InGaAs探测器热电制冷方法研究

董长哲 王宇 李明 丁晓燕

（北京空间机电研究所，北京100076）

1 引言

近年来，红外仪器在空间遥感和探测领域的应用越来越多。探测器的性能对整个仪器的性能有着关键性的作用。短波红外谱段是空间遥感和探测领域一个很重要的窗口，可以很好的反映各种物质信息。这个窗口透射率很高，很多物质例如矿物质、气体在此谱段都有特定的光谱信号[1]。此外，对应于此谱段的探测器技术也日趋成熟。在短波红外领域，InGaAs探测器以其探测性能优良、可在常温条件下工作等优势，在空间遥感和探测领域得到了广泛的应用。例如，法国的陆地卫星SPOT4/SPOT5、欧洲环境卫星ENVISAT、印度环境卫星和资源卫星均采用了InGaAs长线列焦平面器件，用于短波红外的探测[2-5]。但是，尽管典型的InGaAs探测器在室温下有较高的像元探测率，已成功地应用于部分遥感领域，但对于探测灵敏度要求较高的系统，尤其是其在空间领域中的应用，进一步降低其噪声非常必要。

在InGaAs探测器的各种噪声源中，暗电流噪声起着主导作用，尤其在弱光、长积分时间条件下其影响更为显著。采用对探测器制冷的方法减小其暗电流是提高整个红外仪器探测灵敏度的一个重要手段，但是制冷的同时也会带来体积、质量、功耗的增加。因此，在保证探测灵敏度的前提下如何缩小制冷系统的体积和功耗是一个关键问题。针对此问题，本文首先分析了InGaAs探测器的工作原理，然后提出了一种综合考虑体积、功耗因素的制冷方案——通过热电制冷器对InGaAs探测器进行制冷，有效降低了其暗电流噪声，提高了InGaAs探测器的探测灵敏度，改善了红外仪器的性能。

2 InGaAs探测器分析

用于短波红外领域的探测器有InGaAs探测器和HgCdTe探测器两种。HgCdTe材料制作的探测器存在很大的局限性，HgCdTe的晶体制备困难，材料具有较高的本征缺陷密度，且在较高温度或辐射作用下性能不稳定，此外，HgCdTe要求有极为精确的组分控制，精确地确定其禁带宽度，以控制材料的光响应截止波长，要使整个晶片有很高的组分均匀性相当困难，这使得制备探测器阵列难度加大。而且HgCdTe材料本身存在着严重的隧道效应，为了使其能够灵敏地探测出红外辐射量的微弱变化，必须在非常低的温度条件下工作，以抑制噪声的影响，因而装置复杂，价格昂贵，使用不方便，在应用方面受到诸多限制。而InGaAs材料具有直接间隙，高电子迁移率，可与InP晶格匹配生长等优点，由它制作的探测器量子效率高、探测率高，在较高的温度条件下也可以工作，这样就使其结构简单、成本低、质量轻、使用方便，在应用方面具有可以减小仪器的体积和质量、降低功耗、提高可靠性等明显的优势。

典型的InGaAs探测器材料为In0.53Ga0.47As，工作波段为0.8～1.7μm。改变InxGa1-xAs材料中In的组分x可以改变其截止波长，当x从0增加到1时，其截止波长也相应的从0.871μm增加到3.44μm。随着截止波长的增加，探测器的暗电流噪声会随之增大，像元探测率D*下降，噪声等效功率（NEP）增加，信噪比降低。表1为不同截止波长的探测器的像元探测率（探测器工作频率为1kHz）。

表1 不同截止波长的探测器像元探测率

由表1可知，对于一般的要求，截止波长为1.7μm的探测器工作在室温下其像元探测率D*足够大；但是对于2.2μm和2.6μm截止波长的探测器，为了得到更好的探测效果就需要对其制冷以提高探测器的噪声水平从而提高像元探测率。

本文研究了一个截止波长为2.2μm、1×512像元的InGaAs探测器，其红外焦平面阵列在结构上包括两部分：InGaAs光电二极管阵列和CMOS读出电路。图1为其焦平面阵列结构图。可以看出，每一个像元由InGaAs光电二极管和读出电路组成。读出电路又包括电容反馈跨阻抗放大器 （Capacitive Trans-impedance Amplifier，CTIA）和相关双采样 (Correlated Double Sampling，CDS)电路。CTIA输入端接InGaAs光电二极管，输出端接反馈积分电容Cint和复位开关INT。CDS电路接在CTIA后端，由采样开关SH1、SH2及其相应的采样保持电容C1、C2组成。在积分开始时，INT断开，信号开始积分，SH1接通进行第一次采样保持，得到初始信号VIDEO1；在积分结束时，SH2接通进行第二次采样保持，信号积分结束，得到最终信号VIDEO2。VIDEO1和VIDEO2差分后得到信号量，即相关双采样模式。

图1 InGaAs红外焦平面阵列结构图

在图1中，偏置电压VERF通过一个内置电压调整器钳位至3.25V。理想情况下，阵列中每个InGaAs光电二极管所对应的VERF都等于3.25V，但实际中会有超过±3mv的偏差。因此每个像元都会存在暗电流△I=△V/R0，其中R0为探测器的零偏电阻。由于△V可能为正或负，暗电流△I的方向也相应会为正或反。暗电流的大小随探测器温度的变化而变化。试验表明InGaAs探测器的温度每降低10℃，其暗电流的大小会减小至一半。因此，对探测器制冷是降低探测器暗电流噪声的有效手段，尤其在弱光信号条件下，探测器需要在长积分时间的条件下工作，积分时间越长，暗电流就越大，这就更需要降低探测器的温度以提高其灵敏度。对于此2.2μm截止波长的InGaAs探测器，一般探测器工作时内部温度需要保持在260K左右其暗电流水平可以接受。

