紅外焦平面探測器暗電流計算

毛京湘，舒 暢，王曉娟，謝 剛，黃俊博，周嘉鼎

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紅外焦平面探測器暗電流計算

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）

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

紅外探測器；焦平面；暗電流

0 引言

對于紅外焦平面探測器，暗電流是制約探測器性能達到較好指標的一個重要因素[1-5]。由于紅外焦平面探測器產生的光電流信號都是通過讀出電路轉化成電壓信號輸出，直接測量器件每個探測元的暗電流比較復雜。國外一般是在零視場（0FOV，即盲冷屏）條件下測試焦平面探測器的暗電流輸出電壓得到[6-9]，但這種測試方法仍受到一定的限制，即必須改變組件的結構，將正常冷屏換成盲冷屏才能得到，而對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現。本文介紹了一種通過基本的性能測試就可以從理論上分析計算得到焦平面器件暗電流的方法。

1 理論計算

紅外焦平面探測器p-n結的伏-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結上所加的偏置電壓，V；s為p-n結的分路電導，W－1；為電子電荷，1.6×10－19C；為探測器的工作溫度，K；為玻耳茲曼常數，1.38×10－23J/K；為常數，對于理想p-n結，＝1。

焦平面探測器所獲得的背景光電流由下式表示[10]：

sc＝××p×d(2)

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

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

式中：為普朗克常數，6.63×10－34J×s；為光速，3×108m/s。

正常情況下，在規定的線性動態范圍內，探測器的p-n結注入電流通過讀出電路轉化電壓信號，這是一個線性的關系，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間，s。

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

(1)＝ph(1)＋dark(5)

(2)＝ph(2)＋dark(6)

假設探測器的量子效率不變，由式(2) 、(4)可得：

在1、2不變時，式(3)代入式（7）可算出E是常數。

由式(5)～(7)可得1時由于光電流所產生的信號電壓為：

由于暗電流所產生的信號電壓為：

暗電流由下式計算：

從式(9)、(10)可以看出，只要能得到在背景溫度1和2時探測器輸出信號電壓(1)和(2)即可計算出探測器的暗電流。準確實現兩個背景溫度下輸出信號電壓的測試是影響到計算結果的關鍵因素，首先必須保證在兩個背景溫度條件下輸出信號電壓都在其線性動態范圍內，其次要選擇兩個合適的背景溫度，兩個背景溫度差越小，雖然產生的誤差越小，但也需綜合考慮黑體的控溫精度及測試系統的采集精度，具體測試方法通常按國家標準GB/T 17444-2013進行[11]。

2 試驗及結果分析

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

圖1 理論的計算暗電流圖

為了驗證上述計算結果，打開組件，將組件冷屏換成盲冷屏后進行測試，測試得到的暗電流平均值為0.768nA，整個面陣的暗電流圖見圖2。

圖2 盲冷屏暗電流圖

從試驗結果看出，通過基本的性能測試計算得到的暗電流與通過盲冷屏測試得到的暗電流結果很接近，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中局部區域的暗電流結果偏低，估計與冷屏的雜散光有關。

3 結論

介紹了一種通過基本的測試就可以計算焦平面器件暗電流的方法，并與通過盲冷屏暗電流測試方法進行了對比試驗驗證，二者得到的結果非常接近，雖然冷屏的雜散光等對結果有一定的影響，但計算方法方便和快捷，不需要專門改變器件的結構進行測試，作為一般情況下器件的暗電流評估仍具有較高的參考價值。

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Wang Yi-feng, Mao Jing-xiang, Liu Li-ming, et al.On the dark current in mercury cadmium telluride photodiodes[J].,2012, 33(9): 6-13.

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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，FPA，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器性能測試評價技術。E-mail：13987610892@139.com。