【2020】【论文笔记】太赫兹新型探测——太赫兹特性介绍、各种太赫兹探测器

类型 太赫兹 探测器 太赫兹 探测器 太赫兹 探测器 期刊 红外和毫米波学报 红外和毫米波学报 红外和毫米波学报 作者 张玉平 , 唐利斌 , 刘玉菲 , K a r ?? S e n g ?? T e n g , 吴刚 , 胡伟达 , 韩福忠 张玉平，唐利斌，刘玉菲，Kar \; Seng \; Teng,吴刚、胡伟达、韩福忠 张玉平,唐利斌,刘玉菲,KarSengTeng,吴刚,胡伟达,韩福忠 时间 2020 2020 2020

太赫兹探测技术处于一个交叉的前沿领域，长波方向涉及电子学，短波方向涉及光子学

太赫兹处于宏观经典理论与微观量子理论的过渡区

宇宙中绝大多数物质都能辐射THz，这些天然的太赫兹源，通过太赫兹探测器就可以获取它们的信息

空间分辨率高、通信带宽大、方向性好、保密性强、安全性高、高穿透性

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许多极性大分子的振动及转动频率都在太赫兹波段,并且具有很强的吸收和谐振效应

由于不同物质以及不同分子对太赫兹波的吸收和散射是有很大区别的,并且这种差异性的吸收和散射是与极性分子—一对应的          \;\\\;\\\;

太赫兹对金属的穿透性和X光一样差

对塑料、陶瓷等非极性材料，THz有较强的穿透性

因为太赫兹波段的波长远大于灰尘的尺度，所以THz能在浓烟、风沙环境中低损耗传输

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THz波的光子能量很低，1THz的太赫兹波能量只有 4.2 m e V 4.2meV 4.2meV

比X射线的光子能量低7~8个数量级

不易对人体组织或生物细胞造成不可修复的损伤以及光化电离反应

光致电离：光子与原子或者分子相互作用形成离子的物理过程，这种过程要求光子的能量 ≥ \ge ≥ 原子电离能

因为水对太赫兹波有强烈的吸收，当太赫兹波照射到人体表面时,它只能停留在皮肤表层,不会穿透到人体内部

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• 1 ◯ \textcircled{1} 1◯非相干探测器（直接探测器） ：制冷型 、 非制冷型（室温可工作型） 按工作原理分为：热探测器（热释电探测器）、光子探测器（光电导型和光伏型）
• 2 ◯ \textcircled{2} 2◯相干探测器 （外差探测器）

下面是四种探测器

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只能对信号的幅度进行测量

不会受到混频器的限制

可探测的波段较宽

缺点：灵敏度不高，只适合中低频谱分辨率探测

1. 制冷探测器（低温工作）：非本征Ge光电型探测器、量子阱探测器 ——等效噪声功率一般 1 0 − 17 ∼ 1 0 − 13 W / H z 10^{-17}\sim10^{-13} W/Hz 10−17∼10−13W/Hz

2. 非制冷探测器（室温工作）：高莱探测器、热释电探测器、测辐射热计 ——灵敏适中，等效噪声功率一般 1 0 − 10 ∼ 1 0 − 9 W / H z 10^{-10}\sim10^{-9} W/Hz 10−10∼10−9W/Hz，探测的波谱范围较宽

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一种带有气体空腔的热膨胀式太赫兹探测器

吸收的 T H z 辐射能 ⟹ 探测元件的电学 / 物理性质 吸收的THz辐射能\Longrightarrow 探测元件的电学/物理性质 吸收的THz辐射能⟹探测元件的电学/物理性质

因为吸收材料的热量变化需要一定的时间，所以热探测器的一个普遍特征就是其响应速度通常相对较慢

优点：只要有太赫兹辐射照射到吸收层上，就会产生热量，所以热探测器通常可以探测较宽的光谱范围

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接收 T H z 能量 ⟹ 改变探测器内原子或分子的内部电子状态 ⟹ 光电效应 电信号 接收THz能量\Longrightarrow 改变探测器内原子或分子的内部电子状态 \overset{ 光电效应 }{ \Longrightarrow } 电信号 接收THz能量⟹改变探测器内原子或分子的内部电子状态⟹光电效应​电信号

主要是单光子探测，由于热的传递速率小于电信号的传输速率，所以与热探测相比，光电导探测器具有较高的响应率

缺点：暗电流比较大（这不利于提高探测器的响应率和探测率）、探测带宽有限

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在太赫兹频率下，光子能量很小，这通常对应于浅杂质状态与半导体中的导带或价带之间的能隙

当光子能量大于半导体的带隙时，电子和空穴被光子撞击而激发，引起的电导率变化被称为固有激发

如果光子没有足够的能量来克服间隙能量，则仍然可以通过向半导体中添加杂质来引起光电导过程

这些过程可以产生非常接近导带或价带的施主或受主状态，并且低能量光子可以将电子激发出施主状态或进入受主状态

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有一个界面电场，这个电场可以由结型器件的内电场产生，也可以由外加电场产生。在这个界面电场的作用下， 1 ◯ \textcircled{1} 1◯暗电流在一定程度上可以得到有效的抑制，并且界面电场的存在也 2 ◯ \textcircled{2} 2◯有利于光生载流子的快速分离，从而提高探测器的响应速率

