红外热成像器件成像物理课件

第十章红外热成像器件成像物理10.1.红外探测器的分类10.2.红外探测器的工作条件与性能参数10.3.光电导型红外探测器10.4.光伏型红外探测器10.5.红外焦平面阵列探测器10.6.非致冷红外焦平面阵列探测器10.7.量子阱红外探测器-2023/7/2210.1红外探测器的分类按波长分：近红外:0.76~3μm中红外：3~6μm远红外：8~15μm按工作温度分：低温探测器中温探测器室温探测器按用途和结构分：单元探测器多元探测器凝视列阵探测器按工作转换机理分：热敏探测器（热电效应）热释电摄像管（如TGS等）热探测器阵列热释电型非制冷焦平面阵列微测辐射热计非制冷焦平面阵列（Micro-Bolometer

）微测辐射热电堆光子探测器（光电效应）光电导探测器（PC效应）光伏探测器（PV效应）肖特基势垒探测器（PtSi探测器）量子阱探测器-2023/7/2210.1红外探测器的分类热电效应：吸收红外辐射后，产生温升，伴随着温升而发生某些物理性质的变化。如产生温差电动势，电阻率变化，自发极化强度变化，气体体积和压强变化等。只需测量其中一种物理量的变化，便知其吸收红外入射的能量和功率利用各类热电效应制成的热探测器：热电偶：测量温差电动势的变化热敏电阻（或电阻测辐射热计）：测量电阻率的变化气体探测器（高莱盒）：测量气体压强的变化热释电探测器：测量自发极化强度的变化-2023/7/2210.1红外探测器的分类光电效应：某些固体受到红外辐射的照射后，其中的电子直接吸收红外辐射而发生运动状态的改变，从而导致该固体的某种电学参量的改变，这种电学性质的改变统称固体的光电效应。利用光电效应制成的红外探测器为光子探测器或光电探测器，这类探测器依赖内部电子直接吸收红外辐射，不需要经过加热物体的过程，因此反应时间快。光电导效应：当红外辐射入射到半导体器件上，会使体内一些电子和空穴从原来不导电的束缚状态转变成能导电的自由状态，从而使半导体的电导率增加，这种现象为光电导效应。光伏效应：在半导体P-N结及其附近区域吸收能量足够大的光子后，在结区及结的附近释放出少数载流子（自由电子或空穴）它们在结区附近靠扩散进入结区，而在结区内则受内建电场的作用，电子漂移到N区，空穴漂移到P区，如果P-N结开路，则两端会产生电压。这种现象为光生伏特效应。-2023/7/2210.1红外探测器的分类光磁电效应：当红外光入射到半导体表面，如有外磁场存在，则半导体表面附近产生的电子－空穴对在半导体内部扩散的过程中，电子和空穴各偏向一侧，因而在半导体两端产生电位差，这种现象为光磁电效应。各类光子型探测器光电子发射探测器：红外光阴极等利用外光电效应工作的探测器。光电导探测器（PC器件）：利用光电导效应工作的探测器。光伏探测器（PV器件）：利用光伏效应工作的探测器。光磁电探测器：利用光磁电效应制成的红外探测器。肖特基势垒器件：光子牵引效应。量子阱器件：利用量子阱效应。-2023/7/2210.2.红外探测器的工作条件与性能指标评价红外探测器的性能的指标称为性能优值，即其性能参数。因一个探测器的性能参数往往与其测量方法和使用条件，几何尺寸等物理性质相关故讨论红外探测器性能指标的同时，需说明其工作条件。工作条件入射辐射的光谱分布：对探测器进行性能描述时，必须说明入射到探测器响应平面的光谱分布及空间辐射功率。实验室多采用500K黑体辐射源作信号源。探测器的几何参数：探测器面积（标称面积、有效面积），形状及接收入射辐射信号的立体角标称面积：制造商提供的响应面积，是实际响应面积的近似值。有效面积：若s为响应平面，R(x,y)为对应点的响应度，则有效面积定义为-2023/7/22红外探测器的工作条件探测器接收辐射信号的立体角：辐射信号入射方向上以入射角的余弦作为权重的立体角。标称权重立体角：制造商提供的立体角。有效权重立体角：设θ,φ为轴线垂直于响应平面的球坐标系的极角和方位角；R(x,y,θ,φ)为探测器响应平面s上某点(x,y)对(θ,φ)方向入射辐射的响应度，则有效权重立体角为：－－对于响应度与方位角无关的圆形对称探测器若响应元中心到探测器光阑的视场角为ω，其权重立体角交可简化为：Ω=πsin(ω/2)，若为朗伯探测器，则Ω=π。探测器的输出信号：输出信号电压的振幅是施加在探测器的偏置电源b，辐射调制频率f，波长λ及入射辐射功率Ps的函数。即：Vs=Vs(b,f,λ,Ps)-2023/7/22红外探测器的工作条件探测器的工作温度与背景：不致冷时指环境温度，致冷时指致冷的标称温度。背景辐射：由探测器的视场和被背景照射的光谱范围来描述。探测器的阻抗：探测器两端瞬时电压V(t)对通过探测器的瞬时电流i(t)的导数，包括容抗和直流阻抗。多数探测器的阻抗与纯电阻等效，100Ω以下为低阻器件，需与放大器做变压器耦合，100Ω~1MΩ为中阻器件,最容易与放大器匹配;1MΩ以上为高阻器件，需高阻抗放大器输入才能匹配。特殊工作条件：对于某些特殊器件，还有湿度、入射辐射功率、视场立体角、以及背景温度等。-2023/7/2210.2.红外探测器的工作条件与性能指标红外探测器的性能参数响应度R：描述入射到探测器上的单位辐射功率所产生的信号大小能力的性能参数：红外辐射垂直入射到探测器光敏元上，探测器输出信号电压均方根值Vs与入射辐射功率均方根值Ps之比。噪声等效功率NEP：红外辐射信号入射到探测器响应平面上，若产生的电输出信号的均方根值正好等于探测器本身在单位带宽内的噪声均方根值（信噪比为1）时，探测器表面所接收到的入射辐射功率均方根之为NEP。-2023/7/22红外探测器的性能指标探测率D和归一化探测率D*：D=1/NEP；因大多数红外探测器的NEP与光敏面积的平方根成正比，还与放大器的带宽Δf有关，因此NEP的数值很难比较两个不同探测器的性能优劣。而定义归一化探测率D*实际上是探测器单位面积、单位放大器带宽，单位辐射功率所获得的信噪比。一般D*与调制频率f、辐射源与工作条件有关，单位为cmHz1/2/W。黑体源测得的D*称为黑体探测率，用D*(T,f,1)表示，1表示单位带宽，T多数情况下为500K。

