紅外熱成像器件成像物理課件

第十章紅外熱成像器件成像物理10.1.紅外探測器的分類10.2.紅外探測器的工作條件與性能參數(shù)10.3.光電導型紅外探測器10.4.光伏型紅外探測器10.5.紅外焦平面陣列探測器10.6.非致冷紅外焦平面陣列探測器10.7.量子阱紅外探測器-2023/7/2210.1紅外探測器的分類按波長分：近紅外:0.76~3μm中紅外：3~6μm遠紅外：8~15μm按工作溫度分：低溫探測器中溫探測器室溫探測器按用途和結(jié)構(gòu)分：單元探測器多元探測器凝視列陣探測器按工作轉(zhuǎn)換機理分：熱敏探測器（熱電效應(yīng)）熱釋電攝像管（如TGS等）熱探測器陣列熱釋電型非制冷焦平面陣列微測輻射熱計非制冷焦平面陣列（Micro-Bolometer

）微測輻射熱電堆光子探測器（光電效應(yīng)）光電導探測器（PC效應(yīng)）光伏探測器（PV效應(yīng)）肖特基勢壘探測器（PtSi探測器）量子阱探測器-2023/7/2210.1紅外探測器的分類熱電效應(yīng)：吸收紅外輻射后，產(chǎn)生溫升，伴隨著溫升而發(fā)生某些物理性質(zhì)的變化。如產(chǎn)生溫差電動勢，電阻率變化，自發(fā)極化強度變化，氣體體積和壓強變化等。只需測量其中一種物理量的變化，便知其吸收紅外入射的能量和功率利用各類熱電效應(yīng)制成的熱探測器：熱電偶：測量溫差電動勢的變化熱敏電阻（或電阻測輻射熱計）：測量電阻率的變化氣體探測器（高萊盒）：測量氣體壓強的變化熱釋電探測器：測量自發(fā)極化強度的變化-2023/7/2210.1紅外探測器的分類光電效應(yīng)：某些固體受到紅外輻射的照射后，其中的電子直接吸收紅外輻射而發(fā)生運動狀態(tài)的改變，從而導致該固體的某種電學參量的改變，這種電學性質(zhì)的改變統(tǒng)稱固體的光電效應(yīng)。利用光電效應(yīng)制成的紅外探測器為光子探測器或光電探測器，這類探測器依賴內(nèi)部電子直接吸收紅外輻射，不需要經(jīng)過加熱物體的過程，因此反應(yīng)時間快。光電導效應(yīng)：當紅外輻射入射到半導體器件上，會使體內(nèi)一些電子和空穴從原來不導電的束縛狀態(tài)轉(zhuǎn)變成能導電的自由狀態(tài)，從而使半導體的電導率增加，這種現(xiàn)象為光電導效應(yīng)。光伏效應(yīng)：在半導體P-N結(jié)及其附近區(qū)域吸收能量足夠大的光子后，在結(jié)區(qū)及結(jié)的附近釋放出少數(shù)載流子（自由電子或空穴）它們在結(jié)區(qū)附近靠擴散進入結(jié)區(qū)，而在結(jié)區(qū)內(nèi)則受內(nèi)建電場的作用，電子漂移到N區(qū)，空穴漂移到P區(qū)，如果P-N結(jié)開路，則兩端會產(chǎn)生電壓。這種現(xiàn)象為光生伏特效應(yīng)。-2023/7/2210.1紅外探測器的分類光磁電效應(yīng)：當紅外光入射到半導體表面，如有外磁場存在，則半導體表面附近產(chǎn)生的電子－空穴對在半導體內(nèi)部擴散的過程中，電子和空穴各偏向一側(cè)，因而在半導體兩端產(chǎn)生電位差，這種現(xiàn)象為光磁電效應(yīng)。各類光子型探測器光電子發(fā)射探測器：紅外光陰極等利用外光電效應(yīng)工作的探測器。光電導探測器（PC器件）：利用光電導效應(yīng)工作的探測器。光伏探測器（PV器件）：利用光伏效應(yīng)工作的探測器。光磁電探測器：利用光磁電效應(yīng)制成的紅外探測器。肖特基勢壘器件：光子牽引效應(yīng)。量子阱器件：利用量子阱效應(yīng)。-2023/7/2210.2.紅外探測器的工作條件與性能指標評價紅外探測器的性能的指標稱為性能優(yōu)值，即其性能參數(shù)。因一個探測器的性能參數(shù)往往與其測量方法和使用條件，幾何尺寸等物理性質(zhì)相關(guān)故討論紅外探測器性能指標的同時，需說明其工作條件。工作條件入射輻射的光譜分布：對探測器進行性能描述時，必須說明入射到探測器響應(yīng)平面的光譜分布及空間輻射功率。實驗室多采用500K黑體輻射源作信號源。探測器的幾何參數(shù)：探測器面積（標稱面積、有效面積），形狀及接收入射輻射信號的立體角標稱面積：制造商提供的響應(yīng)面積，是實際響應(yīng)面積的近似值。有效面積：若s為響應(yīng)平面，R(x,y)為對應(yīng)點的響應(yīng)度，則有效面積定義為-2023/7/22紅外探測器的工作條件探測器接收輻射信號的立體角：輻射信號入射方向上以入射角的余弦作為權(quán)重的立體角。標稱權(quán)重立體角：制造商提供的立體角。有效權(quán)重立體角：設(shè)θ,φ為軸線垂直于響應(yīng)平面的球坐標系的極角和方位角；R(x,y,θ,φ)為探測器響應(yīng)平面s上某點(x,y)對(θ,φ)方向入射輻射的響應(yīng)度，則有效權(quán)重立體角為：－－對于響應(yīng)度與方位角無關(guān)的圓形對稱探測器若響應(yīng)元中心到探測器光闌的視場角為ω，其權(quán)重立體角交可簡化為：Ω=πsin(ω/2)，若為朗伯探測器，則Ω=π。探測器的輸出信號：輸出信號電壓的振幅是施加在探測器的偏置電源b，輻射調(diào)制頻率f，波長λ及入射輻射功率Ps的函數(shù)。即：Vs=Vs(b,f,λ,Ps)-2023/7/22紅外探測器的工作條件探測器的工作溫度與背景：不致冷時指環(huán)境溫度，致冷時指致冷的標稱溫度。背景輻射：由探測器的視場和被背景照射的光譜范圍來描述。探測器的阻抗：探測器兩端瞬時電壓V(t)對通過探測器的瞬時電流i(t)的導數(shù)，包括容抗和直流阻抗。多數(shù)探測器的阻抗與純電阻等效，100Ω以下為低阻器件，需與放大器做變壓器耦合，100Ω~1MΩ為中阻器件,最容易與放大器匹配;1MΩ以上為高阻器件，需高阻抗放大器輸入才能匹配。特殊工作條件：對于某些特殊器件，還有濕度、入射輻射功率、視場立體角、以及背景溫度等。-2023/7/2210.2.紅外探測器的工作條件與性能指標紅外探測器的性能參數(shù)響應(yīng)度R：描述入射到探測器上的單位輻射功率所產(chǎn)生的信號大小能力的性能參數(shù)：紅外輻射垂直入射到探測器光敏元上，探測器輸出信號電壓均方根值Vs與入射輻射功率均方根值Ps之比。噪聲等效功率NEP：紅外輻射信號入射到探測器響應(yīng)平面上，若產(chǎn)生的電輸出信號的均方根值正好等于探測器本身在單位帶寬內(nèi)的噪聲均方根值（信噪比為1）時，探測器表面所接收到的入射輻射功率均方根之為NEP。-2023/7/22紅外探測器的性能指標探測率D和歸一化探測率D*：D=1/NEP；因大多數(shù)紅外探測器的NEP與光敏面積的平方根成正比，還與放大器的帶寬Δf有關(guān)，因此NEP的數(shù)值很難比較兩個不同探測器的性能優(yōu)劣。而定義歸一化探測率D*實際上是探測器單位面積、單位放大器帶寬，單位輻射功率所獲得的信噪比。一般D*與調(diào)制頻率f、輻射源與工作條件有關(guān)，單位為cmHz1/2/W。黑體源測得的D*稱為黑體探測率，用D*(T,f,1)表示，1表示單位帶寬，T多數(shù)情況下為500K。

