LN2或TE冷却对于近红外和SWIR优化的探测器，哪个更好?

图1:BRDD传感器在25°C和-90°C之间QE的相对变化。

在寻找最佳性能时，这是一个普遍的假设CCD探测器是“越酷越好”吗?所有CCD探测器的固有噪声源都与热产生的“暗电流”有关。冷却显然是减少这种特殊噪声源的手段。

但是，记住这一点也很重要量子效率有温度依赖性，在这种情况下QE实际上随着冷却而变差。对于某些探测器来说，当在某些光谱区域运行时，这是一个非常重要的考虑因素，其中将深度冷却扩展到更低的温度可能导致系统的非优化操作;也就是说，存在一定的温度，超过这个温度，进一步的冷却可能是不利的。一个这样的例子是背照深耗尽(BRDD)传感器用于近红外区域从750纳米到1000纳米。

图1描述了QE中带有冷却的衰减的灵敏度BRDD传感器。如图所示，在950 nm波长处，QE相对下降了约40%。这显然引发了一个问题，即在冷却以最小化黑暗噪音和希望尽可能大的量化宽松之间进行权衡。为了评估是否存在给定一组实验条件的最佳温度区域以及该温度可能是什么，评估传感器在不同温度下可能的信噪比是有用的。的信噪比的比率是任何关于灵敏度的讨论中的关键参数。

如果我们考虑系统或相机噪声，如下面的公式所示，并在图1中为典型的BRDD传感器所示，则希望在噪声底(曲线底部的平台)运行。但是，如果我们在<1 s的曝光下工作，作为一个说明性的例子，我们可以在-50ºC到-100ºC的温度范围内工作，并且仍然在检测极限下工作。

然而，当考虑QE时，将会发现当工作温度接近该范围的上端(即-50ºC左右)时，这些暴露可能具有更好的信噪比

图2:低光光子通量为10 ph/pix/s (950 nm)入射到BRDD传感器像素时的信噪比与曝光时间的关系。读出噪声对应的最慢速率为33 kHz，读出噪声为4.6 e-。

在波长约为950 nm的低能级光子通量下，落在BRDD传感器上的信噪比如图2所示。通常，随着传感器冷却，信噪比会提高，但有趣的是，在较低的温度下，信噪比在-75ºC时比在-90ºC时更好。这表明QE下降的影响，并与-70ºC至-90ºC区域的一个过渡点相一致，在这个过渡点上，进一步冷却不利于整体灵敏度。

该特定传感器的信噪比特性以最慢的33 kHz读出，但如果以更高的读出速度(100 kHz)运行，读出噪声为~16 e-，则同样的趋势适用于该特性。同样重要的是要注意，即使曝光时间更长，也保持相同的趋势，并且深度冷却的信噪比没有超过-75ºC时的信噪比。此外，当处理更强的光子通量时，与-100ºC相比，-75ºC的信噪比特性将更加有利。图2中的插图更详细地显示了短曝光时间下的信噪比曲线。

从这个在近红外区域工作的例子来看，必须仔细考虑冷却程度，以确保信噪比方面的最佳性能。在硅基BRDD传感器的情况下，与-70ºC至-90ºC区域的深度冷却相比，液氮提供的超深度冷却可能是一个明显的缺点。热电冷却(TE)不仅以良好的控制方式满足这些要求，而且还避免了使用液氮系统的不便、成本和安全隐患。

深度冷却InGaAs传感器——重要意义

正如超深冷却不能保证传统硅基CCD传感器的最佳性能一样，超深冷却也有类似的含义InGaAs传感器。由于InGaAs传感器比硅传感器更容易产生热噪声，因此由TE和LN2冷却系统提供的深度冷却更为重要。然而，在决定InGaAs系统的最佳性能需求时，有两个关键因素经常被忽略。这些都是:

1)背景环境黑体辐射的影响

2)随着冷却，带隙边缘发生位移

图3:InGaAs iDus相机的暗信号特性，其中暗信号取决于传感器温度和环境黑体辐射。在不同的环境温度下绘制传感器的暗信号，即周围相机外壳前端的温度。平坦的高原区域对应于背景黑体辐射受限探测。

图3显示了iDus InGaAs (DU490A-1.7)阵列冷却的暗信号特性。这些曲线显示了随着传感器变冷，暗信号的预期减少，但它们趋于平缓，进入一个平台区域，超过这个平台区域，传感器的进一步冷却对暗信号的改善很少或没有改善。TE珀尔帖冷却器用于冷却传感器，以减少热产生的暗信号，液体冷却剂流经铜块，用于从珀尔帖循环的暖端去除热量。因此，对于这些测试测量，冷却剂决定了传感器周围的环境温度，即相机外壳(包括窗户)的温度。不同冷却剂温度下的特征曲线表明，暗荷受到周围黑体辐射的限制。在实际应用中，可以从周围环境直接通过窗口进入的黑体辐射也将被添加到总背景辐射中。

相机机身和窗口的冷却是有限度的。它必须保持在露点以上，否则湿气会凝结在窗户和相机电子设备上。露点通常在10ºC和15ºC之间(取决于气候/实验室条件)，从10ºC冷却剂的特性可以看出，传感器需要冷却到略低于-70ºC才能进入高原地区;这完全在TE冷却的能力之内。为了确保这些InGaAs相机的最佳性能，强烈建议使用液体冷却剂使其能够在露点以上运行

图4:冷却后InGaAs传感器相对QE的变化。固体曲线是在室温(25℃)下的实验测量数据。断裂曲线是基于实验测量和理论建模的数据，表明能带边缘向更高能量(~0.75 nm/K)移动，峰值QE随着温度的下降而下降0.1% /K。

其次，在测量接近上截止波长的信号时必须小心。对于硅，冷却会引起带隙边缘能量的移动;这导致了截止波长的偏移。在InGaAs中，冷却的增加会导致这种截止波长向更短的波长显著转移。图4显示了iDus DU490A-1.7相机中使用的InGaAs传感器在几个温度下的相对QE曲线。这种效应导致了~0.6 nm/K的位移依赖，当冷却到-100ºC时，导致~70 nm向更短波长的位移。如果工作在1.6µm左右的波长区域，这个效应是非常重要的。

与在近红外区域工作的BRDD传感器一样，在确保InGaAs系统在信噪比方面的最佳性能时，必须仔细考虑深度冷却的程度和控制能力。如果使用短到中等的暴露时间，那么只要系统在背景暗信号是“环境黑体辐射”有限的情况下运行，TE冷却就足够了。后者是用液体冷却剂保证的，这样相机就在露点以上操作。如果工作在传感器波长灵敏度的上端，例如在1.6µm左右，温度的精确可控性将是优化灵敏度的明显优势。

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