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第$&卷第*期$##(年6月文章编号!&##$%$#&$’$##()#*%#*&*%#+应用光学SYed/1mYf2ccmT]h&caTg3{Ym4$&,RY4*i1n,$##(一种近红外探测器的光谱响应率测量王骥,郑小兵,张磊,林志强中国科学院安徽光学精密机械研究所遥感室,合肥$’*##*&)摘要!对近红外辐射功率光谱绝对响应率的定标技术进行了研究-设计了一种制冷扩展波长型的.探测器,为了使其能够作为功率传递的标准探测器工作在’对&4$5$46)/012378波长范围,探测器的光谱响应率进行了测量-首先在&$然后用9#/8波长下进行绝对功率传递的标定试验,基于红外单色仪的光谱比较系统’测量了探测器的相对光谱响应率-结合$个步骤的数据,最):;&终可以得到探测器的绝对光谱响应率-关键词!光谱响应率=近红外探测器=探测器定标中图分类号!&+*$文献标志码!2?@ABCD@E@FGHIBJ@KGDALD@BJHFBMNMGOHIAFMFIDAD@PP@G@KGHD,U%,U,\%Q2R0STVWR0XT1YZT/[V2R0\]T.RU^T_T1/[’,2/,;,V]$*##*&,;)‘]8Ya]:]/3T/[b]c1da8]/a^eT./3aTaea]Yf&caTg31/h&T/]i]g^1/Tg32:f]T^T/1!l%jkBGDAKG^]g1mTZd1aTY/a]g^/YmY[nfYd1Z3Ymea]3c]gad1md]3cY/3ToTanYfa^]/]1dT/fd1d]h42/]%%d1hT1aTY/cYp]dT3T/o]3aT[1a]hqa]/h]hT/fd1d]h./0123’W.‘.02)c^YaYhTYh]p134l%h]3T[/]h^]3c]gad1md]3cY/3ToTanYfa^]W.‘.02h]a]gaYdp138]13ed]haY1mmYpTaaYZ]1%4$dhcYp]dad1/3f]dh]a]gaYdpYdrT/[T/a^]p1o]m]/[a^d1/[]Yf&85$84l^T3%4l/]1dT/fd1d]hh]a]gaYdp131m3Yg1mTZd1a]hZngdnY[]/Tgd1hTY8]a]d3Z]fYd]^]1Z3Ymea]%9#/d]3cY/3ToTanYfa^]W.‘.02h]a]gaYdp13g1mTZd1a]hT/&$8,1/ha^]gY/aT/eYe3d]m1aTo]4l3c]gad1md]3cY/3ToTanp138]13ed]hpTa^1/]p.‘:;&3n3a]8Z13]hY/.‘8Y/Yg^dY81aYd^]41Z3Ymea]3c]gad1md]3cY/3ToTanYfa^]h]a]gaYdT3YZa1T/]h1am13apTa^a^]apY3a]c3!3=/%=hs@OtHDPBc]gad1md]3cY/3ToTan]1dT/fd1d]hh]a]gaYd]a]gaYdg1mTZd1aTY/引言’&4$5$46)78波段范围是属于人们最早发现的非可见光区域-近年来,人们对这一光谱范围在这一领域中的应用研究陆的价值有了重新认识,续展开-其中高精度的功率定标和标准传递方法是这一波段的一项基础性研究,其研究的迫切需求和原因主要是由于以下几个方面!对近红外波&)随着定量化遥感的不断深入,段的辐射强度和光谱分辨率测量的精度不断提高,&%$v探测器研制部门提出了高精度定标的要求u=光学度量w材料科学w医学诊$)光纤在通信w断等领域有着较大的发展和应用,尤其是通信方经常需要国家度量机构能够给予更高精度功率面,标准的度量=使得*)近红外激光器的研制技术不断进步,基于激光作为光源的高精度定标成为可能=+)原有的红外热探测器已经很难满足高精度标准传递的要求,在微弱信号标准传递过程中使用困难,为此,必须要寻找一种光子型探测器以满足需求-收稿日期!$##(%#$%#(=修回日期!$##(%#*%#&作者简介!