響應(yīng)時間（或時間常數(shù)）：指探測器將入射輻射轉(zhuǎn)變?yōu)殡娸敵龅某谠r間，是表示探測器工作速度的一個定量參數(shù)。-2023/7/22紅外探測器的性能指標還可以利用頻率響應(yīng)來描述響應(yīng)時間，因為大多數(shù)探測器響應(yīng)度隨調(diào)制頻率的變化有如公式，其中R(0)為零頻下的響應(yīng)度，由此關(guān)系規(guī)定的響應(yīng)時間τ為響應(yīng)度下降到最大值的0.707時的角頻率(2πf)的倒數(shù)值。有些探測器有兩個響應(yīng)時間。其它指標響應(yīng)度與輻射強度之間的線性關(guān)系響應(yīng)度的均勻性與光學系統(tǒng)匹配時，接收面積與光學系統(tǒng)所成像的大小相同與前置放大器連用時，探測器內(nèi)阻應(yīng)與放大器的阻抗相匹配。R(f)隨f變化的關(guān)系曲線具有兩個響應(yīng)時間的頻率響應(yīng)-2023/7/2210.3.光電導型紅外探測器光電導探測器的工作原理與性能分析SPRITE探測器SPRITE探測器的工作原理及結(jié)構(gòu)SPRITE探測器的性能指標光電導探測器材料光電導率：如果半導體受到外界作用，有非平衡載流子注入，就會附加電導率Δσ產(chǎn)生。當Δσ是由光照注入的非平衡載流子所產(chǎn)生時，稱之為光電導率。光照射產(chǎn)生的非平衡載流子稱為光生載流子。－能產(chǎn)生光電導效應(yīng)的材料稱為光電導體。-2023/7/2210.3.光電導型紅外探測器－工作原理與性能分析光電導探測器的基本概念和基本方程光電導探測器的分類入射光強的衰減規(guī)律激發(fā)率和復合率光生載流子的基本方程本征光電導探測器的性能分析響應(yīng)度探測率響應(yīng)時間調(diào)制信號的影響-2023/7/2210.3.光電導型紅外探測器－工作原理半導體的光激發(fā)過程(a)本征吸收；(b)非本征吸收；(c)自由載流子吸收光電導探測器按其基本激發(fā)過程可分為：本征光電導探測器：入射紅外輻射的光子能量大于半導體禁帶寬度，使電子從價帶激發(fā)到導帶而改變其光電導率。其優(yōu)點是工作溫度比非本征型高。雜質(zhì)光電導探測器：入射輻射激發(fā)雜質(zhì)能級上的電子或空穴而改變其電導率，其優(yōu)點是長波效應(yīng)較好。自由載流子探測器：材料吸收光子后不引起載流子數(shù)量的變化，而是引起載流子遷移率的變化。這類器件常需要在極低溫度下工作，以降低能量向晶格轉(zhuǎn)移。-2023/7/2210.3.光電導型紅外探測器－工作原理入射光強的衰減規(guī)律：輻射進入探測器后，輻照度要逐漸衰減，若材料的吸收比為α，則在z到z+dz處，其輻照度衰減的量值可寫成dE，設(shè)探測器表面反射率為ρ，z=0時入射到表面處的照度為E0，則有輻射度隨厚度的衰減公式由此可見，輻照度隨厚度增加而呈指數(shù)衰減。入射光強隨厚度變化-2023/7/2210.3.光電導型紅外探測器－工作原理激發(fā)率與復合率單位時間、單位體積內(nèi)吸收的光子能量：被吸收的光子數(shù)：量子效率η：探測器吸收一個光子（hυ>=Eg)所產(chǎn)生的電子－空穴對的數(shù)目體激發(fā)率Q：單位時間、單位體積內(nèi)所產(chǎn)生的電子－空穴對數(shù)在本征半導體材料中，通常η＝1，若探測器厚度為d，略去下表面的反射，平均體激發(fā)率為：當入射光強減小到初始值的1/e時，光經(jīng)過的距離稱為光的有效透射深度，其值為1/α。一般的本征半導體吸收很強，InSb材料探測器的吸收系數(shù)α約為104/cm，即表面1μm就達到了有效透射深度，此后的入射光的影響可以忽略。故，在滿足e(-αd)<<1時，平均體激發(fā)率變?yōu)楸砻嫖?。表面激發(fā)率Qs：單位時間、單位面積內(nèi)所產(chǎn)生的光生載流子數(shù)目。-2023/7/2210.3.光電導型紅外探測器－工作原理直接復合的復合率（凈復合速率）：如果γ為直接復合系數(shù)，即各種能量的電子與空穴的平均值。Δp為光生載流子濃度，且Δp＝Δn。間接復合的復合率：如果γe為電子俘獲系數(shù)，γp為空穴俘獲系數(shù)，Nt為俘獲中心總數(shù)，n1，p1分別為熱平衡時電子與空穴的濃度。則有間接復合的復合率表達式。光生載流子壽命：表面復合率：設(shè)表面復合速率為Sv

