范永杰，秦 強

激光輻照HgCdTe探測器輸出特性與軟損傷判定

范永杰1，秦 強2

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

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

HgCdTe；紅外探測器；激光器；軟損傷；激光輻照

0 引言

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

國內(nèi)已有不少對于激光輻照HgCdTe探測器損傷情況的研究。國防科技大學的馬麗芹、程湘愛等，對激光輻照HgCdTe探測器的混沌現(xiàn)象進行了相關研究[1]。裝備指揮技術學院的李修乾等進行了HgCdTe探測器的激光輻照響應特性研究[2]。北京信息科技大學的牛春暉等人進行了激光輻照探測器熱傳導的模擬研究[3-4]。

以往的理論及仿真研究的不足有：主要針對某一波長的探測器響應；主要針對單元探測器沒有考慮面陣探測器；沒有考慮未受到照射的像元所受的影響；主要研究探測器的硬損傷情況，沒有考慮軟損傷（軟故障）的評價等。

我們的研究將針對目前使用最廣的HgCdTe紅外探測器，主要研究當激光輻照探測器還未出現(xiàn)硬損傷時，探測器的響應變化對使用的影響，當影響使得探測器無法滿足使用時，我們認為探測器進入軟故障。我們在PV探測器開路響應[5-6]基礎上建立的模型將包含短波、中波、長波3個波段的情況；將分別討論由于激光照射后產(chǎn)生的溫升對像元響應的影響，以及被直接照射的像元響應的影響。我們還將根據(jù)模型和實際使用經(jīng)驗提出軟故障的判定條件。

1 探測器開路響應模型

PV型探測器的開路電壓包含3個部分：光生電動勢，探測器表面底面溫差電動勢，以及Dember電動勢（P-N結電子空穴擴散形成的電動勢）。由于Dember電動勢很弱，在此忽略，認為最終的開路電壓o可表示為[5-6]：

O＝L＋S＋T(1)

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

1.1 光生電動勢

光生電動勢表達式[6]為：

n＝n/(4)

式中：L/S為激光/場景光生電動勢；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為電子擴散系數(shù)；為量子效率。

1.2 溫差電動勢

溫差電動勢表達式[6]為：

式中：T為溫差電動勢；為溫度；D為探測器頂?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）的場景輻射作為基準正常工作狀態(tài)，以該溫度下的黑體輻射近似替代場景輻射，并假設此時探測器全部接收相應波段內(nèi)場景輻射。常規(guī)探測器響應波段為：長波段（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

長波：

中波：

短波：

根據(jù)第1章內(nèi)容，不同工作溫度下探測器對場景輻射的輸出開路電壓可簡化為：

O＝S(,S)＋T(D) (15)

即當探測器參數(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系。

由于探測器PN結的厚度很薄，約為8mm，通過仿真發(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。

通過以上公式我們發(fā)現(xiàn)，探測器的響應區(qū)別，除了工作溫度不同，主要源于探測器組份的不同。探測器組份為[5]，長波時為0.20，中波時為0.285，短波時為0.41。可以得到如圖2的開路電壓仿真結果。結果表明，探測器的開路電壓會隨著工作溫度逐漸降低。

圖2 探測器輸出電壓與工作溫度關系

3 探測器軟故障判定

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)計算結果，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3.89×105W/m2。若用激光照射熱像儀，考慮光學系統(tǒng)的聚焦效果，到達探測器的輻照功率還會大幅地增加。此時激光直接照射到的探測器像元會產(chǎn)生大量的光生載流子，使得輸出馬上進入輸出飽和狀態(tài)，失去了探測能力，實質上進入一種軟故障狀態(tài)。

3.2 探測器溫升與軟故障判定

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

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

在信號檢測中通常采用3db（50%）門限，在此我們將探測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，當由于工作溫度升高引起探測器輸出下降至正常值一半時的探測器工作溫度。具體門限則根據(jù)實際工作狀態(tài)進行適當浮動。

通過仿真計算，以及綜合探測器實際工作情況可將探測器的軟故障溫度閾值定為長波探測器110K，中波探測器120K，短波探測器200K。各個溫度點的探測器輸出仿真計算值，如表1所示。

4 結論

通過以上的仿真計算我們可以發(fā)現(xiàn)，當對應波長激光照射到探測器時，探測器可以出現(xiàn)兩種軟故障：①被直接照射的像元會馬上進入輸出飽和狀態(tài)，立即失去探測能力進入軟故障狀態(tài)；②像元的響應會隨著激光照射后引起的工作溫度升高，而逐步降低，直至失去探測能力，出現(xiàn)故障。經(jīng)過仿真計算，并結合實際的工作經(jīng)驗，我們將探測器由于工作溫度升高引起的軟故障溫度門限定為長波110K，中波120K，短波200K。

通過本次仿真我們還可以發(fā)現(xiàn)，探測器的工作溫度對探測器的響應有著很重要的影響。對于長波探測器而言，其輸出幅度本身較低，因此需要嚴格控制工作溫度，應該盡量降低探測器讀出電路的功耗，避免在探測器底部形成局部的高溫區(qū)，影響探測器的性能。對于一些特殊要求，可以通過進一步降低工作溫度以提高探測器性能。

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

表1 探測器主要工作溫度點及軟故障閾值溫度下的輸出電壓

[1] 馬麗芹, 程湘愛,許曉軍等. PV型HgCdTe光電探測器中的混沌及其診斷[J].強激光與粒子束, 2003,15(1): 38-40.

MA Liqin, CHENG Xiang’ai, XU Xiao’jun, et al. Chaos and its diagnosis in pv-type HgCdTe detector[J].,2003,15(1): 38-40.

[2] 李修乾, 焦彥平, 江天, 等. HgCdTe探測器的激光輻照響應特性研究[J]. 裝備指揮技術學院學報, 2004, 15(2): 113-116.

LI Xiuqian, JIAO Yanping, JIANG Tian, et al. The Study on the Response Character of HgCdTe Detectors Under Laser Irradiation[J]., 2004, 15(2): 113-116.

[3] 栗興良, 牛春暉, 馬牧燕. 10.6mm激光輻照碲鎘汞紅外探測器熱損傷研究[J]. 紅外技術, 2016, 38(1): 6-9.

LI Xingliang, NIU Chunhui, MA Muyan. Research on the thermal damage of HgCdTe infrared detector under laser irradiation of 10.6 μm wavelength[J]., 2016, 38(1): 6-9.

[4] 張悅, 牛春暉, 李曉英. 10.6mm激光對銻化銦紅外探測器的熱損傷研究[J]. 紅外技術, 2018, 40(6): 528-533.

ZHANG Yue, NIU Chunhui, LI Xiaoying. Research on the thermal damage of InSb infrared detector under wavelength of 10.6mm laser irradiation[J]., 2018, 40(6): 528-533.

[5] 褚君浩. 窄禁帶半導體物理學[M]. 北京: 科學出版社, 2005.

ZHU J H.[M]. Beijing: Science Press, 2005.

[6] 賀元興, 江厚滿. 激光輻照下PV型HgCdTe探測器反常響應機理[J].強激光與粒子束, 2008, 20(8): 1233-1237.

HE Yuanxing, JIANG Houman. Abnormal response of PV-type HgCdTe detector under intense laser irradiation[J]., 2008, 20(8): 1233-1237.

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、光電圖像處理以及光電檢測方面的研究與教學工作。E-mail：47883027@qq.com。

秦強（1980-），男，研究員，研究方向為紅外技術。E-mail：149578363@qq.com。