随着光伏探测器在傅里叶变换红外(FTIR)光谱探测领域的广泛应用, 光伏型器件的响应非线性现象逐渐成为影响FTIR光谱反演精度的关键问题。文章对光伏探测器的响应非线性进行研究, 首先, 总结了光伏探测器的一般原理与等效电路; 然后, 对导致探测器出现响应非线性的内部效应与外部因素进行分析; 最后, 总结了内外因素之间的关联, 并在结论中给出了对探测器进行非线性校正的工作方向。这对揭示半导体器件对不同通量辐射的响应规律、对于改善研究光伏探测器的非线性问题以及提高FTIR光谱探测精度具有重要的意义。

为研究光伏探测器瞬态响应特性在短脉冲激光作用下的变化规律, 以一种室温下零偏压工作的HgCdTe光电二极管为实验对象, 测量了该器件对脉冲宽度约16 ns的不同强度响应波段内激光的响应信号波形。在探测器的对数线性响应区内, 随着入射激光能量密度从约7.2 nJ/cm2增大到75 μJ/cm2, 响应波形的宽度逐渐增大, 半高宽约由55 ns增大到235 ns, 底宽约由170 ns增大到380 ns。脉冲响应波形的展宽意味着器件的瞬态响应特性发生了退化。通过分析强注入条件下光电二极管准中性区光生载流子扩散过程, 以及结电场与结电容变化对过剩载流子输运过程的影响, 对上述光伏探测器瞬态响应特性退化的特征进行了机理解释。

针对碲镉汞光伏器件的暗电流随着物理面积增大而急剧增加, 研究了子像元结构在降低大面积短波碲镉汞光伏器件暗电流方面的有效性。发现子像元结构在室温下相比常规结构可以有效降低器件的暗电流, 但当温度降到 180 K时, 常规结构器件反而具有最小的暗电流, 经过分析认为是子像元边界处引入的表面漏电所致。如果器件的表面态密度和表面固定电荷过多, 会使得子像元边界在低温下引入表面隧穿电流和表面欧姆电流, 这些与边界有关的表面漏电会成为低温下暗电流的主要成分, 从而使子像元结构失去降低器件暗电流的优势。文章中同时给出了低温下子像元结构可以有效降低器件暗电流的条件, 并针对不同的子像元结构, 提出了漏电体积这一参量来评价不同结构子像元降低器件暗电流的效果。

对中波碲镉汞光伏探测器进行了实时gamma 辐照效应研究.通过在辐照过程中对器件的电流—电压特性曲线进行测试,得到了器件电学性能随着gamma辐照剂量的变化.研究发现器件在辐照过程中表现出两种典型的辐照效应: 电离效应和位移效应.电离效应可以通过辐照过程中类似光电流的产生来表现出来,而位移效应则通过辐照过程中器件串联电阻的增加来体现.两种效应都表现为总剂量效应.分析认为,由于位移效应引入的辐照损伤随着辐照剂量的增加越来越多,辐照电离效应产生的自由载流子产额随之逐渐降低,说明随着辐照剂量增加,电离效应逐渐降低,而位移效应则逐渐增强,导致器件性能衰退.

采用等温气相外延方法(Isothermal Vapor Phase Epitaxy, ISOVPE)在CdZnTe衬底上生长出碲镉汞外延材料。 在此基础上研制出在近室温条件下工作、具有集成浸没透镜结构的碲镉汞光伏器件, 器件的工作波段为2.5 m～3.2 m。由于采用ISOVPE工艺生长的碲镉汞外延材料的组分梯度较大, 文中采用多次湿法腐蚀-透射光谱测试的方法对材料的截止波长进行较精确的定位。在CdZnTe衬底上采用单点金刚石工艺得到直径为1.5 mm的超半球结构集成浸没透镜, 然后利用激光诱导电流(LBIC)测试方法评价加工浸没透镜前后的器件光学响应面积。通过比较透镜加工前后器件的电流-电压特性曲线, 对浸没透镜加工过程的影响进行了评价, 发现透镜加工完成后器件的零偏压电阻略有增加, 这与超半球结构会减小器件的辐射入射角相符合。在透镜加工前后对器件的黑体信号和噪声进行了测试, 发现具有浸没透镜的器件的信号比之前增加了20～30倍, 其噪声由于零偏压电阻的增加而略有降低。因此器件的黑体探测率实现了最高达4倍的增加。

