中远红外焦平面探测器.

中远红外焦平面探测器的研究与进展内容引言红外探测器的分类红外探测器的基本理论中远红外焦平面探测器红外探测器的发展历程与应用1.1红外光电探测器红外光电探测器是将接收到的红外辐射量转换成电量(电流或电压)。AtmosphereWindows1-3µm(SWIR):透射率大于80%，用于光纤通迅3-5µm(MWIR):透射率60-70%8-14µm(LWIR):透射率80%引言电磁波谱图引言国外研究现状:红外焦平面列阵(IRFPA):美、法和英等发达国家，基于碲镉汞材料的单色红外焦平面器件的技术已经成熟，以480×4元长波和512×512元中波为代表的焦平面器件已基本取代了多元光导线列通用组件。已实现向更大规模的凝视型焦平面列阵探测器、双色探测器的发展，长波器件达到640×480元，中、短波达到2048×2048元的规模。1.2红外光电探测器的研究现状引言非致冷红外焦平面列阵目前主要研制铁电型和热敏电阻型焦平面列阵，如以铁电陶瓷制作的384×288元的热释电红外探测器；氧化钒热敏电阻制成的非致冷红外焦平面已达到640×480元的规模。国外的研究现状引言目前，大多数QWIPs是用GsAs/AlGaAs（中远红外）和InGaAs/InAlAs（近红外）制备的。美国NASA/ARL研制的1024×1024元焦平面，NASA/JPL研制的640×512元四色焦平面，代表了当前的最高研究水平。量子阱红外焦平面列阵引言国外的研究现状从器件规模上：已经从红外单元器件向大规模红外焦平面阵列探测器发展；从波段上：短波1—3μm，中波3—5μm和长波8—14μm都有器件的研制.从器件的工作温度上：在研制低温下工作的器件同时，发展在室温下工作的非制冷焦平面器件。上海技术物理研究所对碲镉汞和量子阱红外焦平面探测器件等方面进行了系统研究。国内目前的研究现状引言目前主要研究方向目前红外光电探测器主要集中在多色红外焦平面列阵、量子阱红外探测器、非制冷红外焦平面探测器、THz级联激光器和单光子远红外探测器等新型器件的研究。引言2.红外光电探测器的分类光子探测器的原理及相应的探测器分类效应相应的探测器外光电效应（1）光阴发射光电子光电管（2）光电子倍增气体繁流倍增打拿极倍增通道电子倍增充气光电管光电倍增管像倍增管内光电效应（1）光电导效应光导管或光敏电阻（2）光生伏特效应PN结和PIN结（零偏）PN结和PIN结（反偏）雪崩肖特基势垒p-n-p结和n-p-n结异质结光电池光电二极管雪崩光电二极管肖特基势垒光电二极管光电三极管（3）光电磁效应光电磁探测器热探测器的原理及相应的探测器分类效应相应的探测器（1）测辐射热计负电阻温度系数正电阻温度系数超导热敏电阻测辐射热计金属测辐射热计超导远红外探测器（2）温差电效应热电偶、热电堆（3）热释电效应热释电探测器（4）其它高莱盒，液晶等光热效应单元器件线列结构焦平面3.光电探测器的基本理论3.1光电探测器的工作原理3.2光电探测器的性能参数3.1光电探测器的基本工作原理物理效应光子效应入射光子流与探测材料相互作用产生的光电效应，探测器吸收到光子后，直接引起原子或分子内部电子状态的改变。光热效应利用辐射热效应。探测器吸收光辐射能量后，引起探测器元件温度上升，从而使探测元件的电学性质或其它物理性质发生变化。光子效应对光波频率表现出选择性，其响应速度比较快，灵敏度高。热效应对光波频率没有选择性，但光谱响应范围较宽且较平坦。3.1.1外光电效应:光电发射效应212kEmvkEhE1.24()()chcmEEeV载止波长：为光电子的初动能,hv是入射光子的能量,E为光电发射物体的功函数。当光照射在物体表面上时，物体表面有电子（光电子）逸出的现象，称为光电发射效应。机理：半导体吸收有足够能量入射的红外光子，产生电子空穴对，使得半导体的电导率增加，对其加一个恒定的偏流，检测电导率的变化。