴(kuò)散形成的電動(dòng)勢(shì)）。由于Dember電動(dòng)勢(shì)很弱，在此忽略，認(rèn)為最終的開(kāi)路電壓o可表示為[5-6]：

O＝L＋S＋T(1)

式中：L為激光輻照產(chǎn)生的光生電動(dòng)勢(shì)；S為場(chǎng)景輻射產(chǎn)生的光生電動(dòng)勢(shì)；T為溫差電動(dòng)勢(shì)。

1.1 光生電動(dòng)勢(shì)

光生電動(dòng)勢(shì)表達(dá)式[6]為：

n＝n/(4)

式中：L/S為激光/場(chǎng)景光生電動(dòng)勢(shì)；為溫度；＝1.3806488×10－23為Boltzmann常數(shù)；p、n為電子空穴的平均壽命，n≈p＝＝10－7s；施主和受主濃度D＝2×1024m－3，A＝2×1022m－3；電子電荷＝1.60217733×10－31；電子空穴遷移率p≈n；本征載流子濃度n；為普朗克常數(shù)；為入射光頻率；為材料組份；g為禁帶寬度；為輻照光功率；n為電子擴(kuò)散系數(shù)；為量子效率。

1.2 溫差電動(dòng)勢(shì)

溫差電動(dòng)勢(shì)表達(dá)式[6]為：

式中：T為溫差電動(dòng)勢(shì)；為溫度；D為探測(cè)器頂?shù)诇夭?；施主和受主濃度D＝1020m－3，A＝1022m－3；n*為電子有效質(zhì)量；g為禁帶寬度。

2 不同工作溫度下的像元輸出特性

以接收溫度為25℃（298K）的場(chǎng)景輻射作為基準(zhǔn)正常工作狀態(tài)，以該溫度下的黑體輻射近似替代場(chǎng)景輻射，并假設(shè)此時(shí)探測(cè)器全部接收相應(yīng)波段內(nèi)場(chǎng)景輻射。常規(guī)探測(cè)器響應(yīng)波段為：長(zhǎng)波段（7.7mm～9.5mm）；中波段（3.7mm～4.8mm）；短波段（0.8mm～2.5mm）。

根據(jù)黑體的光子光譜輻射出射度[5]o(,)：

式中：1、2分別為第一、第二輻射常數(shù)。

各波段內(nèi)接受到的輻射功率，示意如圖1。

圖1 298K各波段內(nèi)黑體輻射出射度

長(zhǎng)波：

中波：

短波：

根據(jù)第1章內(nèi)容，不同工作溫度下探測(cè)器對(duì)場(chǎng)景輻射的輸出開(kāi)路電壓可簡(jiǎn)化為：

O＝S(,S)＋T(D) (15)

即當(dāng)探測(cè)器參數(shù)固定以后其輸出主要和工作溫度，以及接收到的輻射量有關(guān)系。

由于探測(cè)器PN結(jié)的厚度很薄，約為8mm，通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，即使被激光照射其上下表面的溫差非常小，即D≈0，則T(D)趨于0。

通過(guò)以上公式我們發(fā)現(xiàn)，探測(cè)器的響應(yīng)區(qū)別，除了工作溫度不同，主要源于探測(cè)器組份的不同。探測(cè)器組份為[5]，長(zhǎng)波時(shí)為0.20，中波時(shí)為0.285，短波時(shí)為0.41?？梢缘玫饺鐖D2的開(kāi)路電壓仿真結(jié)果。結(jié)果表明，探測(cè)器的開(kāi)路電壓會(huì)隨著工作溫度逐漸降低。

圖2 探測(cè)器輸出電壓與工作溫度關(guān)系

3 探測(cè)器軟故障判定

3.1 直接接受激光輻照的像元區(qū)域的軟故障判定

相比自然景物的輻射，如公式(12)計(jì)算結(jié)果，激光有著極高的輻射功率，如15W低功率CO2激光器，波束直徑7mm，輻照功率可達(dá)3.89×105W/m2。若用激光照射熱像儀，考慮光學(xué)系統(tǒng)的聚焦效果，到達(dá)探測(cè)器的輻照功率還會(huì)大幅地增加。此時(shí)激光直接照射到的探測(cè)器像元會(huì)產(chǎn)生大量的光生載流子，使得輸出馬上進(jìn)入輸出飽和狀態(tài)，失去了探測(cè)能力，實(shí)質(zhì)上進(jìn)入一種軟故障狀態(tài)。