响应时间（或时间常数）：指探测器将入射辐射转变为电输出的弛豫时间，是表示探测器工作速度的一个定量参数。-2023/7/22红外探测器的性能指标还可以利用频率响应来描述响应时间，因为大多数探测器响应度随调制频率的变化有如公式，其中R(0)为零频下的响应度，由此关系规定的响应时间τ为响应度下降到最大值的0.707时的角频率(2πf)的倒数值。有些探测器有两个响应时间。其它指标响应度与辐射强度之间的线性关系响应度的均匀性与光学系统匹配时，接收面积与光学系统所成像的大小相同与前置放大器连用时，探测器内阻应与放大器的阻抗相匹配。R(f)随f变化的关系曲线具有两个响应时间的频率响应-2023/7/2210.3.光电导型红外探测器光电导探测器的工作原理与性能分析SPRITE探测器SPRITE探测器的工作原理及结构SPRITE探测器的性能指标光电导探测器材料光电导率：如果半导体受到外界作用，有非平衡载流子注入，就会附加电导率Δσ产生。当Δσ是由光照注入的非平衡载流子所产生时，称之为光电导率。光照射产生的非平衡载流子称为光生载流子。－能产生光电导效应的材料称为光电导体。-2023/7/2210.3.光电导型红外探测器－工作原理与性能分析光电导探测器的基本概念和基本方程光电导探测器的分类入射光强的衰减规律激发率和复合率光生载流子的基本方程本征光电导探测器的性能分析响应度探测率响应时间调制信号的影响-2023/7/2210.3.光电导型红外探测器－工作原理半导体的光激发过程(a)本征吸收；(b)非本征吸收；(c)自由载流子吸收光电导探测器按其基本激发过程可分为：本征光电导探测器：入射红外辐射的光子能量大于半导体禁带宽度，使电子从价带激发到导带而改变其光电导率。其优点是工作温度比非本征型高。杂质光电导探测器：入射辐射激发杂质能级上的电子或空穴而改变其电导率，其优点是长波效应较好。自由载流子探测器：材料吸收光子后不引起载流子数量的变化，而是引起载流子迁移率的变化。这类器件常需要在极低温度下工作，以降低能量向晶格转移。-2023/7/2210.3.光电导型红外探测器－工作原理入射光强的衰减规律：辐射进入探测器后，辐照度要逐渐衰减，若材料的吸收比为α，则在z到z+dz处，其辐照度衰减的量值可写成dE，设探测器表面反射率为ρ，z=0时入射到表面处的照度为E0，则有辐射度随厚度的衰减公式由此可见，辐照度随厚度增加而呈指数衰减。入射光强随厚度变化-2023/7/2210.3.光电导型红外探测器－工作原理激发率与复合率单位时间、单位体积内吸收的光子能量：被吸收的光子数：量子效率η：探测器吸收一个光子（hυ>=Eg)所产生的电子－空穴对的数目体激发率Q：单位时间、单位体积内所产生的电子－空穴对数在本征半导体材料中，通常η＝1，若探测器厚度为d，略去下表面的反射，平均体激发率为：当入射光强减小到初始值的1/e时，光经过的距离称为光的有效透射深度，其值为1/α。一般的本征半导体吸收很强，InSb材料探测器的吸收系数α约为104/cm，即表面1μm就达到了有效透射深度，此后的入射光的影响可以忽略。故，在满足e(-αd)<<1时，平均体激发率变为表面吸收。表面激发率Qs：单位时间、单位面积内所产生的光生载流子数目。-2023/7/2210.3.光电导型红外探测器－工作原理直接复合的复合率（净复合速率）：如果γ为直接复合系数，即各种能量的电子与空穴的平均值。Δp为光生载流子浓度，且Δp＝Δn。间接复合的复合率：如果γe为电子俘获系数，γp为空穴俘获系数，Nt为俘获中心总数，n1，p1分别为热平衡时电子与空穴的浓度。则有间接复合的复合率表达式。光生载流子寿命：表面复合率：设表面复合速率为Sv