王骥’男合肥人中国科学院安徽光学精密机械研究所遥感室博士主要从事高精度近中红外辐射定&x(&y),,,,标的研究-W%!Zx*z&9*481Tm1heTgY8d#+)d应用光学&’’?!&m&#-王骥!等@一种近红外探测器的光谱响应率测量当今国际标准化组织和一些发达国家主要是以低温辐射计为初级标准!研制高精度的标准探测器作为传递媒介!建立了基于探测器的辐射传递#$链&完成了波长%安徽光机所利用低温辐射计!斑大小进行控制%采集数据的多路采集器是为=&?’’!2DE1FGHEI3&345678探测器提供制冷电流的是DE&:’+数字源表%1FGHEI并且将该&’()*+(,-./光辐射标准的建立工作!标准传递到三片式0陷阱探测器&’()*+(’-1&)2,$和常规3’(9*+(,-45678陷阱探测器&./&:$其标定’(9*+(,-./%在近红外&./波段范围!传递的不确定度小于+;%这&个标准探测器的研制为可见近红外的光辐射度量提供了基础%基于探测器的新型定标方法不仅需要研制出高性能的标准探测器!还依赖于标准探测器和低温辐射计的直接比对%但是在&+(,*&(,-./波段范围却很难复制+(,./之前波段范围类似的标定工作%其原因主要是低温辐射计入口狭小细长!对于入射激光的角度要求严格!而在这一波段的光子器件还没有大面积单面元器件!响应面元小造成了直接与低温辐射计比对的困难%我们设计了一种制冷型红外扩展345678光电二极管&=3&2357-作为响应面元的近红外探测器!它的波长可以响应到&(,./&?$%为了利用这个探测器实现对&+(,*&(,-./的高精度辐射标准的传递!就需要对光谱响应率进行定标%为了克服与低温辐射计直接比对的困难!我们采用了&步试验步骤来实现定标@第+步!把已经与低温辐射计比对过的近红外标准探测器传递到=3&2357探测器上!在波长+(&:./波段进行光功率的传递!这样可以得到探测器在这个波段的绝对响应率A第&步!再用单色仪比对系统&0BC-进行光谱曲线的传递!从而得到标准探测器的绝对光谱响应曲线%+探测器绝对响应率的定标试验中采用的光源是波长为+&:’4/的半导体激光器%由于红外激光光路为非可见光!光路利用了一个:##4/可见光激光器进行光路的调节%光路中采用一个&进+出的光纤耦合器!分别切换可见与红外激光器共轴的输出!用可见光实现红外光路的调节%为了消除光束中由于光学缺陷和空气中微粒的散射造成光强随机扰动的影响!在光路中加入了空间滤波器%它能够减小激光束高阶模式对测量精度的影响%光路如图+所示%在探测器接收位置上!有一个可以平行切换进出的光束轮廓仪!通过轮廓仪可以观察到最终入射到探测器的光斑尺寸和形状!从而对空间的滤波器的调节效果和光图+定标实验装置示意图JKL(+MNOPQKRPSTUVWPTXOYZ[UVK\QUTKYS比对的近红外标准探测器是常规345678陷阱探测器!这个探测器是和低温辐射计进行绝对定标过的&)$%近红外标准探测器和=3&2357探测器通过电动平移台依次切换进入光路!进行置换式标定%若达到探测器的激光功率为]^!近红外标准探测器的绝对响应率为_‘&^-!响应输出为a‘A=3&2357探测器的绝对响应率为_b&^-!响应输出为ab!则有@]^c_‘&^-da‘&+-]^c_b&^-dab&&-由&+-式和&&-式可以得到探测器的绝对响应率@_‘b&^-c‘ab&#-&相对响应率测量相对光谱测量的过程是以红外单色仪作为光源!与一个平光谱响应率的探测器进行比对%试验中采用的单色仪在近红外采用了卤钨灯作为红外光源!红外光源出射的光线经过椭圆反射镜会聚后成像在焦距为#’’//ef数为gh)的光栅单色仪的入口狭缝处!采用椭圆反射镜是为了最大限度地利用光源的能量%比对的平光谱响应探测器采用从德国ijk引进的薄膜热电堆探测器j02?:%薄膜热电堆是由?:个热电耦结合而成的!响应面直径为?//!响应波段为&+*#-./!表面涂有银黑吸收层!具有相对较高的吸收率%将薄膜热电堆探测器安装在一个直径为&,//的镀金半球反射器中心!加上镀金半球反射器是因为没有一个单独的吸收层能够完全吸收红外辐射%薄膜热电堆探测器与入射光线成)?l!