利用自主的分子束外延(MBE)技术在CdZnTe(111)基底上生长PbTe半导体探测器材料, 通过在PbTe薄膜上沉积In2O3透明导电薄膜、ZnS绝缘保护层和In薄膜做电极, 制成PbTe结型中红外光伏探测器．在77 K温度下, 器件响应波长为1.5～5.5 μm, 实验测量的探测率为2×1010 cm·Hz1/2W-1, 由R0A值计算的探测器峰值探测率达到4.35×1010 cm·Hz1/2W-1．随着温度的升高, 截止波长发生蓝移, 探测率降低．分析了影响探测器探测率和R0A值的主要因素．

对采用单层ZnS和双层CdTe/ZnS两种钝化层结构的长波碲镉汞光伏器件进行了实时γ辐照效应研究.通过辐照过程中实时测试器件的电流－电压特性, 发现随着辐照剂量的增加, 两种器件表现出不同的辐照效应.结合光伏器件的电流机制分析, 对器件的电阻－电压曲线进行数值拟合, 发现器件的主要电流机制在偏压较大时为间接隧道电流, 在偏压较小及零偏压附近时为产生－复合电流.对辐照前后器件的电阻－电压曲线进行对比分析, 认为CdTe/ZnS双层钝化结构有助于降低辐照位移效应的影响, 使得器件间接隧道电流随辐照剂量无明显的增加；同时发现辐照电离效应的影响与器件材料的初始性能参数密切相关, 拟合得到ZnS单层钝化结构的器件具有较高的少子产生－复合寿命, 受电离效应的影响较大, 导致其产生－复合电流随着辐照剂量增加持续增大.

温度烘烤是pn结型器件加速实验的常用方法之一。针对室温工作的短波碲镉汞(HgCdTe)红外探测器开展了真空烘烤实验研究。实验样品分为四组, 对应的烘烤温度分别为60 ℃, 70 ℃, 80 ℃和90 ℃。在实验前后测试了器件的R-V特性曲线, 并进行了R-V特性的理论拟合分析。分析结果表明真空烘烤对器件的影响主要表现在三个方面：串连电阻的增大、隧道电流效应的减弱及产生复合效应的增强。串连电阻的增大主要是由于电极接触电阻在长时间温度烘烤下增加引起的。温度烘烤可以消除能带内的缺陷能级, 从而削弱间接隧道电流对I-V特性的影响。分析推测较高温度的烘烤会损伤器件表面钝化膜的质量, 从而使得器件的产生复合寿命降低。

由于制造工艺和生产条件的不同,光伏探测器的特征参量结品质因子和反向饱和电流有很大差别。提出一种PN结特征参量的间接测量方法,并对该测量方法所用的数值计算方法的收敛性进行数学证明。提出了两个使用开路电压和短路电流计算光电池PN结品质因子和反向饱和电流的简化解析计算公式。与迭代法的计算结果相比,使用简化解析计算公式得到的结品质因子和反向饱和电流的相对误差分别为0.03%和0.25%;与实验结果相比,使用迭代法计算结果的开路电压值的相对误差不小于0.3%。

建立了高斯激光辐照光伏(PV)型光电探测器温升的三维物理模型，采用有限元分析方法计算了探测器的三维温度场分布，探讨了辐照时间、胶层厚度和胶层热导率对熔融损伤阈值及热恢复时间的影响。研究结果表明：InSb PV型探测器受到强激光连续辐照时会发生熔融损伤破坏，且最早发生于迎光面的光斑中心；激光的功率越高，造成损伤破坏所需要的时间越短；热导率越大，越薄的胶层对应的损伤阈值越大，但胶层厚度和热导率对熔融损伤阈值的影响在大功率激光辐照时才较明显。为了提高PV型探测器抗激光辐照能力，应选用热导率大且尽可能薄的胶层。采用该模型计算得到10W功率激光辐照下的熔融时间为3．26 s，与实验得到的3 s基本吻合。