所谓间接复合：非平衡载流子通过杂质或缺陷中心也可以完成电子空穴对的复合，能够有效起复合作用的杂质或缺陷称为复合中心，复合由两步来完成：一是未被占据的中心从导带俘获一个电子；一是已被占据的中心从价带俘获一个空穴（相当于一个电子由复合中心落入价带）。所谓直接复合：是能带到能带的复合，指导带电子和价带空穴的复合，即导带电子跃迁到价带的过程。-2023/7/2210.3.光电导型红外探测器－工作原理半导体中，单位体积内自由电子的增加率，应等于该处电子的激发率Q减去电子的复合率，再加上电子电流的散度。同理，对于空穴有：如略去陷阱效应，认为光生载流子的寿命与本征半导体内载流子寿命相同，公式中的电流密度可以写成在本征光电导情况，电中性条件可导出：D为双极扩散系数，μ为双极迁移率，整理可推知：由于是本征光电导情况，n=p，μ＝0，故得到本征光电导光生载流子变化的基本方程。所谓基本方程：是反映非平衡载流子运动的重要方程。要考虑光生电子和光生空穴的连续性。-2023/7/22光电导探测器的几何模型本征光电导探测器的响应度R恒定入射的红外辐射照射探测器时，稳态下：在不考虑浓度梯度和表面复合的前提下,可得：即光生载流子数目与平均体激发率、载流子寿命成正比。设探测器长宽厚：l,w,d。并在x方向加有正电场E，加之空穴与电子的变化数量相等。则光生载流子密度为：光生电流电流为：若无信号时电阻(暗电阻)为Rd，则开路电压：按定义可得探测器响应度表达式响应度与入射辐射光子能量的关系:在本征半导体中，暗电阻率可写成与迁移率及无光照时空穴浓度p0相关的表达式:考虑到背景对电导率及空穴浓度的影响，可将无信号照射时的电导率及空穴浓度分成热激发对之的贡献，及背景辐射对其的贡献两部分：响应度又有更进一步的表达形式：即认为探测器内部各处载流子浓度是均匀的，即体激发率是均匀的-2023/7/2210.3.光电导型红外探测器－性能分析本征光电导探测器的响应度R分析响应度与光生载流子寿命成正比：一般光电导的贡献主要来自于一种载流子，因此若加入另一种载流子陷阱，就会使主要作用的载流子寿命增长，而提高响应度。响应度与载流子浓度成反比：通过致冷环境，可以减小pT值，若减小pb需要增加滤光片；响应度与外界电场成正比，但实际上E的增加会带来焦耳热使探测器温升，故外加电场应有一个最佳值；在满足αd>>1条件下，减少探测器厚度有利于提高响应度；减少反射，镀增透膜也是提高响应度的好办法。-2023/7/2210.3.光电导型红外探测器－性能分析本征光电导探测器的探测率D对本征光电导探测器，可以不考虑1/f噪声时，主要噪声为热噪声和产生－复合(G-R)噪声。热噪声产生的噪声电压常记为：其中Rd为探测器等效电阻，Δf为测量仪器噪声等效带宽。产生复合噪声产生的噪声电压常表示为。其中V0为外置偏压，Ps为入射到探测器表面的辐射功率。按定义有Dv*更多时候，Dv*只受一种噪声限制-2023/7/2210.3.光电导型红外探测器－性能分析本征光电导探测器的响应时间弱光入射时，上升情况：根据载流子浓度随时间上升的微分方程，且t=0时，载流子浓度变化量为0，可解得：式中Δp0为稳定值，故载流子随时间按指数规律上升至稳定值。显然载流子寿命越长，曲线上升越慢。光生载流子数目随时间上升到稳定值的(1-1/e)时所需的时间为上升时间。下降情况：若t=0时停止光照，则微分方程中的产生激发的载流子数量Q为0，解得又一个指数方程。显然依然是载流子寿命越长，下降响应越慢。光生载流子浓度Δp0由随时间下降1/e时所需的时间为下降响应时间。光电导探测器的驰豫现象(或滞后现象)t-2023/7/22本征光电导探测器的调制信号的影响为适应高速运动目标的变化，有时对入射光要进行调制。当使用调制频率为f的余弦波形来调制时，有辐射照度或体激发率的表达形式：光生载流子浓度变化Δp的基本方程为：若记Δp=Δp1+Δp2,前者为与时间无关量，后者为与时间相关量，则:考虑调制的影响，仅需讨论随时间变化的部分，省去下标并用复数表示，可解得其中振幅和相位表达式为：载流子浓度变化量Δp可写成：从而得到调制光入射时输出信号电压，及其均方根电压表示的信号。显然，f越高，信号越低。按响应度定义可得响应度与调制频率的关系式：响应度随着f增加而减少，故对于载流子寿命一定的材料，应选择适当的调制频率，以防响应度损失过多。目标运动速度不同，应选择不同的调制频率。-2023/7/22Δp和Δn的漂移过程10.3.光电导型红外探测器－SPRITE探测器原理与结构工作原理及结构－扫出效应当红外光照射到两端加有固定电压的N型半导体上，光生载流子将经历产生、复合、扩散和漂移的过程，其浓度变化形式可写成公式，其中D和μ为双极扩散系数和双极迁移率。漂移是由于电场E作用下，且n与p不等造成的。若n=p，μ＝0,则无漂移运动；若n>>p，则μ＝μp,D=Dp，即Δp以p的速度运动。为保持电中性，Δn和Δp沿同一方向运动，因为有非平衡载流子存在，电中性难以满足，则Δn和Δp不重合产生附加电场。它同E反向，使之消弱。在被消弱的电场区，多子（电子）的漂移速度降低，而该区两端电子速度不变，导致左端电子浓度降低，右端增加，相当Δn于向右漂移。总体呈现出，当Δp前进时，Δn也跟着前进，用这种方法就可以实现Δp分布的自动扫描，这种效应称为“扫出效应”。SPRITE(SignalProcessinginTheElements)(Спрайт)探测器属于光电导效应型探测器，但由于这种探测器利用了红外图像扫描速度与光生载流子双极运动速度相等的原理，实现了在器件内部进行信号探测、时间延迟和积分的三种功能，大大简化了焦平面外的电子线路，从而使探测器尺寸、重量、成本显著下降，并提高了工作可靠性，依据其原理，也称之为“扫积型探测器”。是80年代英国人为高性能实时热成像系统研制出的新型红外探测器。-2023/7/2210.3.光电导型红外探测器－SPRITE探测器原理与结构由于扫出效应的存在,当光照射样品时,光信号会自动转移出去，从而可以实现光信号的积累和延迟叠加。实现SPRITE探测器信号积累和延迟的必要条件－红外图像扫描速度等于非平衡载流子的双极运动漂移速度。双极运动漂移速度与材料的少数载流子迁移率和外置偏压大小有关，如果偏压足够大，非平衡少子将全部或大部分扫出，若电场场强过小，非平衡少子漂移长度小于器件长度，则光生少子将在体内复合设一稳定的红外辐射入射到SPRITE探测器的x0处，若忽略陷阱效应及表面复合，并在强电场作用下忽略非平衡载流子的扩散，则沿探测器长度方向x处的光生载流子的稳态方程可写成：式中Lμ为空穴的牵引长度。Lμ若大于样品长度，则在τ时间内Δp将移出体外，反之，将只有部分Δp能移出体外，在SPRITE探测器中，Lμ＝L为全部扫出条件，可推知此时SPRITE探测器两端所加电压为V0，为临界扫出电压。SPRITE探测器工作原理示意图-2023/7/2210.3.光电导型红外探测器－SPRITE探测器原理与结构典型的SPRITE探测器的结构八条N型HgCdTe样条构成，每条尺寸（700×62.5)μm2，厚度10μm,样条间距12.5μm。读出区长度50μm，宽度35μm。每条大约等效于10~12个分立单元探测器。当扫描点进入读出区时，Δp将调制读出区电压从而有信号输出。SPRITE探测器的实际结构-2023/7/2210.3.光电导型红外探测器－SPRITE探测器的响应度设探测器截面为w×w，读出长度l<w，长度为L>>l。外加电场为E。在足够强的外电场作用下，光生载流子的稳态方程不受非平衡载流子的扩散影响。求解微分方程得到光点照射像元上，信号所产生的非平衡载流子浓度随着扫描位置的变化关系。当扫描像元到达读出区时，即x=L，有公式，其中t为光生载流子在器件中的渡越时间。进而求得光生载流子的光电流强度，和开路电压。响应度按定义可写成：当反射损失很小，且αd>>1时，可简化写成：设N型光电导体，其掺杂浓度远大于背景辐射产生的载流子浓度，非平衡载流子寿命远大于双极漂移时间，双极漂移速度等于光点扫描速度，有稳定的红外辐射照射到探测器，且沿长度方向自左向右连续扫描。-2023/7/2210.3.光电导型红外探测器－SPRITE探测器的响应度分析响应度表达式，可探讨提高响应度的途径：增大E会增大焦耳热，从而增大热噪声电流，故增大E应该适当。增大载流子寿命，可以提高响应度，故可通过探测器表面钝化技术来实现表面复合的影响降低到最低。可采用制冷技术，降低读出区的热激发载流子浓度，提高响应度，减小表面反射损失，也是重要途径。