碲镉汞探测器的回顾与展望.docx
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2022-12-15
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0. 引 言
红外探测器技术不仅是一个需要掌握材料与工艺的技术领域，而且是一个存在无数未
知、但又充满活力的科学领域。
在光子型红外探测器发展历程中，1958 年英国人劳森（Lawson）与其合作者发明的
窄禁带化合物半导体——Hg
1−x
Cd
x
Te 三元合金半导体
[1-2]
，迄今为止仍然是最重要的红外探
测器材料，具有下列突出优点：
（1）红外“大气窗口”和甚长波红外全覆盖
对光子型红外探测器，截止波长 λ
c
与半导体材料禁带宽度 E
g
的关系为：
Eg(eV)≈1.24λc(μm)Eg(eV)≈1.24λc(μm)
(1)
根据公式(1)，要探测“大气红外透射窗口”的长波红外 12 μm、中波红外 5 μm、短波红
外 2.5 μm，需要禁带宽度分别为 0.10、0.25、0.50 eV 的窄禁带半导体材料。因此，发明能
“人工设计和控制窄禁带半导体的禁带宽度以响应指定红外波长”始终是红外探测器材料的
发展方向之一。
Hg
1−x
Cd
x
Te 是三元合金半导体材料，改变组份 x 能精确控制禁带宽度
[3]
：
Eg=−0.302+1.93x−0.81x2+0.832x3+5.35×10−4(1−2x)TEg=−0.302+1.93x−0.81x2+0.832x3+5.35×10−4(1−2x)T
(2)
式中：E
g
的单位为 eV；T 是绝对温度，单位 K。Hg
1−x
Cd
x
Te 禁带宽度覆盖短波、中
波、长波红外和甚长波红外波段。表 1 展示了组分 x 与禁带宽度 E
g
、截止波长 λ
c
、本征载
流子浓度 n
i
等材料物理参数的关系。Hg
1−x
Cd
x
Te 材料典型组分为 0.194、0.205、0.225、
0.31、0.44、0.62，分别对应的截止波长为甚长波 16.9 μm、长波 13.6 μm、长波 10.1 μm、
中波 4.6 μm、短波 2.6 μm 和 1.7 μm
[3]
(1 Å=0.1 nm)。
表 1 Hg
1−x
Cd
x
Te 材料的重要组分与物理参数表
[3]
Tab. 1 Important alloy compositions and physical parameters for Hg
1−x
Cd
x
Te
Hg
1−
x
Cd
x
Te
Property
x
HgTe
0
0.194
0.205
0.225
0.31
0.44
0.62
CdTe
1.0
a
/Å
6.461
6.464
6.464
6.464
6.465
6.468
6.472
6.481
77 K
77 K
77 K
77 K
140 K
200 K
250 K
300 K
E
g
/eV
−0.261
0.073
0.091
0.123
0.272
0.474
0.749
1.490
λ
c
/μm
—
16.9
13.6
10.1
4.6
2.6
1.7
0.8
n
i
/cm
−3
—
1.9 ×
10
14
5.8 × 1
0
13
63 ×
10
12
3.7 ×
10
12
7.1 ×
10
11
3.1 ×
10
10
4.1 ×
10
5
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