解析新型量子光电探测器的读出与显示

　　1.引言

　　目前工业、医疗、天文和军事对近红外探测和成像有大量需求，本文介绍了一种响应近红外的新型高增益GaAs/InGaAs量子光电探测器。首先测试和讨论了探测器的I-V特性，探测器偏压为-1.5V时响应率大于10A/W，响应率随光照功率增大减小。针对探测器特性和探测器阵列规模设计了2×8元读出电路，探测器和读出电路对接后的样品工作在77K条件下。探测器偏压为-1.5V，积分时间为200μs时探测器率达到1.38×1010cmHz1/2/W，达到实际应用的要求。为验证探测器和读出电路及对接样品的实用性，最后设计了数据采集卡和成像系统，给出了测试结果。

　　2.探测器和读出电路

　　2.1 探测器

　　探测器的I-V特性可以为读出电路设计提供重要依据，为此在光电测试平台采用keithley 4200-SCS半导体特性测试仪测试探测器特性。探测器阵列为2×8元，单元探测器面积为80×80μm.测试过程中作为公共电极的衬底电位固定，扫描单元探测器一端的电压。

　　图1是器件的I - V特性，与Q W I P器件不同，特性曲线明显非对称。探测器有一个-0.8V的阈值电压，探测器偏压大于-0.8V后响应电流迅速增大，在-0.8V~-3V区间相应电流随偏压变化缓慢。正向偏置时探测器响应电流相对较小。测试得77K，-1.5V时探测器暗电流小于10-13A，暗电流较小有利于降低噪声，提高探测率和信噪比。C-V特性测得探测器的电容约7.5pF.

　　图2是不同光照功率时探测器的响应率，结果显示探测器的响应率远大于1A/W，偏压为-1V时响应率大于10A/W，说明探测器量子效率和光电增益较大。测试结果还显示探测器的响应率随光照功率增大减小，这个特性有利于提高成像系统的动态范围。

　　探测器的工作偏压对焦平面工作有重要影响，需要仔细选择和严格控制。

　　图3显示探测器偏压为-1V时动态阻抗较大，大动态阻抗表示探测器响应电流随工作偏压变化较小，降低了探测器工作偏压的稳定性要求，提高了探测器阵列响应的一致性。因此探测器阵列与读出电路对接后选择-1V为工作电压。

　　2.2 读出电路

　　根据探测器特性设计读出电路，结构如图4所示，包括行选开关、电容互阻放大器（CTIA）、相关双采样电路（CDS）、列选开关和输出缓冲器。采用CTIA结构为列放大器可以稳定探测器工作偏压，提高注入效率和线性度，CDS电路可以抑制固定图形噪声。

　　读出电路工作过程如下：首先选通一行探测器与CTIA列放大器连接，然后列放大器复位，使积分电容放电，探测器上电极的电位复位到复位电位。复位后列放大器开始积分，CDS电路采样和保持列放大器的复位信号和积分信号。最后在列选开关的控制下依次选通采样保持电路，通过输出缓冲器依次输出八个探测器积分信号。

　　接着重复上面的读出过程，开始另一行探测器的读出。