所謂間接復合：非平衡載流子通過雜質(zhì)或缺陷中心也可以完成電子空穴對的復合，能夠有效起復合作用的雜質(zhì)或缺陷稱為復合中心，復合由兩步來完成：一是未被占據(jù)的中心從導帶俘獲一個電子；一是已被占據(jù)的中心從價帶俘獲一個空穴（相當于一個電子由復合中心落入價帶）。所謂直接復合：是能帶到能帶的復合，指導帶電子和價帶空穴的復合，即導帶電子躍遷到價帶的過程。-2023/7/2210.3.光電導型紅外探測器－工作原理半導體中，單位體積內(nèi)自由電子的增加率，應(yīng)等于該處電子的激發(fā)率Q減去電子的復合率，再加上電子電流的散度。同理，對于空穴有：如略去陷阱效應(yīng)，認為光生載流子的壽命與本征半導體內(nèi)載流子壽命相同，公式中的電流密度可以寫成在本征光電導情況，電中性條件可導出：D為雙極擴散系數(shù)，μ為雙極遷移率，整理可推知：由于是本征光電導情況，n=p，μ＝0，故得到本征光電導光生載流子變化的基本方程。所謂基本方程：是反映非平衡載流子運動的重要方程。要考慮光生電子和光生空穴的連續(xù)性。-2023/7/22光電導探測器的幾何模型本征光電導探測器的響應(yīng)度R恒定入射的紅外輻射照射探測器時，穩(wěn)態(tài)下：在不考慮濃度梯度和表面復合的前提下,可得：即光生載流子數(shù)目與平均體激發(fā)率、載流子壽命成正比。設(shè)探測器長寬厚：l,w,d。并在x方向加有正電場E，加之空穴與電子的變化數(shù)量相等。則光生載流子密度為：光生電流電流為：若無信號時電阻(暗電阻)為Rd，則開路電壓：按定義可得探測器響應(yīng)度表達式響應(yīng)度與入射輻射光子能量的關(guān)系:在本征半導體中，暗電阻率可寫成與遷移率及無光照時空穴濃度p0相關(guān)的表達式:考慮到背景對電導率及空穴濃度的影響，可將無信號照射時的電導率及空穴濃度分成熱激發(fā)對之的貢獻，及背景輻射對其的貢獻兩部分：響應(yīng)度又有更進一步的表達形式：即認為探測器內(nèi)部各處載流子濃度是均勻的，即體激發(fā)率是均勻的-2023/7/2210.3.光電導型紅外探測器－性能分析本征光電導探測器的響應(yīng)度R分析響應(yīng)度與光生載流子壽命成正比：一般光電導的貢獻主要來自于一種載流子，因此若加入另一種載流子陷阱，就會使主要作用的載流子壽命增長，而提高響應(yīng)度。響應(yīng)度與載流子濃度成反比：通過致冷環(huán)境，可以減小pT值，若減小pb需要增加濾光片；響應(yīng)度與外界電場成正比，但實際上E的增加會帶來焦耳熱使探測器溫升，故外加電場應(yīng)有一個最佳值；在滿足αd>>1條件下，減少探測器厚度有利于提高響應(yīng)度；減少反射，鍍增透膜也是提高響應(yīng)度的好辦法。-2023/7/2210.3.光電導型紅外探測器－性能分析本征光電導探測器的探測率D對本征光電導探測器，可以不考慮1/f噪聲時，主要噪聲為熱噪聲和產(chǎn)生－復合(G-R)噪聲。熱噪聲產(chǎn)生的噪聲電壓常記為：其中Rd為探測器等效電阻，Δf為測量儀器噪聲等效帶寬。產(chǎn)生復合噪聲產(chǎn)生的噪聲電壓常表示為。其中V0為外置偏壓，Ps為入射到探測器表面的輻射功率。按定義有Dv*更多時候，Dv*只受一種噪聲限制-2023/7/2210.3.光電導型紅外探測器－性能分析本征光電導探測器的響應(yīng)時間弱光入射時，上升情況：根據(jù)載流子濃度隨時間上升的微分方程，且t=0時，載流子濃度變化量為0，可解得：式中Δp0為穩(wěn)定值，故載流子隨時間按指數(shù)規(guī)律上升至穩(wěn)定值。顯然載流子壽命越長，曲線上升越慢。光生載流子數(shù)目隨時間上升到穩(wěn)定值的(1-1/e)時所需的時間為上升時間。下降情況：若t=0時停止光照，則微分方程中的產(chǎn)生激發(fā)的載流子數(shù)量Q為0，解得又一個指數(shù)方程。顯然依然是載流子壽命越長，下降響應(yīng)越慢。光生載流子濃度Δp0由隨時間下降1/e時所需的時間為下降響應(yīng)時間。光電導探測器的馳豫現(xiàn)象(或滯后現(xiàn)象)t-2023/7/22本征光電導探測器的調(diào)制信號的影響為適應(yīng)高速運動目標的變化，有時對入射光要進行調(diào)制。當使用調(diào)制頻率為f的余弦波形來調(diào)制時，有輻射照度或體激發(fā)率的表達形式：光生載流子濃度變化Δp的基本方程為：若記Δp=Δp1+Δp2,前者為與時間無關(guān)量，后者為與時間相關(guān)量，則:考慮調(diào)制的影響，僅需討論隨時間變化的部分，省去下標并用復數(shù)表示，可解得其中振幅和相位表達式為：載流子濃度變化量Δp可寫成：從而得到調(diào)制光入射時輸出信號電壓，及其均方根電壓表示的信號。顯然，f越高，信號越低。按響應(yīng)度定義可得響應(yīng)度與調(diào)制頻率的關(guān)系式：響應(yīng)度隨著f增加而減少，故對于載流子壽命一定的材料，應(yīng)選擇適當?shù)恼{(diào)制頻率，以防響應(yīng)度損失過多。目標運動速度不同，應(yīng)選擇不同的調(diào)制頻率。-2023/7/22Δp和Δn的漂移過程10.3.光電導型紅外探測器－SPRITE探測器原理與結(jié)構(gòu)工作原理及結(jié)構(gòu)－掃出效應(yīng)當紅外光照射到兩端加有固定電壓的N型半導體上，光生載流子將經(jīng)歷產(chǎn)生、復合、擴散和漂移的過程，其濃度變化形式可寫成公式，其中D和μ為雙極擴散系數(shù)和雙極遷移率。漂移是由于電場E作用下，且n與p不等造成的。若n=p，μ＝0,則無漂移運動；若n>>p，則μ＝μp,D=Dp，即Δp以p的速度運動。為保持電中性，Δn和Δp沿同一方向運動，因為有非平衡載流子存在，電中性難以滿足，則Δn和Δp不重合產(chǎn)生附加電場。它同E反向，使之消弱。在被消弱的電場區(qū)，多子（電子）的漂移速度降低，而該區(qū)兩端電子速度不變，導致左端電子濃度降低，右端增加，相當Δn于向右漂移?？傮w呈現(xiàn)出，當Δp前進時，Δn也跟著前進，用這種方法就可以實現(xiàn)Δp分布的自動掃描，這種效應(yīng)稱為“掃出效應(yīng)”。SPRITE(SignalProcessinginTheElements)(Спрайт)探測器屬于光電導效應(yīng)型探測器，但由于這種探測器利用了紅外圖像掃描速度與光生載流子雙極運動速度相等的原理，實現(xiàn)了在器件內(nèi)部進行信號探測、時間延遲和積分的三種功能，大大簡化了焦平面外的電子線路，從而使探測器尺寸、重量、成本顯著下降，并提高了工作可靠性，依據(jù)其原理，也稱之為“掃積型探測器”。是80年代英國人為高性能實時熱成像系統(tǒng)研制出的新型紅外探測器。-2023/7/2210.3.光電導型紅外探測器－SPRITE探測器原理與結(jié)構(gòu)由于掃出效應(yīng)的存在,當光照射樣品時,光信號會自動轉(zhuǎn)移出去，從而可以實現(xiàn)光信號的積累和延遲疊加。實現(xiàn)SPRITE探測器信號積累和延遲的必要條件－紅外圖像掃描速度等于非平衡載流子的雙極運動漂移速度。雙極運動漂移速度與材料的少數(shù)載流子遷移率和外置偏壓大小有關(guān)，如果偏壓足夠大，非平衡少子將全部或大部分掃出，若電場場強過小，非平衡少子漂移長度小于器件長度，則光生少子將在體內(nèi)復合設(shè)一穩(wěn)定的紅外輻射入射到SPRITE探測器的x0處，若忽略陷阱效應(yīng)及表面復合，并在強電場作用下忽略非平衡載流子的擴散，則沿探測器長度方向x處的光生載流子的穩(wěn)態(tài)方程可寫成：式中Lμ為空穴的牽引長度。Lμ若大于樣品長度，則在τ時間內(nèi)Δp將移出體外，反之，將只有部分Δp能移出體外，在SPRITE探測器中，Lμ＝L為全部掃出條件，可推知此時SPRITE探測器兩端所加電壓為V0，為臨界掃出電壓。SPRITE探測器工作原理示意圖-2023/7/2210.3.光電導型紅外探測器－SPRITE探測器原理與結(jié)構(gòu)典型的SPRITE探測器的結(jié)構(gòu)八條N型HgCdTe樣條構(gòu)成，每條尺寸（700×62.5)μm2，厚度10μm,樣條間距12.5μm。讀出區(qū)長度50μm，寬度35μm。每條大約等效于10~12個分立單元探測器。當掃描點進入讀出區(qū)時，Δp將調(diào)制讀出區(qū)電壓從而有信號輸出。SPRITE探測器的實際結(jié)構(gòu)-2023/7/2210.3.光電導型紅外探測器－SPRITE探測器的響應(yīng)度設(shè)探測器截面為w×w，讀出長度l<w，長度為L>>l。外加電場為E。在足夠強的外電場作用下，光生載流子的穩(wěn)態(tài)方程不受非平衡載流子的擴散影響。求解微分方程得到光點照射像元上，信號所產(chǎn)生的非平衡載流子濃度隨著掃描位置的變化關(guān)系。當掃描像元到達讀出區(qū)時，即x=L，有公式，其中t為光生載流子在器件中的渡越時間。進而求得光生載流子的光電流強度，和開路電壓。響應(yīng)度按定義可寫成：當反射損失很小，且αd>>1時，可簡化寫成：設(shè)N型光電導體，其摻雜濃度遠大于背景輻射產(chǎn)生的載流子濃度，非平衡載流子壽命遠大于雙極漂移時間，雙極漂移速度等于光點掃描速度，有穩(wěn)定的紅外輻射照射到探測器，且沿長度方向自左向右連續(xù)掃描。-2023/7/2210.3.光電導型紅外探測器－SPRITE探測器的響應(yīng)度分析響應(yīng)度表達式，可探討提高響應(yīng)度的途徑：增大E會增大焦耳熱，從而增大熱噪聲電流，故增大E應(yīng)該適當。增大載流子壽命，可以提高響應(yīng)度，故可通過探測器表面鈍化技術(shù)來實現(xiàn)表面復合的影響降低到最低。