3 热电制冷系统设计

制冷技术主要有制冷剂制冷、机械制冷、热电制冷等方式。不同的制冷技术因其制冷效果、功耗、质量需求不同而有不同的应用场合。表2为几种制冷技术在常温下制冷其制冷效果及资源需求的比较。

表2 不同制冷技术的比较

从表2中可以看出，每一种的制冷技术在达到一定制冷效果的同时都有不同的质量、功率限制。在实际应用中，红外仪器的质量和功率都有一定的限制，因此，在满足制冷效果的前提下，选择质量、功耗较小的制冷方法对仪器的小型化和成本的降低有重要意义。此外，制冷技术的应用还需要考虑诸如制冷剂制冷可能会带来污染，机械制冷存在振动、长期工作的可靠性不高等问题。

图2 热电制冷原理图

由于InGaAs探测器对制冷效果要求不高，但是其应用于小型红外仪器中，质量、功耗资源的限制大。因此，通过不同制冷技术的比较分析，可以看出热电制冷最适用于小型红外仪器的探测器制冷设计。

热电制冷又称半导体制冷、温差电制冷、电子制冷，它是一种使用特种半导体材料，以电能为动力，珀尔帖（Peltier）效应为基础的能量转换过程[6-7]。如图2所示，热电制冷原理是把一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成一个电偶对时，然后在这个电路中接通电压后迫使电子发生定向的转移，产生电流；当电流由N型元件流向P型元件时，接头处吸收热量，成为冷端；另一端则放出热量，成为热端。当电流反向时，冷热端互换。热电制冷器吸热和放热的大小是通过电流的大小以PN电偶对的对数来决定的。

热电制冷不需要复杂的机械组件所带来的体积要求，在较高工作温区的功耗也很小，而且热惯性非常小，尤其适合于体积和功耗有一定限制的场合。

本文设计了一个热电制冷系统如图3所示，包括InGaAs探测器、热电制冷器 （Thermoelectric Cooler，TEC）、散热器以及风机。TEC冷面贴在探测器背面，热面贴在散热器上。考虑到冷面与热面的温差基本为一常量，如果其热面的温度太高，将会影响到冷面的制冷效果，所以最好将其热面贴到散热器上并用风机增加对流，以使其热面产生的热量尽快散掉并达到热平衡。对于热电制冷器，驱动电压决定驱动电流，而驱动电流又决定其制冷能力。因此，需要根据探测器的制冷需求和散热器的散热能力，给TEC提供合适的驱动电压，这样既可以达到制冷需求，又能通过散热片散出热量保持热平衡。

图3 热电制冷系统设计模型图

此外，对于某些InGaAs探测器芯片，由于探测单元和TEC集成在一个封装中，受散热限制，不能将探测器制冷到很低的温度。这时可采用图3所示的制冷系统，在探测器背面再贴一片TEC，根据制冷需求调节内外TEC的驱动电压，这样不但提高了制冷系统的可控性，同时又进一步增加了制冷深度。

由于热电制冷器和探测器紧贴在一起，探测器信号很微弱，而制冷器的驱动电流很大，制冷器的驱动电流通断瞬间就有可能对探测器产生干扰。为使驱动电流缓慢增加，避免制冷器工作在开关温控状态，因此，采用PID控制方法使制冷器处于连续温控状态。如图4所示，将探测器的温度模拟量传输到AD中进行模数转换，再将温度数字量传送给PID控制器，控制器根据连续采样温度的高低发出控制信号给制冷驱动电路，从而达到更好的制冷效果。

图4 温控系统框图

4 探测器制冷试验结果分析

利用图3所示的热电制冷系统对InGaAs探测器进行制冷，采集探测器内部温度数据，其温度值与时间的关系如图5所示。可以看出，制冷系统在很短时间内将温度降低到260K左右，并且能够保持稳定。制冷系统内部制冷器供电电压为3.3V，电流为0.85A；外部制冷器供电电压为2.5V，电流为0.43A，因此制冷功耗约为3.88W，也可以接受。

图5 热电制冷效果

然后，对InGaAs探测器在不制冷和制冷条件下分别进行暗电流噪声测试。探测器的暗电流测试需要在完全无光条件下多次测量探测器的输出信号，对其求平均值，得到每个像元输出的平均信号。图6和图7分别为探测器在不制冷和制冷条件下输出信号（测试条件：探测器工作频率35kHz，积分时间5ms）。对比图6和图7可以发现，制冷以后探测器输出信号暗电流噪声得到明显降低。因此，此热电制冷系统对InGaAs探测器的探测性能有很大的提升。

图6 不制冷时探测器输出信号

图7 制冷时探测器输出信号

5 结束语

本文采用热电制冷的方法对红外仪器中的InGaAs探测器进行制冷，以提高红外仪器的性能。通过测试可以得到如下结论：1）热电制冷能够以相对较小的体积功耗代价快速稳定的对InGaAs探测器进行制冷；2）制冷后随着温度的降低，InGaAs探测器的噪声得到明显降低，从而提高了红外仪器的探测灵敏度。因此，热电制冷方法对于红外仪器在空间遥感和探测领域的应用有很大价值。

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