-2023/7/2210.3.光电导型红外探测器－SPRITE探测器的探测率D*D*Blip为面积为w*w单元的光电导探测器受背景限制的探测率。S为单位时间通过读出区的像素数，像素大小为w*w，称为像素速率，也可写成F为积累因子。当F>1时，即积累的原因，可以预期SPRITE探测器的探测率要比相应分立列阵背景限探测率大，性能好；因为积累时间大于快速串扫系统中单元器件的驻留时间，故可以观察到更大的输出信号；因为信号与积累时间成正比，而噪声与积累时间的平方根成正比，故信噪比与积累时间的平方根成正比，故增大积累时间，有利于提高S/N。D*与读出长度无关，但过高的扫描速度会使响应度下降，故可以减小读出去宽度，增大l/w的比值，来减小非平衡载流子通过读出区的渡越时间。在SPRITE探测器中，S/N与积累时间τ成线性关系。-2023/7/2210.3.光电导型红外探测器－SPRITE探测器的分辨力影响SPRITE探测器分辨能力的三个主要因素：非平衡载流子的扩散图像扫描速度与光生载流子漂移速度的失配读出区长度。此外，读出区结构和背景辐射也会产生一定的影响。为减小扩散的影响，常用的两种技术：迴形结构器件，选择偏压场，使在像扫描方向载流子的平均速度等于像扫描速度。因此在该方向载流子的有效扩散长度减小一个因子W/Y。W为器件总宽度，Y为器件实际宽度。AnomorphicOptic：使像在扫描方向增加放大，探测长度和扫描速度也相同比例增加，而载流子扩散长度仍然不变。迴形扫积型探测器-2023/7/2210.3.光电导型红外探测器－光电导探测器材料光电导红外探测器对材料的要求：应满足波长响应的要求热激发产生的G-R噪声应远小于背景辐射光子噪声，即暗电流应小于背景电流热噪声电流应远小于背景辐射光子噪声电流高的线性吸收系数和量子效率常用的光电导红外探测器：Hg1-xCdxTe（MCT）8~14μm,77KInSb3~5μm,77KPbS,PbSe 1~3.5μm,室温非本征激发光电导材料，如掺杂Si，可在三个大气窗口都有响应探测器，因工艺简单通用，易于制造大面积阵列，往往也要在77K下工作。几种探测器的探测率与波长的关系-2023/7/2210.3.光电导型红外探测器－光电导探测器材料光电导红外探测器的工作模式：探测器与负载电阻串联，并连接直流偏压。低于低阻探测器，常取固定电流电路，这时串联电阻比元件电阻大得多，探测器上的电压变化作为检测信号输出。对于高阻探测器，采用固定电压电路更好，以电路中电流的变化为输出信号。光电导探测器工作电路示意图-2023/7/2210.4.光伏型红外探测器光伏效应的原理及性能分析基本关系式主要性能指标光伏探测器的工作模式光伏探测器的常用材料光伏探测器：其基本部分是一个P－N结光电二极管。波长比材料的截止波长短的红外辐射，被光电二极管吸收后将产生电子－空穴对。如果吸收是发生在空间电荷区（结区），电子和空穴立即被强电场分开，并在外电路中产生光电流。如果吸收的是P区或N区到结的扩散长度区内，光生载流子必定会首先扩散到空间电荷区，然后再在那里受到电场作用，对外电路贡献光电流。如果光电二极管是开路，则P-N结两端出现开路电压(P端为+)，即产生光生伏特效应。若在P、N两端连接一个低电阻，则光电二极管被短路，且有短路电流流动(反向)。||||||+++++++-2023/7/2210.4.光伏型红外探测器－工作原理按照光伏效应的理论，当V表示光生电动势时，则光照下，P-N结的势垒高度从原来的eV0变为e(V0-V)，结区附近N区中少子浓度获得的增量为当光照射到P-N结上时，N区的少子浓度为p这些多余的少子，一面不断注入，一面不断向体内扩散，在结区引起的空穴电流密度为Jp，同理可写出结区的电子电流密度Je。通过P-N结的总的光生电流密度可分为电子、空穴电流密度的和，也可写成含反向饱和电流密度的表达式。进而可得光生电压。当弱光照射时，由于光生电流密度<<反向饱和电流密度，光生电压可简写为||||||+++++++-2023/7/2210.4.光伏型红外探测器－主要性能指标光伏探测器的响应度引入量子产额的概念P-N结的增量电阻（零偏电阻）为：整理可得响应度等于量子产额、增量电阻和电子电荷之积与入射光子能量之比。故要提高响应度，需提高量子产额，增大增量电阻（减小反向饱和电流）-2023/7/2210.4.光伏型红外探测器－主要性能指标光伏探测器的响应时间影响因素：光生载流子在准中性N或P区扩散到耗尽区所需的时间，光生载流子漂移同过耗尽区所需的时间耗尽区的电容，结电容也是影响响应时间的重要因素。解决方法：要设法使结靠近表面－浅结，要使得结尽量薄但考虑到耗尽区电容应小，结不能太薄。光伏探测器的探测率D*噪声来源主要是散粒噪声。公式为工程上常采用的探测率公式，其中(AjRi)1/2为探测器结面积与增量电阻乘积的平方根值，是判断光伏器件性能优劣的重要判据，常称为光伏探测器的优值。光伏探测器工作在光电二极管模式下时，P-N结两端加上反向偏压，散弹噪声将减小一半，从而在探测背景极限时，光伏探测器的探测率比光电导的高21/2倍。这也是光伏探测器的优点之一。-2023/7/2210.4.光伏型红外探测器－工作模式常用于无外加偏压情况，此时器件功耗极低，特别适用于大规模两位列阵。如后接放大器的输入阻抗高，入射信号是通过器件电压变化检出信号，为光伏模式。若后接放大器的输入阻抗很低，光信号通过二极管短路电流变化检出。在高频使用时，常采用反偏以减小耗尽区电容和相应的时间常数。光平行于结平面照射光伏探测器光垂直照射P-N结结平面的光伏探测器-2023/7/2210.4.光伏型红外探测器－常用材料Hg1-xCdxTe光伏探测器材料响应速度高，用于激光辐射探测十分有利，特别是光通讯或在激光雷达中，作10.6μmCO2激光外差探测。PbSnTe光伏探测器 8~14μm,InAs和InSb多年前就由商品，77K，列阵探测器光谱响应均匀性好，性能接近背景极限，已和硅CCD耦合制成焦平面器件。其它薄膜铅盐光伏型探测器。-2023/7/2210.5.红外焦平面阵列探测器单片式红外焦平面阵列混成式红外焦平面阵列Z平面红外焦平面由红外探测器和具有扫描功能的信号读出器组合而成的红外焦平面阵列，是凝视型红外热成像系统的核心。红外焦平面阵列包括光敏元件和信号处理两个部分，可采用不同的光子探测器、信号电荷读出器及多路传输。IR-CCD基本结构-2023/7/2210.5.红外焦平面阵列探测器-2023/7/2210.5.红外焦平面阵列探测器－单片式单片式又称整体式，可分为两种情况CCD本身就对红外敏感，故探测、转移功能于一体。红外探测器与CCD作在同一基底上，基底通常为Si，而探测器部分常用非本征材料，基本结构为金属－绝缘物－半导体。典型情况分：本征窄带半导体IR-CCD非本征半导体IR-CCD肖特基势垒IR－CCD-2023/7/22肖特基势垒光电探测器－工作原理工作原理：金属淀积在半导体表面而形成的具有单向导电，整流作用的金属半导体接触－肖特基势垒隧道效应：随着掺杂浓度提高，空间电荷区变窄，肖特基势垒变薄，出现穿透几率迅速升高，穿透形成的电流为隧道电流，该隧道电流会超过热电子发射产生的电流。半导体中的费米能级高于金属中的费米能级，两者接触后，为使费米能级达到平衡，在接触面电子流向金属，电子电荷分布在金属层10-10m以内，半导体的表面层形成空间电荷区厚几个μm。结果，半导体附近能带弯曲，形成势垒，势垒阻挡金属与半导体内的电子交换，形成高阻层。正偏时，肖特基势垒不变，金属流向半导体的电子数不变，形成大正向电流。反偏时，流过势垒的电子流主要为金属向半导体方向，故电流很小，所以肖特基势垒只能单向导电。肖特基势垒光二极管结构-2023/7/22肖特基势垒光电探测器－工作原理流经肖特基势垒的电子流密度主要经过四个过程半导体电子越过势垒进入金属－热发射；电子由量子力学隧道穿过势垒；－隧道电流；空间电荷区电子与空穴的复合；金属向半导体的少数载流子（空穴）注入。对于理想的肖特基势垒二极管，通常以1过程为主，并可忽略少数载流子的注入影响。正偏压下肖特基势垒的载流子输运过程-2023/7/22肖特基势垒光电探测器－工作原理工作原理：辐射透过硅照在硅化物上产生热空穴，这些空穴能越过势垒进入到硅基底，从而在硅化物一边的电极上积累负电荷，形成信号，由于铝层的反射作用，硅化物对辐射的吸收增强，可使灵敏度提高一个数量级。改进的肖特基势垒IR-CCD