(比如场效应晶体管FET形式的THz探测器)

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场效应晶体管（FET）太赫兹光电探测器利用 等离子体共振原理来产生光生电压，从而实现对太赫兹信号的探测

当载流子迁移率 μ \mu μ足够高时，太赫兹频率的短沟道场效应晶体管的动态特性由等离子体波控制

   \; 等离子体的集体振荡可以在 1 ◯ \textcircled{1} 1◯具有反向偏置肖特基结的二维电子通道和 2 ◯ \textcircled{2} 2◯具有周期性光栅栅极的双量子阱场效应晶体管中观察到

在流体动力学近似中，二维电子气2DEG中的等离子体模式频率为 ω o = π 2 L e ( V g − V t h ) m \omega_o=\frac{\pi}{2L} \sqrt{ \frac{ e(V_g- V_{th}) }{m} } ωo​=2Lπ​me(Vg​−Vth​)​ ​

其中 L L L是栅极长度， V g V_g Vg​是栅极电压， V t h V_{th} Vth​是阈值电压， m m m是电子有效质量

FET中的二维等离子体振荡的谐振频率随着沟道尺寸的减小而增加 在亚微米栅极长度，谐振频率可达到太赫兹范围

   \; 场效应晶体管用于谐振和非谐振的THz探测，可以通过改变栅极电压 V g V_g Vg​直接调谐

由于栅极电压调控电子通道的寄生电容，对截止频率、灵敏度的影响较小，所以可以发展高灵敏度、宽频THz探测器

（场效应晶体管的太赫兹探测器的材料体系比较丰富，并且这种器件适合用于集成电路等微系统中）

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• 场效应晶体管FET有两种类型：结场效应晶体管 、 金属-氧化物半导体场效应晶体管

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场效应晶体管形式的太赫兹探测器可以很好地与 CMOS 技术兼容，极大的降低器件的尺寸

传统的Si基CMOS太赫兹探测器大多是通过结的形式来实现的，现在无结形式的太赫兹探测器也已经出现

无结的探测器可以作为双端器件在零栅极偏置模式下工作，从而简化读出电路

在传导通道完全打开的范围内，即低电阻状态下，它们的光电响 应特性与栅极电压之间的关系也显示出其显著的探测性能，其响应度达到 70 V / W 70 V/W 70V/W

另外，除了CMOS技术，还可以使用：一维半导体纳米线、InSb、石墨烯等材料制作场效应晶体管THz探测器

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• 以前最早应用是一个安装在电桥中的热敏电阻

• 现在最常见的是半导体doped硅或锗的（低温下工作）、基于金属材料及碳材料的（室温下效果不好）、基于无氧化二钒 V 2 O 5 V_2O_5 V2​O5​的、基于 N b 或 N b N Nb或NbN Nb或NbN的超导和半导体的（超导和半导体对温度变化敏感）

超导辐射热计的声子-电子制冷机制，极大的提高了其响应速度，弛豫时间为 1 0 − 5 ∼ 1 0 − 10 s 10^{-5} \sim 10^{-10}s 10−5∼10−10s

• 超导体测辐射热计不仅可以作为直接探测器，还可以作为外差探测器（极低温 100 ∼ 300 m K 100\sim 300mK 100∼300mK）

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可以探测信号的幅度和相位

通过将太赫兹信号与本振信号外差混频至一个中间频率，再把这个中间频率信号进行放大从而来实现对太赫兹信号的探测 中频： V I F = ∣ V R F − V L O ∣ 中频：V_{IF}=|V_{RF}-V_{LO}| 中频：VIF​=∣VRF​−VLO​∣只要本振信号（LO）稳定，该组件就会保留原始信号的频谱和相位信息

缺点：受到本征信号的限制（难以进行大规模阵列集成）、探测范围窄

相干探测器的核心是非线性I-V特性的混频器 （肖特基二极管混频器、超导体-绝缘体-超导体隧道结混频器）

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利用金属和半导体接触形成的肖特基结原理制成

肖特基势垒结构最开始是触丝型的，现在的主要是具有高集成度的平面结构。这个结构的优化，使得其频率上限和灵敏度提高很大 触丝型 ⟹ 平面型 触丝型\Longrightarrow 平面型 触丝型⟹平面型

肖特基二极管太赫兹探测器的灵敏度高、响应率高，并且在室温下 可工作

缺点：工作频率不高(1THz以内)

通过宽频集成天线提高肖特基二极管太赫兹探测器的工作频率范围

基于 InGaAs 的肖特基二极管通常用于零偏压下，主要是因为在零偏压下其具有大的导通电压，并可以获得出色的噪声系数和更低的功耗

InGaAs肖特基二极管还降低了更高频率下的转换损耗，因为其迁移率较高，所以串联电阻较低

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氖管或辉光放电探测器可以通过其电流的变化来探测太赫兹 辐射，其响应度在 10 ∼ 100 V / W 10\sim 100V/W 10∼100V/W

隧道结探测器在 1960s 就被报道了，其既可以用于直接探测也可 以用于外差式探测，但由于其非线性的I-V特性，隧道结主要被用作外差探测的混频器          \;\\\;\\\;

基于 I I I A ∼ V A 族的半导体材料 基于III A\sim V A族的半导体材料 基于IIIA∼VA族的半导体材料