台面PN结InSb红外探测器响应时间研究

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低温光导型InSb红外探测器研究

发至导带，在其体内产生电子一空穴对，引起材料的电导率变化。当电子一空穴对在外电场的作用下定向移动时，生光电流。产在Ｚｔｒ型的基础上，本征型光导而言，ｉｅ模ｔ对光激发的过剩电子和空穴浓度相同， △１：△ｐｎ且１《，
作者简介：贾宝军【９９一）男，级工程师．上，９７年来１６．高磺１９直从事光导型红外探测器的研究及应用方面２６
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（．１０～３０）×１ｅ．０ｍＨｚ／Ｗ
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图１光电导基率模型
２１本征光电导简化模型光导型红外探测器，简单地说，就是对红外辐射敏感的电阻。如图１对本征光电导而言，，当能量大于其禁带宽度的光子被吸收后，价带中的电子激使
维普资讯
第３２卷第１期
２０年２月０２
激光与红外
ＬＡＳＥＲ＆ＩＮＦＲＡＲＥＤ
Ｖ０３２．ｌｌＮｏＦｂｒａｙ．０ｅｕｒ２０２
红蛩材料器１生
文章编号：０１５７（０２Ｏ４５－３１０．０８２０）１］ｌ００
ＪＡＢ【ｊｎＹＮｉｇｊｎ，ＨＮｕｄｎＺＡＧＪｎＩａｕ，ＩＧＭｎ — ｇＺＥＧＳ —ａ，ＨＮｉ】ｏａ
（ｏｔＣｉｅｅｒｈＩｓｔｔｏｌｔ — ｐｃ，ｅｊｇ１０１Ｃｉ）ＮｒｈｎＲｓａｃｎｔｕｅｆｅｒＯｔｓＢｉｎ００５．ｈｎｈａｉＥｃｏｉｉａ

光电探测器响应时间实验研究-毕业设计论文

光电探测器响应时间实验研究摘要近几十年来，光电探测器在光通信、国防探测、信号处理、传感系统和测量系统等高精尖科技领域得到广泛的应用，在信息为导向的时代，时间就是生命，提高速度的需求日益紧迫，提高光电探测器响应速度的努力几乎从诞生它的一刻起就没停止过。

本实验主要研究光敏电阻和光电二极管的响应时间。

理论分析先从光敏电阻的光谱响应特性、照度伏安特性、频率响应、温度特性和前历效应来考察它的工作影响因素，确定光敏电阻响应时间与其入射光的照度、所加电压、负载电阻及照度变化前电阻所经历的时间的关系。

从光电二极管的模型分析，我们知道光电二极管的响应时间有三个方面决定：①光生载流子在耗尽层附近的扩散时间；②光生载流子在耗尽层内的漂移时间；③与负载电阻并联的结电容所决定的电路时间常数。