可采用制冷技術(shù)，降低讀出區(qū)的熱激發(fā)載流子濃度，提高響應(yīng)度，減小表面反射損失，也是重要途徑。-2023/7/2210.3.光電導型紅外探測器－SPRITE探測器的探測率D*D*Blip為面積為w*w單元的光電導探測器受背景限制的探測率。S為單位時間通過讀出區(qū)的像素數(shù)，像素大小為w*w，稱為像素速率，也可寫成F為積累因子。當F>1時，即積累的原因，可以預期SPRITE探測器的探測率要比相應(yīng)分立列陣背景限探測率大，性能好；因為積累時間大于快速串掃系統(tǒng)中單元器件的駐留時間，故可以觀察到更大的輸出信號；因為信號與積累時間成正比，而噪聲與積累時間的平方根成正比，故信噪比與積累時間的平方根成正比，故增大積累時間，有利于提高S/N。D*與讀出長度無關(guān)，但過高的掃描速度會使響應(yīng)度下降，故可以減小讀出去寬度，增大l/w的比值，來減小非平衡載流子通過讀出區(qū)的渡越時間。在SPRITE探測器中，S/N與積累時間τ成線性關(guān)系。-2023/7/2210.3.光電導型紅外探測器－SPRITE探測器的分辨力影響SPRITE探測器分辨能力的三個主要因素：非平衡載流子的擴散圖像掃描速度與光生載流子漂移速度的失配讀出區(qū)長度。此外，讀出區(qū)結(jié)構(gòu)和背景輻射也會產(chǎn)生一定的影響。為減小擴散的影響，常用的兩種技術(shù)：迴形結(jié)構(gòu)器件，選擇偏壓場，使在像掃描方向載流子的平均速度等于像掃描速度。因此在該方向載流子的有效擴散長度減小一個因子W/Y。W為器件總寬度，Y為器件實際寬度。AnomorphicOptic：使像在掃描方向增加放大，探測長度和掃描速度也相同比例增加，而載流子擴散長度仍然不變。迴形掃積型探測器-2023/7/2210.3.光電導型紅外探測器－光電導探測器材料光電導紅外探測器對材料的要求：應(yīng)滿足波長響應(yīng)的要求熱激發(fā)產(chǎn)生的G-R噪聲應(yīng)遠小于背景輻射光子噪聲，即暗電流應(yīng)小于背景電流熱噪聲電流應(yīng)遠小于背景輻射光子噪聲電流高的線性吸收系數(shù)和量子效率常用的光電導紅外探測器：Hg1-xCdxTe（MCT）8~14μm,77KInSb3~5μm,77KPbS,PbSe 1~3.5μm,室溫非本征激發(fā)光電導材料，如摻雜Si，可在三個大氣窗口都有響應(yīng)探測器，因工藝簡單通用，易于制造大面積陣列，往往也要在77K下工作。幾種探測器的探測率與波長的關(guān)系-2023/7/2210.3.光電導型紅外探測器－光電導探測器材料光電導紅外探測器的工作模式：探測器與負載電阻串聯(lián)，并連接直流偏壓。低于低阻探測器，常取固定電流電路，這時串聯(lián)電阻比元件電阻大得多，探測器上的電壓變化作為檢測信號輸出。對于高阻探測器，采用固定電壓電路更好，以電路中電流的變化為輸出信號。光電導探測器工作電路示意圖-2023/7/2210.4.光伏型紅外探測器光伏效應(yīng)的原理及性能分析基本關(guān)系式主要性能指標光伏探測器的工作模式光伏探測器的常用材料光伏探測器：其基本部分是一個P－N結(jié)光電二極管。波長比材料的截止波長短的紅外輻射，被光電二極管吸收后將產(chǎn)生電子－空穴對。如果吸收是發(fā)生在空間電荷區(qū)（結(jié)區(qū)），電子和空穴立即被強電場分開，并在外電路中產(chǎn)生光電流。如果吸收的是P區(qū)或N區(qū)到結(jié)的擴散長度區(qū)內(nèi)，光生載流子必定會首先擴散到空間電荷區(qū)，然后再在那里受到電場作用，對外電路貢獻光電流。如果光電二極管是開路，則P-N結(jié)兩端出現(xiàn)開路電壓(P端為+)，即產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)。若在P、N兩端連接一個低電阻，則光電二極管被短路，且有短路電流流動(反向)。||||||+++++++-2023/7/2210.4.光伏型紅外探測器－工作原理按照光伏效應(yīng)的理論，當V表示光生電動勢時，則光照下，P-N結(jié)的勢壘高度從原來的eV0變?yōu)閑(V0-V)，結(jié)區(qū)附近N區(qū)中少子濃度獲得的增量為當光照射到P-N結(jié)上時，N區(qū)的少子濃度為p這些多余的少子，一面不斷注入，一面不斷向體內(nèi)擴散，在結(jié)區(qū)引起的空穴電流密度為Jp，同理可寫出結(jié)區(qū)的電子電流密度Je。通過P-N結(jié)的總的光生電流密度可分為電子、空穴電流密度的和，也可寫成含反向飽和電流密度的表達式。進而可得光生電壓。當弱光照射時，由于光生電流密度<<反向飽和電流密度，光生電壓可簡寫為||||||+++++++-2023/7/2210.4.光伏型紅外探測器－主要性能指標光伏探測器的響應(yīng)度引入量子產(chǎn)額的概念P-N結(jié)的增量電阻（零偏電阻）為：整理可得響應(yīng)度等于量子產(chǎn)額、增量電阻和電子電荷之積與入射光子能量之比。故要提高響應(yīng)度，需提高量子產(chǎn)額，增大增量電阻（減小反向飽和電流）-2023/7/2210.4.光伏型紅外探測器－主要性能指標光伏探測器的響應(yīng)時間影響因素：光生載流子在準中性N或P區(qū)擴散到耗盡區(qū)所需的時間，光生載流子漂移同過耗盡區(qū)所需的時間耗盡區(qū)的電容，結(jié)電容也是影響響應(yīng)時間的重要因素。解決方法：要設(shè)法使結(jié)靠近表面－淺結(jié)，要使得結(jié)盡量薄但考慮到耗盡區(qū)電容應(yīng)小，結(jié)不能太薄。光伏探測器的探測率D*噪聲來源主要是散粒噪聲。公式為工程上常采用的探測率公式，其中(AjRi)1/2為探測器結(jié)面積與增量電阻乘積的平方根值，是判斷光伏器件性能優(yōu)劣的重要判據(jù)，常稱為光伏探測器的優(yōu)值。光伏探測器工作在光電二極管模式下時，P-N結(jié)兩端加上反向偏壓，散彈噪聲將減小一半，從而在探測背景極限時，光伏探測器的探測率比光電導的高21/2倍。這也是光伏探測器的優(yōu)點之一。-2023/7/2210.4.光伏型紅外探測器－工作模式常用于無外加偏壓情況，此時器件功耗極低，特別適用于大規(guī)模兩位列陣。如后接放大器的輸入阻抗高，入射信號是通過器件電壓變化檢出信號，為光伏模式。若后接放大器的輸入阻抗很低，光信號通過二極管短路電流變化檢出。在高頻使用時，常采用反偏以減小耗盡區(qū)電容和相應(yīng)的時間常數(shù)。光平行于結(jié)平面照射光伏探測器光垂直照射P-N結(jié)結(jié)平面的光伏探測器-2023/7/2210.4.光伏型紅外探測器－常用材料Hg1-xCdxTe光伏探測器材料響應(yīng)速度高，用于激光輻射探測十分有利，特別是光通訊或在激光雷達中，作10.6μmCO2激光外差探測。PbSnTe光伏探測器 8~14μm,InAs和InSb多年前就由商品，77K，列陣探測器光譜響應(yīng)均勻性好，性能接近背景極限，已和硅CCD耦合制成焦平面器件。其它薄膜鉛鹽光伏型探測器。-2023/7/2210.5.紅外焦平面陣列探測器單片式紅外焦平面陣列混成式紅外焦平面陣列Z平面紅外焦平面由紅外探測器和具有掃描功能的信號讀出器組合而成的紅外焦平面陣列，是凝視型紅外熱成像系統(tǒng)的核心。紅外焦平面陣列包括光敏元件和信號處理兩個部分，可采用不同的光子探測器、信號電荷讀出器及多路傳輸。IR-CCD基本結(jié)構(gòu)-2023/7/2210.5.紅外焦平面陣列探測器-2023/7/2210.5.紅外焦平面陣列探測器－單片式單片式又稱整體式，可分為兩種情況CCD本身就對紅外敏感，故探測、轉(zhuǎn)移功能于一體。紅外探測器與CCD作在同一基底上，基底通常為Si，而探測器部分常用非本征材料，基本結(jié)構(gòu)為金屬－絕緣物－半導體。典型情況分：本征窄帶半導體IR-CCD非本征半導體IR-CCD肖特基勢壘IR－CCD-2023/7/22肖特基勢壘光電探測器－工作原理工作原理：金屬淀積在半導體表面而形成的具有單向?qū)щ?，整流作用的金屬半導體接觸－肖特基勢壘隧道效應(yīng)：隨著摻雜濃度提高，空間電荷區(qū)變窄，肖特基勢壘變薄，出現(xiàn)穿透幾率迅速升高，穿透形成的電流為隧道電流，該隧道電流會超過熱電子發(fā)射產(chǎn)生的電流。半導體中的費米能級高于金屬中的費米能級，兩者接觸后，為使費米能級達到平衡，在接觸面電子流向金屬，電子電荷分布在金屬層10-10m以內(nèi)，半導體的表面層形成空間電荷區(qū)厚幾個μm。結(jié)果，半導體附近能帶彎曲，形成勢壘，勢壘阻擋金屬與半導體內(nèi)的電子交換，形成高阻層。正偏時，肖特基勢壘不變，金屬流向半導體的電子數(shù)不變，形成大正向電流。反偏時，流過勢壘的電子流主要為金屬向半導體方向，故電流很小，所以肖特基勢壘只能單向?qū)щ?。肖特基勢壘光二極管結(jié)構(gòu)-2023/7/22肖特基勢壘光電探測器－工作原理流經(jīng)肖特基勢壘的電子流密度主要經(jīng)過四個過程半導體電子越過勢壘進入金屬－熱發(fā)射；電子由量子力學隧道穿過勢壘；－隧道電流；空間電荷區(qū)電子與空穴的復合；金屬向半導體的少數(shù)載流子（空穴）注入。對于理想的肖特基勢壘二極管，通常以1過程為主，并可忽略少數(shù)載流子的注入影響。正偏壓下肖特基勢壘的載流子輸運過程-2023/7/22肖特基勢壘光電探測器－工作原理工作原理：輻射透過硅照在硅化物上產(chǎn)生熱空穴，這些空穴能越過勢壘進入到硅基底，從而在硅化物一邊的電極上積累負電荷，形成信號，由于鋁層的反射作用，硅化物對輻射的吸收增強，可使靈敏度提高一個數(shù)量級。改進的肖特基勢壘IR-CCD