肖特基势垒工作原理-2023/7/22肖特基势垒光电探测器－工作模式Eg>hυ>eφB,V<VB-击穿电压，金属中的激发电子穿过肖特基势垒，收集于半导体；hυ>Eg,V<VB-入射辐射产生电子空穴对，P-I-N光电二极管模式hυ>Eg,V≈VB高反偏压，雪崩光二极管工作模式。肖特基势垒光二极管的几种工作方式应用特点：可直接用Si集成电路工艺，制成FPA。基于热电子发射的原理，其均匀性比一般的红外探测器（由于其载流子寿命、扩散长度，合金组分不均匀）FPA强100倍。典型材料：PtSi阵列，工作波段3~5μm-2023/7/2210.5.红外焦平面阵列探测器－混成式根本特点：把探测器和CCD移位寄存器分开，CCD仍用普通硅制成，工艺相对成熟，而对几个重要的红外波段，都已经发展了性能优良的本征红外探测器。因此，将两者耦合起来组成混合焦平面技术，能获得高量子效率高性能的红外FPA。前照结构：探测器在前面受到照射，电信号就在这同一面上被抽出。－填充因子受到一定影响。背照结构：要求镶嵌探测器有薄的光敏层，在光敏层上吸收辐射，产生的光生载流子从背面扩散到前面，被P-N结检测到信号。－填充因子高，目前FPA大多基于这种结构。混合互连方式混合红外焦平面(a)前照射结构(b)背照射结构-2023/7/2210.5.红外焦平面阵列探测器－Z平面技术根本特点：不同于单片式与混成式的二维FPA方式，所谓Z平面：是一块立体的FPA，这是将信号读出及处理功能的芯片（包括低噪声前放、滤波器和多路传输等）采用叠层的方式组装起来，形成信号处理模块，再把模块与探测器和输入／输出线等连接在一起。该技术可用于光导型、光伏型等各种探测器信号的读出／处理。Z平面焦平面阵列原理示意图-2023/7/2210.6