文中将详细分析计算对比三个时间的数量级，以确定提高响应速度的最有效途径，并提出改善光电二极管的有效方法和PIN模型。

实验研究时，采用近似脉冲的光源，经探测器的输出信号输入快速响应的CS-1022型示波器，在示波器上直接读出响应时间，分析实验结果，得出影响探测器响应时间的因素。

关键词：光电探测器，响应时间，半导体，影响因素AbstractIn recent decades, photoelectric detectors have been widely used in high-tech areas such as optical communications, national defense detection and signal processing, sensing system and measurement system .in the era which leaded by information, time is life. Improving speed increasingly is urgent needs of photoelectric detector. To improve the response speed, effort haven't been stopped from birth to its moment. This experiment mainly researchs photoconductive resistance and photoelectric diode response time. The theoretical analysis studys photoconductive resistance properties, intensity of illumination volt-ampere characteristics, frequency response and temperature characteristic and former calendar effect to examine its working influence factors, and find out the influencing factors between photoconductive resistance response time and incident light intensity of illumination, voltage, load resistance and the time experienced before intensity of illumination change. From the model analysis of the photoelectric diode, we know that the response time of the photoelectric diode has three aspects: (1) The diffusion time of photon-generated carrier near depletion layer.(2) The drift time of photon-generated carrier in depletion layer .(3) The constant of the circuit decided by junction capacitor which parallel with the load resistance . The detailed analysis and calculation of the order of magnitude of three time will be contrasted to determine the effective ways to improve photoelectric diode’s reaction speed,and the effective PIN model.In the experimental study, we use a pulse generator as light source, and the detector pulse output signal input quick response CS - 1022 type scillograph. So we can read direct response time in oscilloscope directly, then analyze the results, find out the factors which affect the probe response time.Key word:Photoelectric detector, response time, semiconductor, influencing factors目录1 绪论 (1)1.1光电探测器发展历程 (1)1.2近年高速探测器的发展成果 (2)1.3光电探测器的分类 (4)1.4光电探测器的物理基础 (6)2 典型光电探测器响应时间的研究 (10)2.1光电导探测器 (10)2.1.1光电转换原理 (10)2.1.2工作特性分析 (12)2.1.3时间响应特性及改善 (17)2.2 PN结光伏探测器 (17)2.2.1光电转换原理 (18)2.2.2 光伏探测器的工作模式 (19)2.2.3 Si光电二极管的构造与特性分析 (21)2.2.4 频率响应特性及改善探讨 (24)3光电探测器响应时间实验研究 (32)3.1实验原理 (32)3.1.1脉冲响应 (32)3.1.2幅频特性 (33)3.2实验仪器 (34)3.3实验步骤 (35)3.4实验结果与分析 (37)结论 (39)参考文献 (40)致谢 (41)1 绪论自年第一台红宝石激光器问世以来，古老的光学发生了革命性的变化与此同时，电子学也突飞猛进地向前发展。

InSb材料的表征

InSb材料的表征计雨辰;王小龙【摘要】InSb为直接带隙半导体材料，禁带宽度77 K时为0.232 eV，在3～5μm红外探测器上有着重要的应用。

本文介绍了InSb晶体材料应用及制备的发展情况，对InSb材料的晶体结构、热学性质、机械性能、光学性质和电学性质的表征进行了叙述。

根据InSb材料的基本特性，对其制备发展过程中将可能出现的问题和研究方向进行了预测。

%InSb is a direct band-gap semiconductor material,and its energy gap is 0. 232 eV at 77 K,so it is a very im-portant fabricating material for 3~5 μm infrared detectors. The fabrication and application of InSb material is intro-duced. The crystal structure,thermal property,mechanical property,optical property and electrical property of InSb are discussed. The research direction and possible difficulties in InSb material fabrication are predicted according to its properties.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2016(046)005【总页数】5页(P522-526)【关键词】InSb;半导体;材料表征【作者】计雨辰;王小龙【作者单位】华北光电技术研究所，北京100015;华北光电技术研究所，北京100015【正文语种】中文【中图分类】TN213自1952年Welker[1]发现III-V族化合物的半导体材料特性后,人们逐渐对III-V族化合物,尤其是InSb材料的性质展开研究[2]。

