理论教育 单晶半导体红外感应器技术探析

单晶半导体红外感应器技术探析

时间:2023-07-02 理论教育 版权反馈
【摘要】:工作温度为295 K、195 K和77 K的3种光导型探测器早有产品出售。室温下InSb的噪声由热噪声限制,但在77 K工作的低温InSb探测器却具有明显的1/f噪声。光伏型InSb探测器。77 K下工作的光伏型和光电导型InSb探测器的探测率都已接近背景限,至今仍然是3~5 μm波段广泛使用的一种性能优良的红外探测器。锗硅掺杂型探测器基本上是光电导型。

单晶半导体红外感应器技术探析

一、锑化铟红外探测器

锑化铟(InSb)是一种Ⅲ-V族化合物半导体,是由适量的铟和锑拉制成的单品。InSb的禁带宽度,室温下为0.18 eV,相应的截止波长为6.9 μm;77 K时为0.23 eV,相应的截止波长约为5.4 μm。禁带宽度随温度的增高而减小,禁带宽度温度系数约为-2.3×10-4 eV/K;电子迁移率,295 K时为60 000 cm2/(V·s),77 K时为300 000 cm2/(V·s)。

常用的InSb探测器有光电导型和光伏型两种:

(1)光电导型InSb探测器。工作温度为295 K、195 K和77 K的3种光导型探测器早有产品出售。性能最好的还是工作于77 K下的低温探测器。室温下InSb的噪声由热噪声限制,但在77 K工作的低温InSb探测器却具有明显的1/f噪声。

(2)光伏型InSb探测器。InSb的禁带宽度较窄,室温下难以产生光伏效应,因此InSb光伏探测器总是在低温工作,常用的工作温度为77 K。

77 K下工作的光伏型和光电导型InSb探测器的探测率都已接近背景限,至今仍然是3~5 μm波段广泛使用的一种性能优良的红外探测器。

二、硫镉汞红外探测器(www.daowen.com)

Hg1-xCdxTe是由CdTe和HgTe组成的固溶三元化合物半导体,x表示CdTe占的克分子数。CdTe是一种半导体,接近0 K时具有禁带宽度为1.6 eV。HgTe是一种半金属,接近0 K时具有0.3 eV的负禁带宽度。用这两种化合物组成的三元化合物的成分可以从纯CdTe到纯HgTe之间变化。

选择不同的x值就可制备出一系列不同禁带宽度的硫镉汞(HgCdTe)材料。由于大地辐射的波长范围为8~14 μm,因此,x=0.2。在77 K下工作时响应波长为8~14 μm的材料特别引人关注。

硫镉汞材料除禁带宽度可随组分x值调节外,还具有一些可贵的性质:电子有效质量小、本征载流子浓度低等。由它制成的光伏探测器具有反向饱和电流小、噪声低、探测率高、响应时间短和响应频带宽等优点。目前已制备成室温工作响应波段为1~3 μm、近室温工作(一般采用热电制冷)响应波段为3~5 μm和77 K下工作响应波段为8~14 μm的光电导和光伏探测器。室温工作的1~3 μm波段的硫镉汞探测器的探测率虽不如PbS的探测率高,但由于它的响应速度快,已成功地用于激光通信和测距。77 K下工作响应波段为8~14 μm的硫镉汞探测器主要用于热成像系统。

三、锗硅掺杂红外探测器

室温下,硅和锗的禁带宽度分别为1.12 eV和0.67 eV,相应的长波限分别为1.1 μm和1.8 μm。利用本征激发制成的硅和锗光电二极管的截止波长分别为1 μm和1.5 μm,峰值探测率分别达到1×1013cm·Hz1/2/W和5×1010 cm·Hz1/2/W,它们是室温下快速、廉价的可见光及近红外探测器。由于在1~3 μm波段,PbS仍然是最好的红外探测器,所以锗、硅的本征型探测器在红外波段范围内就无多大用处了,但是它们的杂质光导型探测器曾起过一定作用。锗硅掺杂型探测器基本上是光电导型。

锗硅掺杂探测器均需在低温下工作,同时因光吸收系数小,探测器芯片必须具有相当厚度。在三元系化合物硫镉汞和硫锡铅探测器问世之前,8~14 μm及以上波段的红外光子探测器主要是锗硅掺杂型探测器,它们曾在热成像技术方面起过重要作用,目前甚少使用。

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