非制冷焦平面阵列探测器非制冷焦平面热成像技术的特点特点由于没有制冷系统，故具有低成本、低功耗、长寿命、小型化和可靠性等优点，是当前热成像技术发展和应用的热点之一。非制冷焦平面探测器的类型热电型非制冷焦平面阵列钛酸锶钡(BaxSr1-xTiO3,BST)：美国德克萨斯仪器公司(TI)，80年代末至90年代初钛酸锆铅(PbxZi1-xTiO3,PZT)和钛酸钪铅(PST)：英国GEC-马可尼材料技术公司(GMMT)，90年代初微测辐射热计(Micro-Bolometer)非制冷焦平面阵列美国Honeywell公司电阻型VOx非制冷焦平面探测器(90年代初)法国Sofradir公司研制并批量生产多晶硅型非制冷焦平面；澳大利亚国防科技署采用非晶、微晶和多晶等研制成功单片式非致冷焦平面；日本防卫厅技术研究和开发研究所温差电堆热像传感器。非致冷焦平面技术的应用-2023/7/22

热释电型非制冷焦平面阵列BST器件采用1英寸40脚DIP封装,328245像元，像元尺寸48.548.5m2，包括探测器恒温热电致冷器、温度传感器及机械斩波器。现已研制出640480元阵列，像元尺寸20~30m的焦平面阵列。系统重量约1.36kg,NETD<0.1K,视频信号,可探测700m远的人，性能虽只是致冷型热像仪的1/3左右，但价格只有1/10。TI公司建立非致冷传感器生产线,96年100套/月，97年提高到1000套/月，上世纪末提高到5000套/月。美国Loral红外成像系统公司研制热释电焦平面阵列192128，像元尺寸为3535m2，典型的NETD<0.1K(f/1)。10.6