肖特基勢壘工作原理-2023/7/22肖特基勢壘光電探測器－工作模式Eg>hυ>eφB,V<VB-擊穿電壓，金屬中的激發(fā)電子穿過肖特基勢壘，收集于半導體；hυ>Eg,V<VB-入射輻射產(chǎn)生電子空穴對，P-I-N光電二極管模式hυ>Eg,V≈VB高反偏壓，雪崩光二極管工作模式。肖特基勢壘光二極管的幾種工作方式應(yīng)用特點：可直接用Si集成電路工藝，制成FPA?；跓犭娮影l(fā)射的原理，其均勻性比一般的紅外探測器（由于其載流子壽命、擴散長度，合金組分不均勻）FPA強100倍。典型材料：PtSi陣列，工作波段3~5μm-2023/7/2210.5.紅外焦平面陣列探測器－混成式根本特點：把探測器和CCD移位寄存器分開，CCD仍用普通硅制成，工藝相對成熟，而對幾個重要的紅外波段，都已經(jīng)發(fā)展了性能優(yōu)良的本征紅外探測器。因此，將兩者耦合起來組成混合焦平面技術(shù)，能獲得高量子效率高性能的紅外FPA。前照結(jié)構(gòu)：探測器在前面受到照射，電信號就在這同一面上被抽出。－填充因子受到一定影響。背照結(jié)構(gòu)：要求鑲嵌探測器有薄的光敏層，在光敏層上吸收輻射，產(chǎn)生的光生載流子從背面擴散到前面，被P-N結(jié)檢測到信號。－填充因子高，目前FPA大多基于這種結(jié)構(gòu)?；旌匣ミB方式混合紅外焦平面(a)前照射結(jié)構(gòu)(b)背照射結(jié)構(gòu)-2023/7/2210.5.紅外焦平面陣列探測器－Z平面技術(shù)根本特點：不同于單片式與混成式的二維FPA方式，所謂Z平面：是一塊立體的FPA，這是將信號讀出及處理功能的芯片（包括低噪聲前放、濾波器和多路傳輸?shù)龋┎捎茂B層的方式組裝起來，形成信號處理模塊，再把模塊與探測器和輸入／輸出線等連接在一起。該技術(shù)可用于光導型、光伏型等各種探測器信號的讀出／處理。Z平面焦平面陣列原理示意圖-2023/7/2210.6

