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在振动环境中工作的化合物半导体探测器,输出信号中往往会存在一些和振动相关的附加噪声,影响探测器的探测能力。本论文以HgCdTe光导器件和GaN基光伏器件为研究对象,用振动台和力锤模拟振动环境,研究了化合物半导体探测器的振动噪声。
使用振动台模拟了正弦振动和随机振动,测量了HgCdTe光导探测器在不同振动条件下的振动噪声。实验发现,光导型探测器在受到正弦振动激励时,都会产生相应频率的噪声。当正弦振动的频率以一定的速度连续变化,即扫频正弦振动时,探测器噪声的峰值频率也以相同的速度变化。扫频正弦振动的幅度保持恒定时,探测器峰值噪声的幅度也是基本相等的。随机振动激发的随机振动噪声的功率谱与随机振动的功率谱线性相关,但比例系数是分段的,当随机振动功率谱密度小于0.01g2/Hz,为32μVHz1/2/g2,大于0.01g2/Hz,为80μVHz1/2/g2。
将GaN基p-i-n探测器安装存电路板上,用力锤敲击的方法模拟冲击振动。探测器振动的频率主要取决于电路板材料性质、形状和安装固定的方式,利用有限元分析软件仿真可以得到其固有频率、振型等参数。实验发现,在冲击振动中,器件噪声呈现出准周期特性,但噪声幅度随着时间减小。器件噪声主要的频率成分为425Hz,与有限元分析的第三阶固有频率接近。此频率下的器件噪声与激励力的大小、振动加速度的幅度成线性关系。
分析了光导器件和光伏器件振动噪声产生的机理。对于光导器件来说,振动能量以一定的内耗系数转化为热能,以声子的形式在HgCdTe材料内传递,改变了晶格振动的能级,影响了材料的散射特性,从而影响器件的输运特性、电阻率等电学特性,产生了附加的振动噪声。对于p-i-n光伏器件来说,振动噪声来源于GaN材料的压电效应。振动使器件产生轻微的变形,在i层上下表面积累了一定的固定电荷,从而改变耗尽区的电场强度,影响了扩散电流的大小,产生了和振动相关的噪声电流。
本论文在分析振动传递路径和力电转换机制的基础上,提出了一些抑制振动噪声的方法:包括隔振,胶质填充,主动振动控制,使用模拟或数字带阻滤波器等。
分析了背景辐射影响HgCdTe长波光导探测器的基本物理机制,利用光阑改变入射到器件表面的背景辐射通量并测量不同视场角下器件的性能。实验结果表明,器件已经达到背景限,降低背景辐射可以有效的提高器件性能。