紅外焦平面探測(cè)器暗電流計(jì)算

毛京湘，舒 暢，王曉娟，謝 剛，黃俊博，周嘉鼎

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紅外焦平面探測(cè)器暗電流計(jì)算

毛京湘，舒 暢，王曉娟，謝 剛，黃俊博，周嘉鼎

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

紅外焦平面探測(cè)器的暗電流一般是在零視場(chǎng)（即盲冷屏）條件下進(jìn)行測(cè)試，但這種測(cè)試方法必須改變組件結(jié)構(gòu)，只適用于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。介紹了一種不需要改變組件結(jié)構(gòu)，僅通過基本的性能測(cè)試就可以從理論上分析計(jì)算得到紅外焦平面器件暗電流的方法。對(duì)320×256長(zhǎng)波探測(cè)器組件的試驗(yàn)結(jié)果表明，用該方法得到的暗電流結(jié)果與用盲冷屏得到的暗電流結(jié)果非常接近，可作為紅外焦平面探測(cè)器暗電流評(píng)估的快捷方法。

紅外探測(cè)器；焦平面；暗電流

0 引言

對(duì)于紅外焦平面探測(cè)器，暗電流是制約探測(cè)器性能達(dá)到較好指標(biāo)的一個(gè)重要因素[1-5]。由于紅外焦平面探測(cè)器產(chǎn)生的光電流信號(hào)都是通過讀出電路轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)輸出，直接測(cè)量器件每個(gè)探測(cè)元的暗電流比較復(fù)雜。國(guó)外一般是在零視場(chǎng)（0FOV，即盲冷屏）條件下測(cè)試焦平面探測(cè)器的暗電流輸出電壓得到[6-9]，但這種測(cè)試方法仍受到一定的限制，即必須改變組件的結(jié)構(gòu)，將正常冷屏換成盲冷屏才能得到，而對(duì)于一般已封裝好又希望了解其暗電流大小的組件，這種方法就不可能實(shí)現(xiàn)。本文介紹了一種通過基本的性能測(cè)試就可以從理論上分析計(jì)算得到焦平面器件暗電流的方法。

1 理論計(jì)算

紅外焦平面探測(cè)器p-n結(jié)的伏-安特性可表示為[10]：

式中：sc為入射的背景光電流，A；sa為反向飽和電流，A；B為p-n結(jié)上所加的偏置電壓，V；s為p-n結(jié)的分路電導(dǎo)，W－1；為電子電荷，1.6×10－19C；為探測(cè)器的工作溫度，K；為玻耳茲曼常數(shù)，1.38×10－23J/K；為常數(shù)，對(duì)于理想p-n結(jié)，＝1。

焦平面探測(cè)器所獲得的背景光電流由下式表示[10]：

sc＝××p×d(2)

式中：為探測(cè)器的量子效率，%；d為探測(cè)器光敏面積，cm2；p為探測(cè)器的光子輻照度。

在一定的黑體溫度下，當(dāng)紅外焦平面探測(cè)器的視場(chǎng)角為FOV時(shí)，探測(cè)器在其光譜響應(yīng)范圍為1～2范圍內(nèi)的光子輻照度p（單位時(shí)間單位面積上的光子數(shù)）可以由普朗克公式算出[10]：

式中：為普朗克常數(shù)，6.63×10－34J×s；為光速，3×108m/s。

正常情況下，在規(guī)定的線性動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，探測(cè)器的p-n結(jié)注入電流通過讀出電路轉(zhuǎn)化電壓信號(hào)，這是一個(gè)線性的關(guān)系，滿足下式：

式中：為讀出電路的積分電容，C；int為讀出電路的積分時(shí)間，s。

當(dāng)其他條件不變，探測(cè)器在面源黑體輻照下，背景溫度從1升至2時(shí)，探測(cè)器輸出信號(hào)電壓分別為(1)和(2)，如果讀出電路給探測(cè)器所加的偏置電壓B不變，則式(1)等式右端后兩項(xiàng)不產(chǎn)生變化或變化很小，這兩項(xiàng)我們稱之為暗電流。本文假定從1升至2時(shí)暗電流產(chǎn)生的微小變化忽略不計(jì)，由暗電流產(chǎn)生的輸出信號(hào)電壓記為dark。在1時(shí)，由背景光電流產(chǎn)生的輸出信號(hào)電壓為ph(1)，在2時(shí)，由背景光電流產(chǎn)生的輸出信號(hào)電壓為ph（2），由式(1)、(4)可得：