InSb红外焦平面器件台面刻蚀工艺研究-激光与红外

。
ｎＳｂ红外焦平面探测器的发展，焦平面阵列规随着Ｉ格越来越大，象元尺寸和间距越来越小，台面图形精确刻蚀成型成为制备大面阵探测器芯片的首要问题
［３］
。传统的湿法腐蚀工艺由于各向同性导致横
向钻蚀严重，同时其均匀性也较差，难以满足大规格探测器制备需求，而干法刻蚀各向异性程度高、大面积均匀性好，能够较好的控制刻蚀线宽，因此成为大面阵凝视探测器制备过程中台面刻蚀成型的必备解决手段。
作者简介：谭㊀振（１９８４－），男，工程师，主要研究方向为红外探测器芯片制备。Ｅｍａｉｌ：ｔａｎｚｈｅｎ８４０２＠１２６ｃｏｍ收稿日期：２０１５０６０９
激光与红外㊀Ｎｏ．１㊀２０１６㊀㊀㊀㊀㊀㊀谭㊀振等㊀ＩｎＳｂ红外焦平面器件台面刻蚀工艺研究
第４６卷㊀第１期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀激光与红外㊀２０１６年１月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀ＬＡＳＥＲ㊀＆㊀ＩＮＦＲＡＲＥＤ
Ｖｏｌ．４６，Ｎｏ．１Ｊａｎｕａｒｙ，２０１６
１００１５０７８（２０１６）０１００７２０４㊀㊀文章编号：
ＳｔｕｄｙｏｆｍｅｓａｅｔｃｈｉｎｇｆｏｒＩｎＳｂｉｎｆｒａｒｅｄｆｏｃａｌｐｌａｎｅａｒｒａｙｓ
ＴＡＮＺｈｅｎ，ＫＡＮＧＺｈｅ，ＬＩＨａｉｙａｎ
（ＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｌｅｃｔｒｏｏｐｔｉｃｓ，Ｂｅｉｊｎｇ１０００１５，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡｓｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｗｅｔｅｔｃｈｉｎｇｏｆＩｎＳｂｈａｓｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｉｓｏｔｒｏｐｙ，ｔｈｅｒｅｉｓｈｅａｖｙｐｉｘｅｌｕｎｄｅｒｅｔｃｈ，ｗｈｉｃｈｄｅｃｒｅａｓｅｓｔｈｅｆｉｌｌｆａｃｔｏｒａｎｄｌｉｍｉｔｓｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｌａｒｇｅｆｏｒｍａｔｉｎｆｒａｒｅｄｆｏｃａｌｐｌａｎｅａｒｒａｙＩｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ＢＣｌＡｒａｒｅｃｈｏｓｅｎａｓｅｔｃｈｇａｓ，ａｎｄｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｇａｓｒａｔｉｏ，ｗｏｒｋｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅ，ＲＦｐｏｗｅｒａｎｄＩＣＰｐｏｗｅｒｏｎｅｔｃｈｉｎｇ３／ｅｆｆｅｃｔａｒｅｓｔｕｄｉｅｄｂａｓｅｄｏｎＩＣＰｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙＴｈｅｄｒｙｅｔｃｈｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅｉｓｏｂｔａｉｎｅｄｆｏｒＩｎＳｂＦＰＡｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎＫｅｙｗｏｒｄｓ：ＩＣＰ；ＩｎＳｂ；ｍｅｓａｅｔｃｈ；ｅｔｃｈｒａｔｅ；ｅｔｃｈｉｎｇｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ

光电探测器的灵敏度与响应时间研究与探索

光电探测器的灵敏度与响应时间研究与探索哎呀，说起光电探测器，这可真是个有趣又重要的东西！你想想，在我们生活的这个科技飞速发展的时代，从智能手机的摄像头到太空望远镜，从医疗设备到自动驾驶汽车，到处都有光电探测器的身影。

我记得有一次，我参加了一个科技展览。

在那里，我看到了一个展示光电探测器应用的展台。

展示人员拿着一个小小的光电探测器模块，给我们演示它是如何工作的。

他用一束很微弱的光线照射在探测器上，旁边的仪器立刻就显示出了光线的强度和相关的数据。

我当时就特别好奇，这么小的一个东西，怎么就能这么灵敏地检测到光线的变化呢？这就不得不提到光电探测器的灵敏度啦。

灵敏度可是衡量光电探测器性能的一个关键指标。

简单来说，就是它能多敏锐地察觉到光的存在和变化。

比如说，在夜晚拍摄星空的时候，如果光电探测器的灵敏度不够高，那可能就捕捉不到那些微弱的星光，我们看到的星空照片就会是一片漆黑，啥也看不清。

但要是灵敏度高呢，就能把那些暗淡的星星都清晰地呈现出来，给我们带来美轮美奂的星空图。

那光电探测器的灵敏度到底是怎么实现的呢？这就得从它的工作原理说起。

光电探测器就像是一个超级敏感的“小眼睛”，当光线照射到它上面时，会引发一系列的物理和化学变化。

就好比是一场微小的“光的派对”，光子们和探测器内部的材料相互作用，产生了电流或者电压的变化。

而这个变化的大小，就决定了探测器的灵敏度高低。

为了提高光电探测器的灵敏度，科学家们可是绞尽了脑汁。

他们不断地研究和改进探测器的材料，寻找那些对光更加敏感的物质。

就像在一堆水果中，挑选出最甜、最饱满的那一个一样。

比如说，有些材料能够吸收更多的光子，转化效率更高；有些材料则能够在更低的光强度下就产生明显的响应。

除了材料，探测器的结构设计也很重要。

想象一下，一个精心设计的房子，每个房间的布局都恰到好处，通风采光都极佳。

光电探测器也是这样，合理的结构能够让光线更好地被接收和处理，从而提高灵敏度。

比如说，增加探测器的接收面积，就像给“小眼睛”戴上了一副大眼镜，能看到更多的光；或者优化内部的电路设计，让信号传输更加顺畅，减少损耗。

InSb红外焦平面探测器十字盲元问题的研究

文章编号：1672-8785(2021)04-0015-06InSb红外焦平面探测器十字D元问题的研究程雨李忠贺谢3肖5黄婷(华北光电技术研究所，北京100015)摘要：InSb红外焦探测器在中波红外波段占据重要地位，但十字盲元问题严重降低了探测器的性能。