3.2 探測(cè)器溫升與軟故障判定

當(dāng)探測(cè)器接受到激光輻照后，將會(huì)吸收激光能量產(chǎn)生溫升，這種溫升不會(huì)局限于受光照的像素，只要能量充足，就會(huì)引起整個(gè)探測(cè)器的工作溫度上升，這是激光輻照影響探測(cè)器性能另外一個(gè)主要的因素。

在探測(cè)器制作完畢后通常裝入液氮制冷的杜瓦中進(jìn)行測(cè)試，此時(shí)工作溫度為77K，中波、短波探測(cè)器有著較高的輸出。而探測(cè)器進(jìn)行集成封裝以后的工作溫度通常需要考慮性能和經(jīng)濟(jì)性，在性能可以接受的情況下，工作于較高的溫度，如長(zhǎng)波探測(cè)器工作于80K，中波探測(cè)器工作于90K，短波探測(cè)器工作于190K。

在信號(hào)檢測(cè)中通常采用3db（50%）門限，在此我們將探測(cè)器的軟故障的判定閾值定為，以正常工作溫度下的輸出為基準(zhǔn)，當(dāng)由于工作溫度升高引起探測(cè)器輸出下降至正常值一半時(shí)的探測(cè)器工作溫度。具體門限則根據(jù)實(shí)際工作狀態(tài)進(jìn)行適當(dāng)浮動(dòng)。

通過(guò)仿真計(jì)算，以及綜合探測(cè)器實(shí)際工作情況可將探測(cè)器的軟故障溫度閾值定為長(zhǎng)波探測(cè)器110K，中波探測(cè)器120K，短波探測(cè)器200K。各個(gè)溫度點(diǎn)的探測(cè)器輸出仿真計(jì)算值，如表1所示。

4 結(jié)論

通過(guò)以上的仿真計(jì)算我們可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)激光照射到探測(cè)器時(shí)，探測(cè)器可以出現(xiàn)兩種軟故障：①被直接照射的像元會(huì)馬上進(jìn)入輸出飽和狀態(tài)，立即失去探測(cè)能力進(jìn)入軟故障狀態(tài)；②像元的響應(yīng)會(huì)隨著激光照射后引起的工作溫度升高，而逐步降低，直至失去探測(cè)能力，出現(xiàn)故障。經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算，并結(jié)合實(shí)際的工作經(jīng)驗(yàn)，我們將探測(cè)器由于工作溫度升高引起的軟故障溫度門限定為長(zhǎng)波110K，中波120K，短波200K。

通過(guò)本次仿真我們還可以發(fā)現(xiàn)，探測(cè)器的工作溫度對(duì)探測(cè)器的響應(yīng)有著很重要的影響。對(duì)于長(zhǎng)波探測(cè)器而言，其輸出幅度本身較低，因此需要嚴(yán)格控制工作溫度，應(yīng)該盡量降低探測(cè)器讀出電路的功耗，避免在探測(cè)器底部形成局部的高溫區(qū)，影響探測(cè)器的性能。對(duì)于一些特殊要求，可以通過(guò)進(jìn)一步降低工作溫度以提高探測(cè)器性能。

對(duì)于中波、短波器件由于其本身輸出較高，特別是中波探測(cè)器完全可以工作在一個(gè)較高的溫度下（140K～160K），這樣可以大幅降低制冷機(jī)的性能要求，開(kāi)發(fā)出性能滿足要求、體積功耗更低的探測(cè)器。

表1 探測(cè)器主要工作溫度點(diǎn)及軟故障閾值溫度下的輸出電壓

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HgCdTe Detector Output Characteristics and Soft Damage Determination under Laser Irradiation

FAN Yongjie1，QIN Qiang2

(1.,,650500,;2.,650223,)

Based on the open-circuit output function of a photovoltaic (PV) detector, the response model of a HgCdTe detector that is operable in the long-wave, medium-wave, and short-wave bands is established. Simulation results show that the temperature rise generated by laser irradiation reduces the output of the detector, and the detector produces a saturated output immediately upon direct irradiation by the laser. Based on practical applications, the threshold of soft damage to the detector is proposed.

HgCdTe，infrared detector，laser，soft damage，laser irradiation

TN215

A

1001-8891(2020)09-0829-04

2020-01-16；

2020-07-10.

范永杰（1980-），男，博士，講師，主要從事夜視與紅外技術(shù)、光電圖像處理以及光電檢測(cè)方面的研究與教學(xué)工作。E-mail：47883027@qq.com。

秦強(qiáng)（1980-），男，研究員，研究方向?yàn)榧t外技術(shù)。E-mail：149578363@qq.com。