辐射线被薄膜热电堆探测器反射后又通过镀金半球反射器反射回薄膜热电堆探测器%这个设计增加了对光线的吸收!使腔式热电堆应用光学’ZZJA’&LVM王骥A等F一种近红外探测器的光谱响应率测量OVTSO探测器的响应率在很宽的光谱范围内可以认为是&#$%不变的!&相对光谱响应的试验装置如图’所示&图’相对光谱响应率测量原理简图()*+’,-./01)2*324.536-27)869:6/732-369:.;9)8)7&67&.1图’中采用了单色仪?聚焦光学元件和标准探测器&若辐射通量@是光源辐射进入单色仪入口狭缝的辐射通量A@B是单色仪出口狭缝的辐射通量AC是单色仪和探测器间所有光学元件的透过率A探测器接收到的光谱辐射通量则为@DBEC@B&标准探测器和待测探测器的输出如下所示FGHIJKLBMN@DBOPHIJKLBMLQMGRLBMN@DBOPRLBMLSM式中FPHIJKLBM和PRLBM分别为比对探测器HI#JK和待标定的近红外探测器的相对光谱响应率&从LTM式和L’M式可以得出FPRLBMEUOGHIJKLBMOPHIJKLBMLKM式中U为匹配系数&从LKM式可以看出A只要通过测量标准探测器和待测探测器的输出并已知标准探测器的相对光谱响应A就可以计算出待测探测器的相对光谱响应率&V试验结果及结论在LT+TW’+SMXY波长下每隔SZ[Y进行一次测量A最后将绝对定标的结果代入相对光谱曲线进行换算A得到探测器的光谱响应率A测量的结果如图V所示&本次测量中运用了基于红外单色仪的新型光谱比较系统测量了相对光谱响应曲线A并在单立波长T’KZ[Y处进行了探测器的绝对光谱响应率的的定标A得到了\]^#]_‘探测器在近红外光谱范围的光谱响应率&实验结果表明A采用上述方法测图V!&#&$%#&’XY探测器光谱响应率()*+Va:6/732-369:.;9)8)7&.57&);7&632;*6.5LT+TW’+SMb4量探测器的红外绝对光谱响应率的可行性A同时也为近红外的高精度定标打下了基础&为了使\]^#]_‘探测器光谱响应标准传递的精确度得到可信A下一步将对\]^#]_‘探测器的面均匀性?偏振敏感性和窗口的影响因素等进行测量和分析A进一步研究怎样评价和控制这些因素A以尽可能减小对总不确定度的影响&参考文献F!T%梁燕熙+光学计量技术在月球探测工程中的作用!c%+应用光学A’ZZKA’JLTMFT#Q+d]‘e_fg[#hi+‘jjkilgmin[nonjmilgkYpmqnknrsmplt[iuvpi[Ynn[phjknqgmin[jqnwplm!c%+cnvq[gkno‘jjkipxyjmilzA’ZZKA’JLTMFT#Q+Li[{ti[pzpM!’%|y}~‘d!&A~y{#d]e_#A$]dd\^!+{qsn#rp[ilg%znkvmpqgxinYpmpqgzkg%nqgmnqsiqqgxig[lpzmg[xgqxzAqpYnmpzp[zi[rxpmplmnqzAg[xjsqntp#kinYpmpqz!c%+‘jjkipxyjmilzAT$$ZA’$LJMF$&&#$$V+!V%_\eH]d\H^A#y}IHyec$A{^y$\^{d+^pgki&gmin[nogzlgkpnog%znkvmpzjplmqgkqpzjn[zpvzi[rmtpe]IHtirt#gllvqglslqsnrp[ilqgxinYpmpq!c%+‘jjkipxyjmilzAT$$KAVSL’’MFQV$’#QQZV+!Q%吴浩宇A王光远A荀毓龙+硅光电二极管陷阱辐射定标研究!c%+应用光学AT$$&AT$L’MFT#Q+’}#gn#svA’‘e__vg[r#svg[A(}efv#kn[r+{gki%qgmin[zmvxsnomqgjqgxigmin[noIijtnmnx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郑小兵， 张磊， 林志强， WANG Ji， ZHENG Xiao-bing， ZHANG Lei， LINZhi-qiang中国科学院,安徽光学精密机械研究所,遥感室,合肥,230031应用光学JOURNAL OF APPLIED OPTICS)0次 参考文献(9条) 1.