通过聚焦离子束定位剥离手段，发现了十字盲元区域的钮凸点失效。

进一步检测发现，钮凸点制备参数欠佳。

通进钮凸点形状和增，了焊接面的牢。

此后发现极少InSb器件存在十字盲元问题。

在80°C下对钮凸点改进后的InSb红外器件进行了14天烘烤。

经测试，十字盲元数目保持不变，钮凸点的可靠性较好。

改进钮凸点制备技术可有效解决十字盲元问题。

互连失效是十字盲元问题的原因。

以此类推，该可解决所有InSb红外器件的十字盲元问题。

关键词：十字盲元；失效分析；InSb红外探测器中图分类号：TN362文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-8785.2021.04.003 Study of Cross-shaped Dead Pixels in InSb IRFPA DetectorsCHENG Yu，LI Zhong-he，XIE Heng，XIAO Yu，HUANG Ting(North China Research Institute of Electro-Optics，Beijing100015，China)Abstract:InSb infrared focal plane array(IRFPA)detectors are playing important roles in the medium wave infrared band.But cross-shaped dead pixels severely reduce the performance of the detectors.It was found that indium bumps were invalid in the cross-shaped dead pixels'regions by focused ion beam technology.Fur ther inspection revealed that the indium bump preparation parameters were not good.Through improving the shape of the indium bumps and increasing the height，the firmness of the welding surface was strengthened，very few InSb detectors had the problem of cross-shaped dead pixels.The optimized InSb infrared detectors werebakedat80Cfor14days andthenumberofcros-shapeddeadpixelsremainedunchangedaftertes-ting.The reliability of indium bumps was good.Optimizing indium bump preparation technology can effectively solve the cross-shaped dead pixels problem.Interconnection failure is the main cause of the cross-shaped dead pixels problem.By analogy，this method can solve the cross-shaped dead pixels problem of all InSb infrared detectors.Key words:cross-shaped dead pixel；failure analysis;InSb infrared detector收稿日期：2020-11-01作者简介：程雨(1989),女，黑龙江大庆人，工程师，硕士，主要从事红外林料与器件研究。

InSb红外探测器表面钝化工艺研究

InSb红外探测器表面钝化工艺研究信思树1，黎秉哲1，郭胜1,2，袁俊1，孙翔乐1，王甜姗1（1. 昆明物理研究所，云南昆明 650023；2. 云南师范大学，云南昆明 650500）摘要：本文工作主要研究了InSb红外探测器表面钝化工艺问题，逐一探讨了射频功率、R（SiH4:N2O）配比、沉积温度、工作压强等工艺参数对InSb芯片表面钝化工艺的影响。

将不同条件下获得的材料分别制成MIS结构和红外探测器并进行C-V和I-V测试，结果表明在射频功率为80W、R配比为20:10、沉积温度为200℃、工作压强为10Pa时，钝化后的试样C-V特性曲线良好，I-V特性曲线反向平缓，性能较好，满足探测器芯片研制的要求，进一步证实了该条件下的钝化效果较佳。