非制冷焦平面陣列探測器非制冷焦平面熱成像技術(shù)的特點特點由于沒有制冷系統(tǒng)，故具有低成本、低功耗、長壽命、小型化和可靠性等優(yōu)點，是當前熱成像技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的熱點之一。非制冷焦平面探測器的類型熱電型非制冷焦平面陣列鈦酸鍶鋇(BaxSr1-xTiO3,BST)：美國德克薩斯儀器公司(TI)，80年代末至90年代初鈦酸鋯鉛(PbxZi1-xTiO3,PZT)和鈦酸鈧鉛(PST)：英國GEC-馬可尼材料技術(shù)公司(GMMT)，90年代初微測輻射熱計(Micro-Bolometer)非制冷焦平面陣列美國Honeywell公司電阻型VOx非制冷焦平面探測器(90年代初)法國Sofradir公司研制并批量生產(chǎn)多晶硅型非制冷焦平面；澳大利亞國防科技署采用非晶、微晶和多晶等研制成功單片式非致冷焦平面；日本防衛(wèi)廳技術(shù)研究和開發(fā)研究所溫差電堆熱像傳感器。非致冷焦平面技術(shù)的應(yīng)用-2023/7/22

熱釋電型非制冷焦平面陣列BST器件采用1英寸40腳DIP封裝,328245像元，像元尺寸48.548.5m2，包括探測器恒溫熱電致冷器、溫度傳感器及機械斬波器。現(xiàn)已研制出640480元陣列，像元尺寸20~30m的焦平面陣列。系統(tǒng)重量約1.36kg,NETD<0.1K,視頻信號,可探測700m遠的人，性能雖只是致冷型熱像儀的1/3左右，但價格只有1/10。TI公司建立非致冷傳感器生產(chǎn)線,96年100套/月，97年提高到1000套/月，上世紀末提高到5000套/月。美國Loral紅外成像系統(tǒng)公司研制熱釋電焦平面陣列192128，像元尺寸為3535m2，典型的NETD<0.1K(f/1)。10.6

