单元光电探测器在连续激光辐照下的响应机理研究

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随着光电探测器在军事和民用等诸多领域的广泛应用,半导体光电探测器的激光辐照效应越来越受到人们的重视。光电探测器的种类繁多,每种探测器都有其特定的光谱探测范围,即存在探测的截止波长。在实际的光电对抗中,对探测器进行干扰和损伤的激光波长不一定恰好位于探测器的响应波段内,本文将光子能量大于探测器材料禁带宽度的激光称为该探测器的波段内激光;把光子能量小于探测器材料禁带宽度的激光称为该探测器的波段外激光。本文以光伏(PV)型和光导(PC)型单元光电探测器为研究对象,分别在实验和理论上系统地研究了PV型探测器和PC型探测器在波段内激光辐照下的非线性响应机理以及在波段外激光辐照下的响应机理。研究内容如下:1.研究了PC型探测器在波段内连续激光辐照下动态响应的物理过程。进行了PC型InSb红外探测器的波段内激光辐照实验,建立了PC型探测器在波段内连续激光辐照下的载流子输运模型,数值计算结果与实验结果吻合,分析了PC型探测器在波段内激光辐照下的响应机制。研究表明,PC型探测器对波段内激光的响应机制包括光激发载流子效应和热效应,热效应主要体现为温度对载流子迁移率的影响和温度对载流子浓度的影响。在分析PC型探测器在波段内激光辐照时的电压信号时,必须考虑以上三种效应对输出电压信号的影响。2.系统地研究了PV型探测器在波段内连续激光辐照下非线性响应的物理机制。在大量实验的基础上,明晰了PV型探测器在强光辐照下的一般规律性现象,和由探测器个体差异导致的特殊现象。发现并对比研究了两种典型的过饱和现象,理论上,从等效电路模型出发,分析了两种过饱和现象的发生条件,建立了数值计算的理论模型,对两种过饱和现象进行了数值模拟,计算结果与实验结果吻合得较好。研究表明,PV型探测器在波段内激光辐照下引起的过饱和现象有两种产生机制,一种是热效应引起的暗电流增大机制;另一种强光引起的漏电流增大效应,该机制是由于探测器材料制备过程中引入缺陷导致的。3.系统地研究了PC型探测器在波段外连续激光辐照下动态响应的物理过程。实验上,分别进行了PC型InSb和HgCdTe两种典型红外探测器的波段外激光辐照实验,发现了一种普遍存在于PC型探测器在波段外激光辐照下的新现象,深入分析了新现象的产生机理。建立了PC型探测器在波段外连续激光辐照下的载流子输运模型,分析了PC型探测器在波段外激光辐照下电压响应的机制,数值计算结果与实验结果吻合。研究表明,PC型探测器对波段外激光有响应,其响应机制仅为热效应,具体表现为温度对载流子迁移率的影响和温度对载流子浓度的影响。波段外激光辐照下,探测器温升,当探测器芯片温度小于特征温度(电导率出现极小值时对应的温度)时,温度对载流子迁移率的影响起主导作用,探测器的输出电压信号表现为随温度升高而增大;当探测器芯片温度大于特征温度时,温度对载流子浓度的影响起主导作用,探测器的输出电压信号表现为随温度升高而减小。探测器输出电压信号是由温度对载流子迁移率的影响和温度对载流子浓度的影响共同决定。4.研究了PV型探测器对波段外激光的响应机制,研究表明,热生电动势为PV型探测器对波段外激光响应的主要机制,并阐明了不同初始开路电压条件对探测器输出信号的影响。利用Si太阳能电池重现了HgCdTe探测器在波段外激光辐照下的实验现象,并围绕着热生电动势是否存在、与光生电动势的区别与联系以及与温差电动势的区别等问题设计了实验,从实验的角度验证了热生电动势的正确性。
摘要第11-13页
Abstract第13-14页
第一章 绪论第15-24页
    1.1 研究的背景和意义第15-17页
    1.2 研究的历史和现状第17-22页
        1.2.1 国外研究历史和现状第17-19页
        1.2.2 国内研究历史和现状第19-22页
    1.3 研究思路和论文结构第22-24页
        1.3.1 研究思路第22页
        1.3.2 论文结构第22-24页
第二章 红外光电探测器的工作原理与器件模拟的物理基础第24-33页
    2.1 单元红外光电探测器的工作原理第24-29页
        2.1.1 PC型探测器的工作原理第24-26页
        2.1.2 PV型探测器的工作原理第26-29页
    2.2 半导体器件模拟的物理基础第29-33页
        2.2.1 平衡载流子第29-30页
        2.2.2 非平衡载流子的产生与复合第30-31页
        2.2.3 漂移扩散模型的基本方程第31-33页