非制冷焦平面阵列探测器-2023/7/22热释电型非制冷焦平面阵列PZT非制冷焦平面90年已制成直径为10m，间距为100m(现间距为40m)的100100像元探测器阵列，用于为国防研究局(DRA)/英国宇航公司的新一代轻型反装甲武器NLAW4的轻型夜间瞄准具、Pyro2500Gecsentry

手持热像仪和美国Cairn公司消防头盔热像仪；93年GMMT收到英国国防部STAIRS计划A类装置的武器瞄准具演示器合同，STAIRSA推荐新一族热瞄具最终来取代英国TICM设备系列；94年DRA和GMMT研制出256128像元,节距为56m的探测器阵列(钛酸钪铅PST)，并在96年得到384288像元，节距为40m的探测器阵列，典型的NETD为0.1K，并可望达到0.05K。10.6

非制冷焦平面阵列探测器-2023/7/22Honeywell公司开发的微测辐射热计10.6

非制冷焦平面阵列探测器微测辐射热计：以VOx，多晶硅或非晶硅等薄膜为热敏材料，采用微机械加工技术(MEMS)把探测器做成微桥结构，探测器在IC－CMOS读出电路衬底上做成悬空的微桥，使之形成良好的热隔离探测器吸收红外辐射，产生温升，热敏材料的电阻率发生变化，在外接电路的作用下输出响应信号。与热释电FPA相比：采用硅集成技术，成本低，有好的线性响应和高动态范围，像元间绝缘性好，串音少，图像清晰度高低1/f噪声，高帧速，和潜在的高灵敏度（理论上可达0.01K)。但偏置电路功耗大，噪声带宽宽。-2023/7/2210.6

非制冷焦平面阵列探测器微测辐射热计阵列Honeywell公司VOx非制冷焦平面采用5050m2像元,像元数320240(336240),电阻温度系数TCR典型范围为1.5~2.5%，NETD=0.04~0.06K，功耗约40mW。专利转让给Amber工程公司、波音北美公司、休斯圣巴巴拉研究中心SBRC、联合技术系统公司及洛克希德·马丁公司。1996年Amber公司推出非致冷测辐射热计热像仪,工作波段8~14m，NETD=0.1K(f/1)，重量1.9kg，体积9.510.725.4cm3，视频输出(30帧/秒)，可与256256像元的InSb焦平面热像仪图像质量相媲美。1997年SBRC研制的非致冷测辐射热计焦平面热像仪；北美波音公司已成为氧化钒微测辐射热计焦平面阵列的批发供应商，其阵列产品的型号为U3000，60Hz帧频提供单通道的信号输出。Honeywell公司开发的微测辐射热计-2023/7/22微测辐射热计阵列法国Sofradir公司批量生产多晶硅型非制冷焦平面探测器是目前可能进入中国市场的非制冷焦平面技术。其他非制冷焦平面探测器日本防卫厅和日本电气公司用N型和P型多晶硅作热电材料制作出了128×128像元的热电堆焦平面阵列10.6