非制冷焦平面陣列探測器-2023/7/22熱釋電型非制冷焦平面陣列PZT非制冷焦平面90年已制成直徑為10m，間距為100m(現(xiàn)間距為40m)的100100像元探測器陣列，用于為國防研究局(DRA)/英國宇航公司的新一代輕型反裝甲武器NLAW4的輕型夜間瞄準具、Pyro2500Gecsentry

手持熱像儀和美國Cairn公司消防頭盔熱像儀；93年GMMT收到英國國防部STAIRS計劃A類裝置的武器瞄準具演示器合同，STAIRSA推薦新一族熱瞄具最終來取代英國TICM設(shè)備系列；94年DRA和GMMT研制出256128像元,節(jié)距為56m的探測器陣列(鈦酸鈧鉛PST)，并在96年得到384288像元，節(jié)距為40m的探測器陣列，典型的NETD為0.1K，并可望達到0.05K。10.6

非制冷焦平面陣列探測器-2023/7/22Honeywell公司開發(fā)的微測輻射熱計10.6

非制冷焦平面陣列探測器微測輻射熱計：以VOx，多晶硅或非晶硅等薄膜為熱敏材料，采用微機械加工技術(shù)(MEMS)把探測器做成微橋結(jié)構(gòu)，探測器在IC－CMOS讀出電路襯底上做成懸空的微橋，使之形成良好的熱隔離探測器吸收紅外輻射，產(chǎn)生溫升，熱敏材料的電阻率發(fā)生變化，在外接電路的作用下輸出響應(yīng)信號。與熱釋電FPA相比：采用硅集成技術(shù)，成本低，有好的線性響應(yīng)和高動態(tài)范圍，像元間絕緣性好，串音少，圖像清晰度高低1/f噪聲，高幀速，和潛在的高靈敏度（理論上可達0.01K)。但偏置電路功耗大，噪聲帶寬寬。-2023/7/2210.6

非制冷焦平面陣列探測器微測輻射熱計陣列Honeywell公司VOx非制冷焦平面采用5050m2像元,像元數(shù)320240(336240),電阻溫度系數(shù)TCR典型范圍為1.5~2.5%，NETD=0.04~0.06K，功耗約40mW。專利轉(zhuǎn)讓給Amber工程公司、波音北美公司、休斯圣巴巴拉研究中心SBRC、聯(lián)合技術(shù)系統(tǒng)公司及洛克希德·馬丁公司。1996年Amber公司推出非致冷測輻射熱計熱像儀,工作波段8~14m，NETD=0.1K(f/1)，重量1.9kg，體積9.510.725.4cm3，視頻輸出(30幀/秒)，可與256256像元的InSb焦平面熱像儀圖像質(zhì)量相媲美。1997年SBRC研制的非致冷測輻射熱計焦平面熱像儀；北美波音公司已成為氧化釩微測輻射熱計焦平面陣列的批發(fā)供應(yīng)商，其陣列產(chǎn)品的型號為U3000，60Hz幀頻提供單通道的信號輸出。Honeywell公司開發(fā)的微測輻射熱計-2023/7/22微測輻射熱計陣列法國Sofradir公司批量生產(chǎn)多晶硅型非制冷焦平面探測器是目前可能進入中國市場的非制冷焦平面技術(shù)。其他非制冷焦平面探測器日本防衛(wèi)廳和日本電氣公司用N型和P型多晶硅作熱電材料制作出了128×128像元的熱電堆焦平面陣列10.6

非制冷焦平面陣列探測器

熱電堆紅外焦平面陣列的像元結(jié)構(gòu)