2()nnppeNGL3.1.2内光电效应:光电导效应hvhv+u2()nnppeNuiuGL光电导：光电流：原理：入射光子产生电子空穴对，内部电势垒的内建电场将把电子-空穴对分开，从而在势垒两侧形成电荷堆积，形成光生伏特效应。+结区pn光无光照光照下iVu0光生伏特i0短路光电流3.1.3内光电效应:光生伏特效应+-Ei光照零偏PN结产生开路电压的效应，称为光伏效应。这就是光电池的工作原理。光照反偏条件下工作时，观测到的光电信号是光电流，而不是光电压，这便是结型光电探测器的工作原理。反偏的PN结通常称为光电二极管。光伏探测器在理论上能达到的最大探测率比光电导探测器大40％，而且能零偏置工作，是高阻抗器件，即使加反向偏置，偏置功耗很低。与同样为高阻抗的CMOS读出电路很容易匹配。利用辐射热效应而引起电阻变化的热探测器应称之为测辐射热计（Bolometer），俗称热敏电阻。3.1.5光热效应:辐射热效应原理:当两种不同的配偶材料，两端并联熔接时，当光照熔接端（称为电偶接头）时，吸收光能使电偶接头温度升高，电表就有相应的电流读数，电流的数值就间接反映了光照能量的大小。3.1.6光热效应:温差电效应热释电效应是通过热电材料实现的。热电材料是结晶对称性很差的晶体，该类材料在温度发生变化时，其内部自发极化强度发生改变，会在材料表面呈现出相应于温度变化的面电荷变化。它是响应与材料的温度变化率，所以比其它热效应的响应速度要快得多，已获得日益广泛的应用。工作时不用冷却，也不用加偏压，使用方便，光谱响应范围很宽，已广泛用于辐射测量。3.1.7光热效应:热释电效应3.2光电探测器的性能参数量子效率η灵敏度R/响应时间噪声等效功率NEP归一化探测度D*3.2.1量子效率η在半导体内部，入射光生成的电子-空穴对与入射的光子数量之比。定义式：式中P0是入射到探测器表面的光功率，Iph是产生的光电流，hv是入射光子能量。00phphIeIhvPhvPeh==光谱响应度是光电探测器光电转换特性的量度，定义为输出信号的光电流或电压与入射的辐射光功率。Ri=Iph/Po[AW-1]电流响应度Ru=Vd/Po[VW-1]电压响应度Iph和Vd分别指输出信号的光电流和电压，Po入射光功率Ri=he/hhe/hc3.2.2光谱响应度和响应时间响应时间：（上升时间和下降时间）当探测器的输入光信号为方波时，输出信号的电流从最大值的90%减小到10%所需的时间称为下降时间τd，以及从最大值的10%上升到90%所需的时间称为上升时间τr。3.2.3噪声等效功率NEP（1）实际上，当P0=0时，光电探测器的输出电流并不为0，这时的电流就称为暗电流in。（2）NEP用来表征探测器探测能力，定义为相应于单位信噪比的入射光功率：[W]Vn是指器件输出暗噪声电压的有效值，Ru为电压响应度。（3）NEP越n小，探测器探测微弱信号的能力越强。ndnuVPNEPVVRD*与NEP直接相关。[cmHz1/2W-1]式中Aopt为器件受光面积,BW为(噪声)带宽。D*越大的探测器其探测能力一定好。*optABWDNEP3.2.4归一化探测度D*4红外焦平面探测器（IRFPA）原理：焦平面上排列着感光元件阵列，入射光线经过光学系统成像在系统焦平面的这些感光元件上，探测器将接受到光信号转换为电信号，并通过信号读出电路(包括积分放大、采样保持和多路传输系统)输出形成图像。IRFPA与单元器件或线列器件相比的优点集成光电转换和信号读出处理于一体；由于具有对信号积分累加，因而提高系统的灵敏度和分辨率；简化信号处理电路，降低对制冷系统的要求，减小系统体积，降低功耗和成本。IRFPA的分类结构：单片式混合式光学系统的扫描方式：扫描型:采用时间延迟积分技术，采用串行方式读取电信号凝视型:无需延迟积分，速度快，采用并行方式读取电信号。