梁燕熙 光学计量技术在月球探测工程中的作用[期刊论文]-应用光学 2006(01)2.FOUKAL P V.KOCHLING H.MILLER P Cryogenic absolute radiometer as laboratory irradiancestandards,remote sensing detectors,and pyroheliometers 1990(07)3.GENTILE T R.HOUSTON J M.CROMER C L Realization of a scale of absolute spectral response usingthe NIST high-accuracy cryogenic radiometer 1996(22)4.吴浩宇.王光远.荀毓龙 硅光电二极管陷阱辐射定标研究[期刊论文]-应用光学 1998(02)5.郑小兵.吴浩宇.章骏平 不确定度＜0.035%的高精度光谱辐射功率标准[期刊论文]-光学学报 .WANG J.LI S InGaAs trap detector used as a near-infrared transfer standard for detectorcalibrations 20057.EPPELDAUER G P Irradiance responsivity scale realization between 1 μm and 2.5 μm 20048.MULLER J E.KESSLER E.DILLNER U Large-size high-sensitive thermopile as a radiometric standard1999(04)9.MULLER J E.KESSLER E.DILLNER U Large sized high sensitive thin-film thermopiles as radiometricdetector standard 2000(08) 本文链接：http://d..cn/Periodical_yygx.aspx授权使用：黄小强(wfxadz)，授权号：d1dc2dfc-604a-4ccd-86f0-9e下载时间：日包含各类专业文献、应用写作文书、高等教育、各类资格考试、行业资料、外语学习资料、72一种近红外探测器的光谱响应率测量等内容。
　红外检测技术试题 1. 从事红外光谱研究、红在红外...的要求来确定探测器的探测率和响应率; ③根据系统...让探测器接收参考黑体的辐射,以作为辐射测量的基准。... 　器是一种辐射能转换器,主要用于将接收到的红外辐射能转换为便 于测量或观察的...但其基本特性都可用 等效噪声功率或探测率、响应率、光谱响应、响应时间等参数来... 　1800年,F.W.赫歇耳在太阳光谱中发现了红外辐射的存在...的特性制成另一种热敏型红外 探测器,称为测辐射热...响应度(响应率)R 响应度 响应率 Responsivity 响应... 　二、发展历史 1800年,F.W.赫歇耳在太阳光谱中发现...的特性制成另一种 热敏型红外探测器,称为测辐射热...(1)响应率 所谓红外探测器的响应率就是其输出电压... 　答:原理分为 2 个阶段,一是光电转换,二是光电流...光电探测器性能参数包括哪些方面 响应率,光谱响应率,...近红外,中红外,远红外,极远红外(2)为了探 测远... 　响应波长范围单色响应率与波长的关系,称为光谱响应...常见红外光子探测器及响应波段 4. 噪声如果测量探测...探测器的噪声主要有以下几个来 源: 1 / f 噪声... 　光电探测器光谱响应度和响应时间的测量(刘1)_工学...其频率可通过“频 率调节”处的方波旋钮来调节。 ...一种近红外探测器的光谱... 暂无评价 4页 2... 　课程报告《近红外单光子探测器》_信息与通信_工程科技...探测是一种极微弱光探测技术, 在高分辨率光谱测量、...死时间会限制探测器的最大饱和计数率,使其远小于... 　即探 测器和光源的光谱匹配。 (3)对某种探测器,...红外辐射分为四个区域:近红外区 中红外区 远红外...热探测器四特性 1)响应率与波长无关,属于无选择性...系统发生错误 MaticsoftFK 1.8系统发生错误 您可以选择 [