(1)＝ph(1)＋dark(5)

(2)＝ph(2)＋dark(6)

假設(shè)探測(cè)器的量子效率不變，由式(2) 、(4)可得：

在1、2不變時(shí)，式(3)代入式（7）可算出E是常數(shù)。

由式(5)～(7)可得1時(shí)由于光電流所產(chǎn)生的信號(hào)電壓為：

由于暗電流所產(chǎn)生的信號(hào)電壓為：

暗電流由下式計(jì)算：

從式(9)、(10)可以看出，只要能得到在背景溫度1和2時(shí)探測(cè)器輸出信號(hào)電壓(1)和(2)即可計(jì)算出探測(cè)器的暗電流。準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)兩個(gè)背景溫度下輸出信號(hào)電壓的測(cè)試是影響到計(jì)算結(jié)果的關(guān)鍵因素，首先必須保證在兩個(gè)背景溫度條件下輸出信號(hào)電壓都在其線性動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，其次要選擇兩個(gè)合適的背景溫度，兩個(gè)背景溫度差越小，雖然產(chǎn)生的誤差越小，但也需綜合考慮黑體的控溫精度及測(cè)試系統(tǒng)的采集精度，具體測(cè)試方法通常按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17444-2013進(jìn)行[11]。

2 試驗(yàn)及結(jié)果分析

選取一只進(jìn)口的長(zhǎng)波320×256 LW焦平面探測(cè)器組件進(jìn)行基本的性能測(cè)試，測(cè)試黑體溫度：1為293K，2為308K，積分時(shí)間為300ms，組件的光譜響應(yīng)范圍為7.7～9.5mm，讀出電路的積分電容為2.1pF，通過式(7)計(jì)算得到E為1.32，通過測(cè)試系統(tǒng)采樣得到組件在兩個(gè)黑體溫度下的輸出信號(hào)電壓后，由公式(9)、(10)可計(jì)算得到該組件的平均暗電流約為0.791nA，整個(gè)面陣的暗電流圖見圖1。

圖1 理論的計(jì)算暗電流圖

為了驗(yàn)證上述計(jì)算結(jié)果，打開組件，將組件冷屏換成盲冷屏后進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試得到的暗電流平均值為0.768nA，整個(gè)面陣的暗電流圖見圖2。

圖2 盲冷屏暗電流圖

從試驗(yàn)結(jié)果看出，通過基本的性能測(cè)試計(jì)算得到的暗電流與通過盲冷屏測(cè)試得到的暗電流結(jié)果很接近，平均暗電流相差僅為0.023nA，暗電流圖的相似度也非常高。圖1中局部區(qū)域的暗電流結(jié)果偏低，估計(jì)與冷屏的雜散光有關(guān)。

3 結(jié)論

介紹了一種通過基本的測(cè)試就可以計(jì)算焦平面器件暗電流的方法，并與通過盲冷屏暗電流測(cè)試方法進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證，二者得到的結(jié)果非常接近，雖然冷屏的雜散光等對(duì)結(jié)果有一定的影響，但計(jì)算方法方便和快捷，不需要專門改變器件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試，作為一般情況下器件的暗電流評(píng)估仍具有較高的參考價(jià)值。

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Computation of Dark Currents in Infrared Focal Plane Detector

MAO Jingxiang，SHU Chang，WANG Xiaojuan，XIE Gang，HUANG Junbo，ZHOU Jiading

(,650223,)

The dark current of infrared FPA detectors is usually measured in the zero field of view (i.e. the blind cold shield), but this method can be only used in laboratory because the assembly structure must be changed. A method that the dark current of infrared FPA detectors can be analyzed and computed in theory through basic parameters measurement is presented, which need not change the assembly structure. Experiment for a 320×256 LW infrared detector shows that this method gets a similar dark current result compared with the blind shield method, so it can be applied to evaluate the dark current of infrared FPA detectors as a shortcut method.

infrared detector，F(xiàn)PA，dark current

TN305

A

1001-8891(2016)03-0236-03

2015-08-13；

2015-09-10.

毛京湘（1968-），女，漢族，研究員，主要研究方向紅外焦平面探測(cè)器性能測(cè)試評(píng)價(jià)技術(shù)。E-mail：13987610892@139.com。