关键词：表面钝化；InSb；PECVDStudy on Surface Passivation Technology of InSb Infrared DetectorXIN Sishu1，LI Bingzhe1，GUO Sheng1,2，YUAN Jun1，SUN Xiangle1，WANG Tianshan1(1. Kunming Institute of Physics, Kunming 650023, China; 2. Yunnan Normal University, Kunming 650500, China)Abstract：The work of this paper mainly studies the surface passivation process of InSb infrared detector, and discusses the effects of RF power, R(SiH4:N2O) ratio, deposition temperature and working pressure on the surface passivation process of InSb chip. The materials obtained under different conditions were respectively made into MIS structure and infrared detector and tested by C-V and I-V. The results showed that the RF power was 80W, the R ratio was 20:10, the deposition temperature was 200℃, and the working pressure was 10Pa, the C-V characteristic curve of the passivated sample is good, the I-V characteristic curve is reversed, the performance is good, and meets the requirements of chip development, further it was confirmed that the passivation effect under this condition is better.Key words：surface passivation, InSb infrared detector, PECVD0引言InSb红外探测器表面钝化工艺方法有多种，不同的工艺制备方法形成不同钝化作用和效果的钝化膜，如二氧化硅、三氧化二铝、聚酞亚胺钝化膜等[1]。

pn结结深对台面型InSb光伏型探测器性能的影响

pn结结深对台面型InSb光伏型探测器性能的影响摘要：基于Silvaco二维数值仿真研究了pn结结深对台面型InSb光伏型探测器串音和量子效率的影响，通过分析探测器中横向电场分布、纵向电场分布、复合速率分布等与pn结结深的相关性，揭示了pn结结深影响探测器的串音和量子效率的内在物理机制，并获得了对探测器优化设计有指导意义的研究结论。

关键词：InSb光伏型探测器；pn结结深；串音；量子效率中图分类号：TJ765.3+33；TN215 文献标识码：A 文章编号：1673-5048（2015）05-0036-05Abstract：Based on Silvaco 2D numerical simulation，the effects of pn junction depth on the crosstalk and quantum efficiency of the mesa InSb photovoltaic detector are studied. The correlation between the longitudinal electric field distribution，the transverse electric field distribution，as well as the recombination rate of detector and the pn junction depth are analyzed. The results show that the pn junction depth has a profound effect on the inherent physical mechanisms of the crosstalk and the quantum efficiency. And itis of great importance to the optimization of the mesa InSb photovoltaic detector.Key words：InSb photovoltaic detector；pn junction depth；crosstalk；quantum efficiency0引言近年来，随着光电子技术的迅速发展，红外探测系统在军事领域和民用领域得到了广泛的应用和研究[1]。

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台面PN结InSb红外探测器响应时间研究马启;邓功荣;苏玉辉;余连杰;信思树;龚晓霞;陈爱萍;赵鹏【摘要】The relationships of response time, quantum efficiency and dark current of InSb photovoltaic detector are calculated theoretically. The preconditions were set up, in which the InSb infrared detector response time varies from 20ps to 60ps when quantum efficiency changes from 0.56 to 0.61. The mesa p+-n structure is set for the detector as another condition. Through I-V,C-V curve test, the parameters of devices agree with designed values. The response time is 0.3?s with pulse response testing. There is inconsistency between theoretical values and experimental results,for limitations of bond pad capacitance and distributed capacitance.%分析了光伏InSb探测器响应时间与量子效率、反向饱和电流的关系,设计出量子效率为0.61～0.56、响应时间为20～60 ps的锑化铟(InSb)红外探测器,实验制备了台面p+-on-n结构的探测器.通过I-V、C-V测试验证了制备的器件物理参数与设计值吻合.采用脉冲响应测试了InSb探测器的响应时间(0.3?s),由于封装和其他分布电容的限制,响应时间测试值与理论计算值存在差距.【期刊名称】《红外技术》【年(卷),期】2016(038)004【总页数】5页(P305-309)【关键词】红外探测器;锑化铟(InSb);响应时间;量子效率;台面PN结【作者】马启;邓功荣;苏玉辉;余连杰;信思树;龚晓霞;陈爱萍;赵鹏【作者单位】昆明物理研究所,云南昆明 650223;昆明物理研究所,云南昆明650223;昆明物理研究所,云南昆明 650223;昆明物理研究所,云南昆明 650223;昆明物理研究所,云南昆明 650223;昆明物理研究所,云南昆明 650223;昆明物理研究所,云南昆明 650223;昆明物理研究所,云南昆明 650223【正文语种】中文【中图分类】TN216光子型红外探测器是利用红外辐射光子在半导体材料中激发非平衡载流子，引起电学性能变化，属于内光电效应。