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at System.Web.Mvc.ControllerActionInvoker.InvokeActionMethodWithFilters(ControllerContext controllerContext, IList`1 filters, ActionDescriptor actionDescriptor, IDictionary`2 parameters)
at System.Web.Mvc.ControllerActionInvoker.InvokeAction(ControllerContext controllerContext, String actionName) MaticsoftFK 1.8 { Building & OOP MVC Maticsoft Framework } -- [ WE CAN DO IT JUST HAPPY WORKING ]碲镉汞红外探测器光电响应特性的机理研究--《中国科学技术大学》2012年博士论文
碲镉汞红外探测器光电响应特性的机理研究
【摘要】：碲镉汞(HgCdTe)红外探测器被广泛应用于红外探测系统,可以工作在1-3,3-5和8-12μm的大气窗口。近50年来随着HgCdTe红外探测技术的发展,HgCdTe材料在红外探测领域中的地位已经如同硅材料在微电子领域的地位一样重要。但目前HgCdTe器件的性能水平还难以满足军用和民用技术发展的需要。为了进一步提高HgCdTe器件的性能,建立可与不同工艺水平相适应的器件模拟平台是十分必要的。HgCdTe器件的制作过程非常复杂,周期长且价格昂贵,这使得器件模拟技术成为器件发展的一个重要工具。通过器件仿真和模拟技术,人们容易弄清哪些物理因素制约了器件的性能,进而提出改善器件性能的工艺和方法。它不仅减少了开发的费用,而且为提高产品的质量、可靠性、性能和器件的优化提供了一种切实可行、省时省力的方法。目前器件模拟技术已经成为HgCdTe器件设计和制作中的一个重要工具。
本文主要以提高HgCdTe器件性能所面临的主要问题和难点为出发点,致力于应用器件的数值模型和解析模型,对HgCdTe器件进行性能分析、优化和设计。其主要内容如下：
1.针对高掺杂HgCdTe红外探测二极管,研究了HgCdTe光电二极管高掺杂n区光伏蓝移机理,通过考虑以下效应：(Ⅰ)考虑HgCdTe材料导带非抛物线特性的BM(Burstein-Moss)效应；(Ⅱ) BGN(band gap narrowing)效应；(Ⅲ)Hg空位掺杂所引起的受主缺陷能级,结果表明n反型区的光伏响应峰位相对于p区具有明显的蓝移现象。这个结果很好地澄清了实验上观察到的高掺杂n区光响应的蓝移现象。因此我们能够得出结论,能带变窄效应和导带非抛物线效应对高掺杂n+-on-p型HgCdTe红外探测二极管的光伏响应具有重要影响。
2.研究了不同载流子统计近似模型对HgCdTe器件性能分析的影响,通过与大量实验数据的比较得出最准确的HgCdTe载流子统计近似模型。讨论了三种不同的载流子统计近似模型适用条件,(Ⅰ)抛物线近似,(Ⅱ) Bebb等人所采用的导带非抛物线近似,和(Ⅲ) Harman等所采用的导带非抛物线近似模型被用来计算HgCdTe光伏器件的光学带隙和光伏响应。结合实验结果表明忽略导带非抛物线效应将导致能带计算的巨大偏离,尤其在器件高掺杂情况下；利用抛物线模型和Harman等采用的非抛物线近似模型计算得到的结果导致光伏响应峰值分别向短波和长波方向移动。
3.建立了非晶HgCdTe红外探测器载流子输运模型,研究了80-300K温度下硅基非晶HgCdTe红外探测器的暗电流和光电流的温度依赖关系。发现该器件的探测率在210K具有最大值,结果表明硅基生长的非晶HgCdTe薄膜可用于制备高温工作的硅基集成的非晶红外探测器。基于Mott的载流子输运模型,揭示了非晶HgCdTe材料定域态向扩展态导电的转变是器件光电流和暗电流比峰值出现在210K的原因。
