锑化铟和碲镉汞探测器的对比

任何温度高于绝对零度的物体都会产生红外辐射。如何检测它的存在，测定它的强弱并将其转变为其他形式的能量以便应用，便是红外探测器的主要任务。红外探测器是红外系统中最关键的元件之一。

本文介绍了目前应用最广泛的两种制冷探测器。并对其发展现状和优缺点进行了分析。

锑化铟和碲镉汞探测器与光谱截止波长和工作温度的关系：

光伏InSb是80K工作温度下中波性能最佳的一种探测器。

（1）InSb材料高度均匀，与平面注入工艺相结合使InSb阵列响应率的均匀性达到最佳。现已有多种扫描和凝视用InSb阵列产品。

（2）InSb探测器由于是III-V族半导体材料，稳定性较好，性能不随时间和存储时间发生变化。保证了InSb探测器的成像系统调试完成后，在用户使用过程中不需要时常进行采样修正探测器的工作，在武器系统中不需要增加额外采样机构，使武器系统更加简单可靠。

（3）由于InSb材料缺陷少(EPD<50/cm²)，所以InSb探测器的暗电流较低，器件响应的线性度也较好，可以用于F数较大的武器系统，例如F数5.8的红外探测器系统只能采用InSb探测器才能保证较好的灵敏度。这对武器系统非常重要，可以降低武器系统的光学口径，提高光学系统的焦距，从而探测距离更远。

（4）工作温度增加，InSb光谱响应的长波限向长波方向移动，但器件的热噪声也迅速增加。尽管如此，在高背景下，InSb探测器的工作温度升到145K还是可行的，这对卫星应用是十分有利，因为可采用辐射制冷达到这一温度。

（5）目前状态：国外主要发达国家和地区已经很好地掌握了InSb晶体生长和探测器加工技术，探测器规模实现128×128、320×256、2K×2K、4K×4K以及6000×1、2048×16等实现全面覆盖，工作温度提高到95K、110K、130K。

（6）发展方向：

1：中波红外应用方面具有绝对优势：制导、反导、成像探测、航天应用全覆盖；单元、多元、128×128、640×512、2K×2K探测器规格全覆盖。

2：低温工作探测器成熟生产，探测器价格逐渐降低。

3：大规格探测器广泛应用。

4：高灵敏、数字化探测器全面应用，在采用数字读出电路，改善了探测器的加工工艺，在F数2下，NETD能小于5mK。5：高温工作探测器全面发展。

优点：

（1）80K工作温度下中波性能最优的一种探测器。

（2）材料稳定性好，性能不随工作时间和存储时间发生变化，用户使用简单可靠。

（3）暗电流较低，器件响应的线性度也较好，可用于F数较大的武器系统。

缺点：

（1）只能用于中波红外。

（1）碲镉汞HgCdTe材料有宽的光谱覆盖范围。HgCdTe材料，通过调节Cd的组分，HgCdTe的带隙可以实现在0~1.6eV之间的连续变化，而且其所对应的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。光伏HgCdTe探测器响应的截止波长一般小于12μm，长波红外的HgCdTe探测器工作必须制冷至80K，中波红外HgCdTe探测器可以在175~220K温度下工作，制冷方式采用热点制冷。短波红外的HgCdTe探测器可以在更高的温度甚至室温下工作。光伏HgCdTe量子效率更高，不加抗反射镀层的量子效率已超过65%。

（2）在同样的温度下，HgCdTe材料热激发载流子产生的暗电流最小。因此，在相同的灵敏度要求的条件下，HgCdTe探测器可以在更高的温度下工作，这使得截止波长3μm的碲镉汞短波红外探测器成为可采用热电制冷工作的探测器。随着HgCdTe材料和器件的进步以及制冷技术的提高，甚至中波HgCdTe探测器也可能成为采用热电制冷工作的探测器。

（3）HgCdTe是HgTe和CdTe的合金化合物，而HgTe的键合力很弱，这就使得Hg_1-xCd_xTe的整体结合不稳定，导致其均匀性和成品率不太理想。

（6）HgCdTe红外探测器的前沿发展：

1：大规模探测器阵列技术。

2：甚长波HgCdTe红外探测器技术。甚长波红外器件的HgCdTe材料需要具有很低的Cd组分，并且Cd组分的微小变化对截止波长就会影响很大，并且对其进行精确控制的难度很大。目前新型n-on-p工艺使得55K有效像元率为99.6%；新型p-on-n二极管的结构能够将暗电流下降2个量级，对于提高甚长波红外探测器的工作温度非常有益。

3：HOT碲镉汞探测器技术。在不牺牲焦平面阵列性能的同时，提高器件的工作温度可以减小冷却系统的功耗，提高冷却效率，增加制冷机的寿命，从而可以实现更小的成像设备以及更轻的探测器系统。探测器的暗电流会岁温度的增加呈指数级上升，故减小暗电流是重点。改进方向：工艺改进、p-on-n结构改进、势垒型结构以及陷光结构。

4：超光谱探测器技术。超光谱探测所涉及的波段数目远远大于多光谱探测，包含了更多的信息，可以解决更复杂的目标探测和分类问题。

5：双色/多色HgCdTe探测器技术。由于能够探测来自目标的两个波段的强度，双色探测器可以得到目标的绝对温度，大大提高了对目标的识别能力。目前，双色器件阵列的有效像元率和NETD俱佳，基本接近单色器件的水平。

6：HgCdTe雪崩光电二极管。雪崩光电二极管的灵敏度可以高2个量级，速度可以快4个量级；匹配快速CMOS电路后就能满足主动成像的要求。

优点：

（1）红外波长全覆盖。光电响应覆盖1~3μm、3~5μm、8~12μm三个红外“大气窗口“以及18μm以上长波红外波段。

（2）具有中波红外、长波红外和超长波红外的波长灵活性和多色能力。并且第三代红外探测器的发展中，此工作已经取得了很大的进展。

（3）载流子浓度低，常数小等有利于探测器少数载流子寿命长；电子空穴有效质量比大，电子迁移率高，介电性能好。

缺点：

（1）HgCdTe材料制备困难、均匀性差、器件工艺特殊、成品率低。