读出电路电荷耦合器件（CCD）金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）电荷注入（CAM）制冷方式：制冷型D*~1011cmHz1/2W-1，响应时间us非制冷型D*~109cmHz1/2W-1，响应时间ms铟柱将阵列上的每一个红外探测器与多路传输器一对一地准确地配接起来，从而使红外探测器阵列能够和单片式结构相似地将所采集的图像信号通过多路传输器输送出去，完成全部的功能。第二代光伏型HgCdTe焦平面探测器的两种扫描方式：（a）扫描型和（b）凝视型(a)(b)几种材料的红外凝视焦平面阵列元数的增长，及2010年前的变化趋势预测。几种工作在中远红外探测的材料MaterialNameSymbolEg(eV)c(m)OperatingTemp.(K)Mer-Cad-TelHgCdTe可调0.7–2550-250IndiumAntimonideInSb0.1896.5580ArsenicdopedSiliconSi:As0.0524.8101.E+081.E+091.E+101.E+111.E+121.E+131.E-011.E+001.E+011.E+021.E+031.E+04Wavelength(um)D*(cmHz1/2W-1)NEP=(SensitiveArea)1/2/D*RadiometersGolaycellThermopileUncooledbolometersSiorGeHEB(hot-electron-bolometer,4K)InfraredDetectorPerformanceatFOV=180,300KbackgroundInSbHEB(4K)PCBLIP,300KGe:Ga(4K),StressedGe:Ga(4K)Ge:Zn(4K)Ge:Cu(4K)MCT,LW(77K)InSb(77K)MCT,MW(77K)InGaAsSiDiodeInAs(PC,77K)PbS(PC,193K)Si:As(4K)NbN/NbTiNfilmHEB(4K)EOcrystalsCooledradiometersQWIP(77K)PbS(PC,77K)MicrowaveTeraHertzInfraredVisibleUltrvoiletHg1-xCdxTe（MCT）IRFPA带隙在0.7-25um内可调直接带隙，吸收系数高；热膨胀系数与Si膨胀系数相近，而且极易钝化；用于红外各波段的MCT材料具有接近相同的晶格常数。MCT材料的特性能隙HgTe与CdTe之间的晶格失配小，约为0.3%CdZnTe是与HgCdTe晶格匹配的优质衬底。Cd0.96Zn0.04TeHgCdTe可以按任何比例混合，构成一种禁带宽度连续变化的材料，而且工作温度较高，是目前性能最好、使用最广泛也最有发展潜力的半导体红外光电探测器材料。HgCdTe器件结构通过铟丘互连的背照式混成HgCdTe焦平面列阵的结构图TheevolutionofthreegenerationsofHgCdTeIRFPAHgCdTePhotoconduction(PC)HgCdTe长波HgCdTe光导型探测器的特性参数：•50-100Ω/cm2•105V/Wat1mAbiasfora50×50μmdevice.•D*about80%ofbackgroundlimit.•PhotonnoiselevelofafewnV/Hz.HgCdTePhotovoltaic(PV)HgCdTePV探测器的台面刻蚀剖面图。在透明的CdZnTe衬底上生长n-typeHgCdTe，然后再掺杂p+-layer.表面钝化是为了保护防止表面电荷积累和漏电流．红外光从背面照射进去ThethirdgenerationHgCdTedevices双波段焦平面列阵的每个单元由两个驻并在同一处的探测器组成，截止波长较长的光电二极管是通过外延方法生长在截止波长较短的光电二极管的顶部的，中间用p-tpye隔开。每个探测器敏感一个不同的谱段，在背面照射的双波段探测器，截止