-2023/7/22非制冷焦平面熱成像技術(shù)的應(yīng)用美國陸軍的便攜式發(fā)射后不管的“標槍”反坦克武器；美國陸軍總結(jié)沙漠風暴經(jīng)驗后，提出布雷德利戰(zhàn)車(BFV)配備184套駕駛員視覺增強器DVE的改造計劃，DVE還將用于HEMTT、PLS、FMTV等陸軍后勤車輛上;美國陸軍已研制成功類似AN/PVS－5的頭盔夜視儀，重量約1.3kg，其中傳感器重量只有0.68kg;美軍夜視和電子傳感器已訂購30具改進型樣機；聯(lián)合技術(shù)系統(tǒng)公司將非致冷紅外技術(shù)應(yīng)用于軍事項目，如精確制導彈藥和子母彈系統(tǒng)、微輻射熱計與雷達傳感器組成的具有探測、捕獲和跟蹤功能的先進雙模尋的器、遠距離警戒系統(tǒng)及目標單獨作戰(zhàn)武器計劃的武器瞄準系統(tǒng)，認為對于向21世紀步兵提供先進能力具有積極作用；10.6

非制冷焦平面陣列探測器-2023/7/22

非制冷焦平面熱成像技術(shù)的應(yīng)用荷蘭皇家陸軍與SignaalUSFA公司和Delft傳感器公司簽訂合同，研制輕型紅外觀察夜視(LION)非致冷熱瞄具，96年中完成樣機，97年交付300套產(chǎn)品。LION采用GMMT的256128元的PST探測器陣列，工作波段8~13m，配105視場的3光學系統(tǒng)，重量2kg，體積102024cm3，功耗7W，啟動時間<5s，平均故障間隔時間MTBF>5000h，2m以外就聽不到噪聲。在良好能見度下，對標準坦克的探測、識別和認清的距離分別為2240m/790m/400m，而在能見度較差時分別為1630m/705m/375m；TI公司“夜瞄具”200系列攝像機是目前標價最低的非致冷熱像儀，本土價約8100美元，主要為警用和汽車夜間駕駛儀；洛克希德·馬丁紅外成像系統(tǒng)公司LTC500攝像機用于醫(yī)學研究和醫(yī)療診斷；IRSolutions公司的IRSnapshot攝像機用于檢測和預防維修，可提供假彩色圖像顯示，NETD約0.2K。10.6

非制冷焦平面陣列探測器-2023/7/22非制冷焦平面熱成像技術(shù)的應(yīng)用美國ElectroPhysics公司95年研制了民用非制冷焦平面熱像儀PV320,采用BST320240陣列，光譜響應(yīng)2~14m，像元尺寸48.548.5m2,MRTD<0.2C(@22C)，測溫范圍-18~523C，水平分辨力>300TVL，體積1411.411.4cm3，重量2.27kg,工作溫度-40C~54C，存貯溫度-40C~80C，輸出視頻信號RS-170(60HzB&W)。外形設(shè)計類似攝像頭，價格較低，適合于二次研究和開發(fā)。價格<US$2萬元。EP公司與LifesightFireResearch公司開發(fā)了消防熱像儀LifesightPlus,體積26.71415.2cm3,重量2.7kg,功耗9W,視場角50,焦距18mm,全防水,帶有300m圖像發(fā)射功能,可供前線指揮員了解現(xiàn)場情況。97年美國緬因州南波特蘭市消防局對正在使用的消防熱像儀Iris,ISI,Argus和LifesightPlus進行了客觀的性能測評，LifesightPlus最佳，將成為該消防局今后的主選型號之一,價格<US$2.5萬元;10.6

非制冷焦平面陣列探測器-2023/7/22非制冷焦平面熱成像技術(shù)的應(yīng)用瑞典Agema公司TV-570熱像儀采用微測輻射熱計焦平面探測器，外形類似“掌中寶”，價格約60萬。美國Inframetrics公司ThermacamUltraX95系列熱像儀采用微測輻射熱計焦平面，外形類似“掌中寶”，價格約65萬；上述公司目前均被美國FLIR公司收購。目前國內(nèi)市場得到主要是法國Sofradir公司生產(chǎn)的多晶硅型非制冷焦平面探測器。10.6

非制冷焦平面陣列探測器-2023/7/22非制冷焦平面熱成像技術(shù)的發(fā)展趨勢

歐美已形成幾個技術(shù)聯(lián)盟：英國DRA、美國紅外測量公司的非制冷技術(shù)再投資聯(lián)盟(ULTRA)、洛拉爾紅外和成像系統(tǒng)公司的紅外非制冷傳感器聯(lián)盟(CIRUS)、TI公司的第三個團體以及日本的非制冷焦平面技術(shù)研究機構(gòu)。美國的三個團體1995年以來一直實施平行的技術(shù)再投資計劃，與美國國防高級研究計劃局保持聯(lián)系。目前非制冷紅外焦平面探測器在歐美本土隨批量有較大的價格變動空間，最底已可達$1萬美元以下,整機系統(tǒng)價格可在$2萬美元左右，但普遍認為隨著技術(shù)進步和大批量生產(chǎn)，將使性能提高而價格大幅度地降低。目前兩種非制冷焦平面技術(shù)途徑都具有良好的發(fā)展前景：測輻射熱計陣列不需斬波和工藝條件等原因，一般更看好其發(fā)展前景，但由于其需要偏置，存在功耗及發(fā)熱；DRA及TI對熱電非制冷焦平面技術(shù)的發(fā)展也充滿信心，TI公司、美國陸軍及美國聯(lián)合兩用計劃辦公室共同投資2400萬美元，用于降低軍用和民用非制冷熱像儀的成本。10.6

非制冷焦平面陣列探測器-2023/7/22非制冷焦平面熱成像技術(shù)的發(fā)展趨勢信心來自市場需求和器件性能的發(fā)展，除軍事應(yīng)用外，非制冷紅外熱像儀在其它夜視、消防、工藝控制、質(zhì)量控制、機器人、搜索與救援、邊境巡邏、車輛防撞、警戒和醫(yī)療診斷等領(lǐng)域有良好的市場潛力。如美國每年對消防頭盔的需求就有10萬具以上；目前在未來型車輛上安裝紅外熱像儀作為夜/霧觀察和/或威脅報警系統(tǒng)已成為多方面實施的步驟。

非制冷焦平面探測器掀起了紅外技術(shù)的一場革命，在目前非制冷技術(shù)發(fā)展初期要預測其未來的商業(yè)應(yīng)用，可能