非制冷焦平面阵列探测器

热电堆红外焦平面阵列的像元结构

-2023/7/22非制冷焦平面热成像技术的应用美国陆军的便携式发射后不管的“标枪”反坦克武器；美国陆军总结沙漠风暴经验后，提出布雷德利战车(BFV)配备184套驾驶员视觉增强器DVE的改造计划，DVE还将用于HEMTT、PLS、FMTV等陆军后勤车辆上;美国陆军已研制成功类似AN/PVS－5的头盔夜视仪，重量约1.3kg，其中传感器重量只有0.68kg;美军夜视和电子传感器已订购30具改进型样机；联合技术系统公司将非致冷红外技术应用于军事项目，如精确制导弹药和子母弹系统、微辐射热计与雷达传感器组成的具有探测、捕获和跟踪功能的先进双模寻的器、远距离警戒系统及目标单独作战武器计划的武器瞄准系统，认为对于向21世纪步兵提供先进能力具有积极作用；10.6

非制冷焦平面阵列探测器-2023/7/22

非制冷焦平面热成像技术的应用荷兰皇家陆军与SignaalUSFA公司和Delft传感器公司签订合同，研制轻型红外观察夜视(LION)非致冷热瞄具，96年中完成样机，97年交付300套产品。LION采用GMMT的256128元的PST探测器阵列，工作波段8~13m，配105视场的3光学系统，重量2kg，体积102024cm3，功耗7W，启动时间<5s，平均故障间隔时间MTBF>5000h，2m以外就听不到噪声。在良好能见度下，对标准坦克的探测、识别和认清的距离分别为2240m/790m/400m，而在能见度较差时分别为1630m/705m/375m；TI公司“夜瞄具”200系列摄像机是目前标价最低的非致冷热像仪，本土价约8100美元，主要为警用和汽车夜间驾驶仪；洛克希德·马丁红外成像系统公司LTC500摄像机用于医学研究和医疗诊断；IRSolutions公司的IRSnapshot摄像机用于检测和预防维修，可提供假彩色图像显示，NETD约0.2K。10.6

非制冷焦平面阵列探测器-2023/7/22非制冷焦平面热成像技术的应用美国ElectroPhysics公司95年研制了民用非制冷焦平面热像仪PV320,采用BST320240阵列，光谱响应2~14m，像元尺寸48.548.5m2,MRTD<0.2C(@22C)，测温范围-18~523C，水平分辨力>300TVL，体积1411.411.4cm3，重量2.27kg,工作温度-40C~54C，存贮温度-40C~80C，输出视频信号RS-170(60HzB&W)。外形设计类似摄像头，价格较低，适合于二次研究和开发。价格<US$2万元。EP公司与LifesightFireResearch公司开发了消防热像仪LifesightPlus,体积26.71415.2cm3,重量2.7kg,功耗9W,视场角50,焦距18mm,全防水,带有300m图像发射功能,可供前线指挥员了解现场情况。97年美国缅因州南波特兰市消防局对正在使用的消防热像仪Iris,ISI,Argus和LifesightPlus进行了客观的性能测评，LifesightPlus最佳，将成为该消防局今后的主选型号之一,价格<US$2.5万元;10.6

非制冷焦平面阵列探测器-2023/7/22非制冷焦平面热成像技术的应用瑞典Agema公司TV-570热像仪采用微测辐射热计焦平面探测器，外形类似“掌中宝”，价格约60万。美国Inframetrics公司ThermacamUltraX95系列热像仪采用微测辐射热计焦平面，外形类似“掌中宝”，价格约65万；上述公司目前均被美国FLIR公司收购。目前国内市场得到主要是法国Sofradir公司生产的多晶硅型非制冷焦平面探测器。10.6

非制冷焦平面阵列探测器-2023/7/22非制冷焦平面热成像技术的发展趋势

欧美已形成几个技术联盟：英国DRA、美国红外测量公司的非制冷技术再投资联盟(ULTRA)、洛拉尔红外和成像系统公司的红外非制冷传感器联盟(CIRUS)、TI公司的第三个团体以及日本的非制冷焦平面技术研究机构。美国的三个团体1995年以来一直实施平行的技术再投资计划，与美国国防高级研究计划局保持联系。目前非制冷红外焦平面探测器在欧美本土随批量有较大的价格变动空间，最底已可达$1万美元以下,整机系统价格可在$2万美元左右，但普遍认为随着技术进步和大批量生产，将使性能提高而价格大幅度地降低。目前两种非制冷焦平面技术途径都具有良好的发展前景：测辐射热计阵列不需斩波和工艺条件等原因，一般更看好其发展前景，但由于其需要偏置，存在功耗及发热；DRA及TI对热电非制冷焦平面技术的发展也充满信心，TI公司、美国陆军及美国联合两用计划办公室共同投资2400万美元，用于降低军用和民用非制冷热像仪的成本。10.6

非制冷焦平面阵列探测器-2023/7/22非制冷焦平面热成像技术的发展趋势信心来自市场需求和器件性能的发展，除军事应用外，非制冷红外热像仪在其它夜视、消防、工艺控制、质量控制、机器人、搜索与救援、边境巡逻、车辆防撞、警戒和医疗诊断等领域有良好的市场潜力。如美国每年对消防头盔的需求就有10万具以上；目前在未来型车辆上安装红外热像仪作为夜/雾观察和/或威胁报警系统已成为多方面实施的步骤。

非制冷焦平面探测器掀起了红外技术的一场革命，在目前非制冷技术发展初期要预测其未来的商业应用，可能