一种碲镉汞长波红外探测器暗电流测试方法

王 亮,徐长彬

(华北光电技术研究所,北京 100015)

1 引 言

碲镉汞红外探测器问世以来,引起了各国的重视[1]。以美国、以色列以及欧洲多个国家为主,对碲镉汞材料进行了重点研究。碲镉汞红外探测器在军用和民用领域得到了快速发展[2]。然而,为了获得更好的使用效果,碲镉汞探测器必须工作在低温环境以遏制自身的暗电流水平,因此需要长期研究探测器的暗电流参数。暗电流会直接提高探测器的无效输出信号,无效输出信号的增加势必减少探测器读出电路的有效输出范围。降低探测器的有效信号,同时暗电流还会提高探测器的噪声、降低探测器的信噪比。降低目标识别距离。尤其是随着碲镉汞探测器波长的延长,暗电流输出成指数式增加。

碲镉汞红外焦平面探测器的暗电流一般是在无法接受到外界热辐射的状态下进行测试,这种方法在实验室是比较容易实现的[3]。一般进行红外探测器研制的单位均具有这种特殊的杜瓦结构,但是在探测器实际应用的单位,基本不具备这样的结构。这种杜瓦结构需要将正常冷屏换成封口冷屏(封口冷屏工作温度为77 K,热辐射近似为零)才能得到,而对于一般已封装好又希望了解其暗电流大小的组件,采用这种方法是不能够是测试的。本文介绍了一种暗电流的测试方法,可以通过测试和计算得到组件结构的暗电流。

2 探测器输出电流的分类

正常情况探测器组件产生的电流分为暗电流和光电流:暗电流是指处于工作状态的探测器没有接收到热辐射时探测器自身产生的电流。而光电流是指探测器接收到所有热辐射产生的电流。所以探测器产生总电流为:

I总=I暗+I光

(1)

探测器产生的总电流可以通过测试得到。测试流程如图1所示。

图1 测试原理流程图Fig.1 Flow chart of test principle

·暗电流的分类

产生暗电流的机制有很多[4],主要包括:扩散电流、产生复合电流、直接遂穿电流、陷阱辅助遂穿电流和表面漏电流,各种暗电流的产生的机理机理比较复杂,同时又受到器件工艺的影响,因此很难用公式进行计算。

·光电流的分类

探测器产生的光电流是可以通过测试并通过理论计算得到,一般探测器组件结构如图2所示。

图2 探测器结构图Fig.2 The structure of detector

探测器接收到的热辐射有杜瓦内部的冷屏辐射和窗口辐射以及杜瓦外部的黑体辐射。因此,探测器组件产生的光电流可表示为:

I光=I黑体+I冷屏+I窗片

(2)

2.1 探测器总输出电流的计算

红外焦平面探测器的总输出电流由下式表示:

I总=VT1C/t

(3)

式中,VT1为探测器在T1温度时的输出电压；C为探测器读出电路的积分电容；t为读出电路的积分时间。

2.2 黑体辐射电流的计算

探测器组件产生的黑体辐射的光电流由下式表示[5]:

I黑体=η×e×N(T)×Ad

(4)

式中,η为探测器的量子效率,%；e为电子电荷,1.6×10-19C；Ad为探测器光敏面积,cm2；N(T)为黑体温度为T时探测器单位时间接收的光子数。

因此我们需要求得量子效率和探测器单位时间接收的光子数即可求出探测器面对黑体辐射产生的电流。

量子效率的计算公式为:

η=N接收/N辐射

(5)

其中,N接收为探测器产生的电子数;N辐射为探测器接收到的光子数。

碲镉汞探测器输出电子经过读出电路积分放大后转换成电压并输出,因此需要将输出电压还原成探测器产生的电子数。利用下式可以得出N接收。

N接收=UC/e

(6)

式中,U为输出信号。

由于探测器得输出电压包含其他固有辐射电压,所以采用做差得方式除去其他固有电压得影响。利用两个不同的黑体温度得到不同黑体温度的输出电压VT1和VT2,然后采用下式得出输出信号U。

U=VT2-VT1

(7)

由于测试条件一定时,探测器固有电流包含探测器暗电流、冷屏辐射电流和窗口辐射电流。所以将面对两个不同黑体温度产生的输出电压然后做差可以消除探测器暗电流、冷屏辐射电流和窗口辐射电流的影响。

