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碲镉汞制冷红外探测器详解

2022-08-05 11:28:34

制冷红外探测器的敏感材料碲镉汞(Hg1-xCdxTe)属于带隙可调半导体材料,通过调节Cd组分变化,波长能够完全覆盖短波,中波,长波和甚长波等整个红外波段。碲镉汞红外探测器通过吸收外来光子产生的电子跃迁为带间跃迁,材料光吸收大,量子效率高,高达70%~80%,器件光响应大、响应率高。另外,碲镉汞材料电子有效质量小,迁移率高,响应速度快,可作高频器件,以上优点使之成为一种最重要的红外探测器材料。

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20世纪60年代末70年代初,出现了第一代HgCdTe光导探测器。元数在103元以下,有线列和小面阵结构,线阵列HgCdTe光导探测器使得长波红外热成像设备可以只用一级制冷引擎工作,系统紧凑、轻便而且能量消耗相当小。

20世纪70年代末以及整个80年代,红外探测器逐渐向低功耗、高阻抗、大阵列等方向发展,出现了第二代红外焦平面阵列系统。该系统可提供较大的二维阵列,规模在103~106元,不仅可以用于线阵扫描成像,而且可以用于方形和矩形阵列。代表产品有:4×240元、4×480元、256×256元和320×240元碲镉汞红外探测器等。

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碲镉汞红外探测器缺点也是非常明显的。碲镉汞是一种主要由离子键结合的三元半导体材料,离子键互作用力小。元素汞非常不稳定,容易从碲镉汞材料中逸出从而造成材料的缺陷、材料的不均匀以及器件性能的不均匀,这一缺点在长波应用时尤其突出。另外一个主要问题是碲镉汞薄膜材料生长的外延衬底问题,获得更大尺寸的衬底和碲镉汞材料,必须考虑替代衬底以及晶格不匹配带来的质量问题。

随着技术升级,分子束外延法或金属有机化合物气相沉积法等技术可以制得复杂的HgCdTe多层异质结材料,这更有利于第三代双色、多色红外光电探测器以及新结构探测器的发展。

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