由于内部电子直接吸收红外辐射，不需要加热物体的中间过程，因而光子探测器响应速度快[1-3]。

InSb是Ⅲ-Ⅴ族二元化合物半导体材料，是本征吸收的窄禁带半导体，因此，决定红外探测器优质因子的量子效率较高；具有很高的电子迁移率（比硅高2个数量级）[4-6]。

理论上，InSb光伏探测器非常适合于中波红外的快速探测。

InSb光伏探测器，国际上普遍采用传统的单晶体材料制备。

本文根据探测器响应的机理，设计并制备了台面PN结快响应InSb光伏探测器。

通过器件I-V、C-V曲线和脉冲响应时间的测试，分析影响探测器响应时间的因素，并提出减小探测器响应时间的方法。

PN结光电探测器对辐射信号的响应主要由芯片的响应时间和前放电路的响应时间决定。

其中芯片的响应时间包括：①电中性区光生载流子扩散到耗尽区所需的时间；②光生载流子漂移通过耗尽区所需要的时间；③电时间常数RC，它与结电容及包括外电路阻抗在内的电阻有关。

假设光从p区入射，光生载流子在p区的扩散时间为[7]：式中：Wp为p区厚度；Dn为电子扩散系数。

探测器的基区同样存在辐射信号的吸收，n区光生载流子的扩散时间为[7]：式中：Lp为空穴扩散长度；tp为空穴寿命。

饱和速度为Vd的载流子通过宽度为W耗尽区的渡越时间tr为[8]：式中：NA、ND为p区和n区的掺杂浓度；es为材料的相对介电常数；ni为本征载流子浓度；N0＝NAND/(NA＋ND)为有效掺杂浓度。

结电容（CD）主要是耗尽区电容（Cj）和焊盘电容（Cox），有影响的电阻主要是串联电阻（Rs）和外电路的负载电阻（RL），这时响应时间为[9]：式中：e0是真空介电常数；Aj是结面积；ABP是焊盘面积。

PN结器件有台面和平面两种，本论文采用台面结构。

为获得高性能、快响应的探测器，除了响应时间要短，还需要综合考虑量子效率和暗电流因素：1）量子效率与响应时间的关系PN结光电器件响应时间主要受扩散时间、漂移时间和RC时间常数的限制。

器件的量子效率受响应速度的限制，根据PN突变结光电二极管的量子效率[11]计算量子效率与响应时间的关系，计算结果如图1、图2、图3所示：式中：b1＝SLe/De＝S/(Le/te)、b2＝SLp/Dp＝S/(Lp/tp)；Le为电子扩散长度；te为电子寿命。

结合公式(1)、(2)并忽略表面反射，理论计算出量子效率与受扩散限制的响应时间关系。

从图1、图2、图3中可以得到，PN结InSb能够满足快响应和高量子效率红外探测器的要求。

公式(3)表明漂移时间正比于耗尽层的宽度，而RC时间常数与耗尽区宽度成反比。

因此在RC时间常数和耗尽区量子效率有关的渡越时间之间存在着一种权衡，对材料的掺杂浓度必须进行优化。

2）反向电流为[10]：式中：Dp为空穴的扩散系数；t为产生寿命。

器件反向饱和电流密度与ND成反比，所以基区掺杂浓度不能太低，此外PN器件的R0A的大小与少子寿命和n区掺杂浓度的乘积成正比。

另外，需要将表面漏电流降至最小，使得体内暗电流成为器件的主要暗电流成分。

3）InSb探测器结构设计及理论计算结果通过响应时间和量子效率的理论计算可以明确，探测器在响应时间和量子效率之间必须折中；p区掺杂浓度对器件响应时间的影响很小，p区掺杂浓度NA＝1×1016 cm－3时器件R0A最佳[12]。

另外，还需要考虑衬底浓度对器件欧姆接触和串联电阻的影响。

表1是不同掺杂浓度和p区厚度时各部分的响应时间和器件总响应时间的设计及结果。

计算器件响应时间选用的参数为，n区掺杂浓度ND＝1×1011～1×1015 cm－3、基底厚度约为500mm、p区掺杂浓度NA＝1×1016 cm－2、p区厚度0.1～3.2mm、采用截止波长的吸收系数3500cm－3、反射系数r＝0.3、负载电阻RL＝50W。