第三章 PC型探测器在波段内连续激光辐照下的响应机理第33-44页
    3.1 波段内连续激光辐照PC型InSb探测器的实验研究第33-36页
        3.1.1 实验装置第33-34页
        3.1.2 实验结果第34-36页
    3.2 PC型探测器在波段内激光辐照下动态响应的数值模拟第36-42页
        3.2.1 数值计算的基本方程第36-38页
        3.2.2 PC型探测器在波段内激光辐照下的响应机理分析第38-40页
        3.2.3 PC型探测器的数值计算结果第40-42页
    3.3 本章总结第42-44页
第四章 PV型探测器在波段内连续激光辐照下的非线性响应机理研究第44-65页
    4.1 波段内连续激光辐照PV型探测器的实验研究第44-51页
        4.1.1 实验装置第44-47页
        4.1.2 国产液氮制冷PV型HgCdTe探测器的实验结果第47-49页
        4.1.3 国产和国外Infrared制冷PV型InSb探测器的实验结果第49-50页
        4.1.4 Si太阳能电池的实验结果第50-51页
    4.2 PV型探测器在波段内激光辐照下的过饱和现象机理研究第51-58页
        4.2.1 两种过饱和过程的对比分析第51-53页
        4.2.2 PV型探测器在连续激光辐照下的等效物理模型第53-58页
    4.3 PV型探测器在波段内激光辐照下动态响应的数值模拟第58-63页
        4.3.1 国产探测器 1 在波段内激光辐照下的过饱和现象的数值模拟第58-59页
        4.3.2 国产探测器 2 在波段内激光辐照下的过饱和现象的数值模拟第59-60页
        4.3.3 PV型探测器的过饱和现象的机理分析第60-63页
    4.4 本章总结第63-65页
第五章 PC型探测器在波段外连续激光辐照下的响应机理第65-85页
    5.1 波段外连续激光辐照PC型InSb探测器的实验研究第65-70页
        5.1.1 实验装置第65-67页
        5.1.2 实验结果第67-70页
    5.2 波段外连续激光辐照PC型HgCdTe探测器的实验研究第70-74页
        5.2.1 实验装置第70-71页
        5.2.2 实验结果第71-74页
    5.3 PC型探测器在波段外激光辐照下的响应机理分析第74-78页
        5.3.1 吸收机制分析第74-75页
        5.3.2 特征温度的产生机理第75-78页
    5.4 PC型探测器在波段外激光辐照下动态响应的数值模拟第78-83页
        5.4.1 PC型探测器的结构对探测器温度场的影响第78-80页
        5.4.2 PC型探测器数值计算的基本方程第80-81页
        5.4.3 PC型探测器的数值计算结果与讨论第81-83页
    5.5 本章总结第83-85页
第六章 PV型探测器在波段外连续激光辐照下的响应机理研究第85-101页
    6.1 波段外连续激光辐照PV型探测器的实验研究第85-90页
        6.1.1 实验装置第85-86页
        6.1.2 波段外连续激光辐照短波PV型HgCdTe探测器的实验结果第86-89页
        6.1.3 实验现象的机理分析第89-90页
    6.2 PV型探测器在波段外激光辐照下的响应机理分析第90-99页
        6.2.1 Si太阳能电池的波段外激光辐照实验第91-94页
        6.2.2 热生电动势的实验验证第94-97页
        6.2.3 热生电动势与温差电动势的区别第97-99页
    6.3 本章总结第99-101页
第七章 全文总结第101-104页
    7.1 主要结论第101-102页
    7.2 主要创新点说明第102-103页
    7.3 未来工作展望第103-104页
致谢第104-106页
参考文献第106-114页
攻读学位期间取得的主要学术成果第114-115页
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论文编号ABS2678322,这篇论文共115页
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