若求N辐射,首先要求得探测器的光谱曲线,光谱曲线可以用光谱仪测试直接得到。

求得光谱曲线后,在已知的响应波段范围内计算黑体的辐射光子数,黑体温度与测试探测器信号的温度一致。

由普朗克公式算出:

(8)

式中,N(T)为黑体温度为T时的波段光子数；λ为探测器的光谱响应范围,μm；h为普朗克常数,6.63×10-34J·s；c为光速,3×108m/s；K为玻耳兹曼常数,1.38×10-23J/K；FOV为探测器组件的视场角,sr。

所以,N辐射用下列公式可得:

N辐射=N(T2)-N(T1)

(9)

将上述参数代入到公式(3)中可以得到黑体辐射电流。

2.3 冷屏辐射电流的计算

探测器的冷屏采用发黑工艺,发射率一般可以达到0.92以上,近似为黑体。同时冷屏温度是可以监控的。探测器接收冷屏辐射的视场为π减去冷屏开口的视场角。将冷屏辐射视场和冷屏辐射温度带入布朗克公式得到以下公式:

(10)

所以冷屏辐射电流可用下式得到:

I冷屏=η×e×N(冷屏)×Ad

(11)

2.4 窗口辐射电流的计算

最后计算窗口辐射电流。由于探测器窗口可以采用锗、锡化锌和硅等材料制备,同时受到工艺影响,窗口的发射率存在一定范围的变化,因此发射率很难直接测试得到。本文提供一种可以间接测试窗口发射率的方法。

将探测器放置烘箱中,将探测器连接采集设备后正常工作,同时杜瓦窗口面对恒温的黑体,将烘箱保持一个恒定的温度T1,得出探测器的输出电平V1,然后改变烘箱温度而黑体温度不变(一般保持2个小时以上确保窗片温度与烘箱温度一致),再次采集输出电平V2,将两个输出电平做差,得到因窗片温度变化得到的电平差异:

V窗=V2-V1

(12)

同时利用探测器已经得到的量子效率及布朗克公式计算出窗片的发射率,公式如下:

(13)

所以探测器窗口辐射光子数为:

(14)

因此窗片辐射电流为:

I窗口=η×e×N(窗片)×Ad

(15)

2.4 暗电流的计算

最终探测器的暗电流可以用以下公式得到:

I暗=I总-I冷屏-I窗片-I黑体

(16)

3 试验结果及分析

选取一只波长为9.5 μm(通用长波组件的要求)的探测器组件进行性能测试,测试条件及结果见表1和表2。

表1 测试所需的相关参数Tab.1 Related parameters required for testing

表2 测试参数及结果Tab.2 Test parameters and results

将测试参数和测试结果代入到相关公式得到探测器总电流为10.15 nA；探测器接收黑体辐射产生的电流为9.11 nA；冷屏产生的电流为1.94 pA；窗片产生的电流为0.273 nA。所以探测器暗电流为0.767 nA(去除盲元)。理论计算暗电流图如图3所示。

图3 理论计算暗电流图Fig.3 Dark current computed in theory

测试出的暗电流占比为7.55 %,因此有效输出范围只有92.45 %。同时考虑输出信号的一致性差异以及光栏能量的影响(一般F=2组件光栏能量分布相差12 %),实际有效输出范围会更低。同时经过计算,暗电流增加使得探测器输出噪声增加4.1 %,所以探测器的信噪比降低将近10 %。对实际应用有着很大的影响。同时为了验证暗电流结果的准确性,采用实验室方法进行验证,测试得到的暗电流为0.785 nA(去除盲元影响),整个面阵的暗电流图(含盲元)如图4所示。

通过对比暗电流的结果,我们发现两种方法的结果基本一直。可以证明该方法是可行的,其中图4暗电流图中亮点较图3明显偏多,是因为探测器组件在接收光电流时,受到读出电路电荷容量限制,

图4中对应的亮点在间接法测试中已经饱和,因此在图3中没有真实的反映出某些暗电流很大的象元实际水平。

总体来说,采用本文建议的评价方法与实验室测试方法相比,不需要对探测器进行破坏,同时结果比较准确。对用户研究暗电流、优化图像算法是有效的方法。

图4 盲冷屏暗电流图Fig.4 Dark current by blind cold shield