理论计算RC时间常数时未考虑Cox，实际中因r取值不同，量子效率的大小存在一定的差异，p区厚度设计也会有所不同。

由表1中的数据得到：①当p区掺杂浓度NA＝1×1016 cm－3，厚度0.8mm时，制约InSb器件响应时间的主要因素是n区载流子扩散时间，为了提高器件的响应时间，通过增加p区的厚度使p 区量子效率增加、n区量子效率减小，使n区的光响应信号可忽略；②器件p区厚度为2.6～3.2mm时，器件响应时间减小、量子效率略小。

分析上述的研究结果，对器件结构参数进行优化，器件最终设计为台面PN结构，p区掺杂浓度NA＝1×1016 cm－3，厚度为2.6～3.2mm；n区掺杂浓度ND＝1×1013～1×1014 cm－3，厚度为500mm。

所设计的探测器响应时间为20～60ps，反向电流密度与常规器件相比变化不大。

对器件延伸电极和金属引线的方式进行优化设计，以减小分布电容的影响，器件采用掺碲n型单晶InSb体材料，经表面处理后，Be离子注入掺杂形成p-n结并退火和去除损伤层。

光敏面为p-on-n台面结构，通过光刻技术和湿法腐蚀工艺获得不同的光敏面（直径f为200mm、1350mm和140mm×60mm）。

采用PECVD制备SiO2钝化层和磁控溅射制备Cr/Au金属膜，抑制器件表面漏电和获得极小的串联电阻，保证器件性能的稳定性，器件结构如图4所示。

将制备好的芯片液氮制冷到77K温度下，分别采用Keithley 2400数字源表和KEYSIGHT B1500A半导体测试分析仪对器件进行I-V、C-V特性测试和脉冲响应时间测试。

1）器件I-V测试图5是不同光敏元尺寸（直径f为200mm、1350mm和140mm×60mm）的芯片在77K温度下的电流-电压特性曲线。

从测试结果可以得到3种样品的R0A均超过103 Wcm2，并无明显差异，说明这3种器件设计方法是合理的。

PN结I-V曲线表明所制备的芯片具有较好的结特性，能满足应用的要求。

n区载流子浓度可以控制在较低的水平（1×1013～1×1014 cm－3），抑制了器件的产生-复合电流，使得探测器的暗电流较小。

2）器件C-V测试测试了芯片1MHz频率下的C-V曲线，综合考虑引线和测试系统带来的分布电容，得到图6。

从图中可以得到，零偏压下芯片的电容约为19.5pF。

通过公式(5)计算得到的电容为5 pF，小于实际测量值。

原因是当器件结面积很小时Cox是不能忽略的。

另外，从测试结果拟合得到基区载流子浓度1.4×1013 cm－3，与设计的掺杂浓度范围吻合。

依据公式(4)结合实际的工艺参数计算出了Cox约为14.5pF。

将计算得到的电容和Cox相加，得到总的电容值C接近于19.5pF。

从测试和计算结果得到Cox对器件总的电容有很大影响。

为得到小的响应时间，需通过器件设计减小Cox。

表2中，随着器件的光敏面积和电学面积比值越大，器件的归一化电容越小，当光敏面面积与电学面积之比大于80%时，可以获得较小的结电容，将利于提高器件的响应时间。

但当光敏面积逐渐接近结面积时，器件的串联电阻将会增大。

将同一芯片封装于普通杜瓦、高频杜瓦中，液氮制冷到77K，测试了不同封装下的C-V曲线（图7）。

可见，封装和引线存在不小的分布电容，为使封装后的探测器电容与芯片电容接近，需要对器件封装和引线方式进行深入研究和改进。

3）脉冲响应时间测试将芯片封装到宝石窗口的金属杜瓦中，液氮制冷后，采用带宽为100MHz的电路作为探测器的前放电路，用中波红外光源测试器件的响应时间，输出信号采用示波器读取（采用示波器光标读取输出信号的幅值，依据响应时间的定义，提取数据绘出响应时间图）。

实验结果如图8、图9所示，普通探测器响应时间为0.8ms，快响应探测器响应时间为0.3ms，与理论计算的响应时间20～60ps存在不小差距，主要原因是：①整个封装的管壳、杜瓦、引线的分布电容都会使器件总的电容增大，导致器件的时间常数增大；②前放电路带宽制约了器件的响应时间，电路3dB截止频率应大于器件的截止频率，电路输入阻抗还需要与探测器匹配。