4.针对红外光伏探测器暗电流特性,利用解析的非线性拟合方法对砷掺杂长波HgCdTe光伏探测器在不同温度下的暗电流特性进行研究。获得了器件物理参数随温度的变化规律；并对实验数据进行了拟合获得了大量砷掺杂长波HgCdTe光伏器件的基本物理参数,获得了制约该器件性能的主要物理机制。同时针对利用单极阻挡层结构抑制暗电流的红外探测器,研究了单极阻挡层和传统pn结构红外光电二极管的I-V特性和R0A随温度的变化关系。通过数值模拟分析了单极阻挡层结构红外光电二极管不同暗电流成份的抑制机理。结果表明与传统pn结构红外光电二极管相比单极阻挡层结构红外光电二极管在性能上有了很大提高。
【关键词】：
【学位授予单位】：中国科学技术大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2012【分类号】：TN215【目录】：
摘要5-7ABSTRACT7-10目录10-13主要符号对照表13-14第1章 绪论14-30 1.1 红外探测技术简介14-16 1.2 碲镉汞红外探测器16-21 1.3 碲镉汞红外探测器理论分析的方法和模型21-24
1.3.1 数值模型21-23
1.3.2 解析模型23-24 1.4 本论文的主要研究内容24-26 本章参考文献26-30第2章 高掺杂HgCdTe红外探测二极管的模拟研究30-49 2.1 研究背景30-33 2.2 用于模拟的器件结构和参数33-34 2.3 理论模型34-38
2.3.1 载流子简并和非抛物线效应34-36
2.3.2 BGN效应和BM效应36-37
2.3.3 P区杂质能级37-38 2.4 结果与讨论38-44 2.5 本章小结44-46 本章参考文献46-49第3章 不同载流子统计近似对HgCdTe器件性能分析的影响49-63 3.1 载流子浓度和费米能级49-53
3.1.1 载流子的统计规律49-51
3.1.2 载流子浓度的确立51-52
3.1.3 费米能级对HgCdTe光吸收的影响52-53 3.2 不同模型对HgCdTe性能计算的影响53-59
3.2.1 HgCdTe能带的非抛物线近似模型53-55
3.2.2 结果与讨论55-59 3.3 本章小结59-61 本章参考文献61-63第4章 非晶HgCdTe红外探测器载流子输运机理研究63-86 4.1 用于器件分析的相关背景63-71
4.1.1 光电导效应63-65
4.1.2 非晶态半导体特性65-70
4.1.3 硅基HgCdTe技术研究背景70-71 4.2 非晶HgCdTe红外光电导探测器研究71-81
4.2.1 实验方法与器件结构72-74
4.2.2 实验结果74-77
4.2.3 对实验结果的理论分析77-81 4.3 本章小结81-83 本章参考文献83-86第5章 HgCdTe红外光伏探测器暗电流特性分析86-107 5.1 HgCdTe光伏器件的暗电流机制86-89 5.2 参数提取的方法89-92 5.3 砷掺杂HgCdTe长波红外光伏探测器暗电流变温特性分析92-96
5.3.1 器件的制备92-93
5.3.2 R-V拟合结果与分析93-95
5.3.3 参数提取的结果与分析95-96 5.4 单极阻挡层对红外光伏器件暗电流抑制的模拟研究96-101
5.4.1 研究背景96-97
5.4.2 用于模拟的器件结构和参数97-98
5.4.3 模拟结果与讨论98-101 5.5 本章小结101-103 本章参考文献103-107第6章 总结和展望107-110 6.1 总结107-108 6.2 展望108-110附录 Hg_(1-x)Cd_xTe材料基本参数110-113致谢113-115在读期间发表的学术论文与取得的其它研究成果115-116
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