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n n10.1.红外探测器的分类n n10.2.红外探测器的工作条件与性能参数n n10.3.光电导型红外探测器n n10.4.光伏型红外探测器n n10.5.红外焦平面阵列探测器n n10.6.非致冷红外焦平面阵列探测器n n10.7.量子阱红外探测器-2024/7/182024/7/1810.1 红外探测器的分类,按波长分：按波长分：近红外近红外:0.7630.763m m中红外：中红外：3636m m远红外：远红外：815815m m,按工作温度分：按工作温度分：低温探测器低温探测器中温探测器中温探测器室温探测器室温探测器,按用途和结构分：按用途和结构分：单元探测器单元探测器多元探测器多元探测器凝视列阵探测器凝视列阵探测器,按工作转换机理分按工作转换机理分：热敏探测器热敏探测器（热电效应）（热电效应）ll热释电摄像管（如热释电摄像管（如TGSTGS等）等）ll热探测器阵列热探测器阵列YY热释电型非制冷焦平面阵列热释电型非制冷焦平面阵列YY微测辐射热计非制冷焦平面阵列（微测辐射热计非制冷焦平面阵列（Micro-BolometerMicro-Bolometer ）YY微测辐射热电堆微测辐射热电堆光子探测器光子探测器（光电效应）（光电效应）ll光电导探测器（光电导探测器（PCPC效应）效应）ll光伏探测器（光伏探测器（PVPV效应）效应）ll肖特基势垒探测器（肖特基势垒探测器（PtSiPtSi探测器）探测器）ll量子阱探测器量子阱探测器-2024/7/182024/7/1810.1 红外探测器的分类n n热电效应热电效应：吸收红外辐射后，产生温升，伴随着温：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，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，气体体积和压强电阻率变化，自发极化强度变化，气体体积和压强变化等。变化等。n n只需测量其中一种物理量的变化，便知其吸收红外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入射的能量和功率n n利用各类热电效应制成的热探测器利用各类热电效应制成的热探测器：n n热电偶：测量温差电动势的变化热电偶：测量温差电动势的变化n n热敏电阻（或电阻测辐射热计）：测量电阻率的变化热敏电阻（或电阻测辐射热计）：测量电阻率的变化n n气体探测器（高莱盒）：测量气体压强的变化气体探测器（高莱盒）：测量气体压强的变化n n热释电探测器：测量自发极化强度的变化热释电探测器：测量自发极化强度的变化-2024/7/182024/7/1810.1 红外探测器的分类n n光光电电效效应应：某某些些固固体体受受到到红红外外辐辐射射的的照照射射后后，其其中中的的电电子子直直接接吸吸收收红红外外辐辐射射而而发发生生运运动动状状态态的的改改变变，从从而而导导致致该该固固体体的的某某种种电学参量的改变，这种电学性质的改变统称固体的光电效应。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。利利利利用用用用光光光光电电电电效效效效应应应应制制制制成成成成的的的的红红红红外外外外探探探探测测测测器器器器为为为为光光光光子子子子探探探探测测测测器器器器或或或或光光光光电电电电探探探探测测测测器器器器，这这这这类类类类探探探探测测测测器器器器依依依依赖赖赖赖内内内内部部部部电电电电子子子子直直直直接接接接吸吸吸吸收收收收红红红红外外外外辐辐辐辐射射射射，不不不不需需需需要要要要经经经经过过过过加加加加热热热热物物物物体的过程，因此反应时间快体的过程，因此反应时间快体的过程，因此反应时间快体的过程，因此反应时间快。n n光光电电导导效效应应：当当红红外外辐辐射射入入射射到到半半导导体体器器件件上上，会会使使体体内内一一些些电电子子和和空空穴穴从从原原来来不不导导电电的的束束缚缚状状态态转转变变成成能能导导电电的的自自由由状状态态，从从而使半导体的电导率增加，这种现象为光电导效应。而使半导体的电导率增加，这种现象为光电导效应。n n光光伏伏效效应应：在在半半导导体体P-NP-N结结及及其其附附近近区区域域吸吸收收能能量量足足够够大大的的光光子子后后，在在结结区区及及结结的的附附近近释释放放出出少少数数载载流流子子（自自由由电电子子或或空空穴穴）它它们们在在结结区区附附近近靠靠扩扩散散进进入入结结区区，而而在在结结区区内内则则受受内内建建电电场场的的作作用用，电电子子漂漂移移到到N N区区，空空穴穴漂漂移移到到P P区区，如如果果P-NP-N结结开开路路，则则两两端端会会产产生电压。这种现象为光生伏特效应。生电压。这种现象为光生伏特效应。-2024/7/182024/7/1810.1 红外探测器的分类n n光光磁磁电电效效应应：当当红红外外光光入入射射到到半半导导体体表表面面，如如有有外外磁磁场场存存在在，则则半半导导体体表表面面附附近近产产生生的的电电子子空空穴穴对对在在半半导导体体内内部部扩扩散散的的过过程程中中，电电子子和和空空穴穴各各偏偏向向一一侧侧，因因而而在在半半导导体体两两端端产产生生电电位位差差，这种现象为光磁电效应。这种现象为光磁电效应。n n各类光子型探测器各类光子型探测器n n光光电电子子发发射射探探测测器器：红红外外光光阴阴极极等等利利用用外外光光电电效效应应工工作作的的探测器。探测器。n n光电导探测器（光电导探测器（PCPC器件器件）：利用光电导效应工作的探测器。）：利用光电导效应工作的探测器。n n光伏探测器（光伏探测器（PVPV器件）器件）：利用光伏效应工作的探测器。：利用光伏效应工作的探测器。n n光磁电探测器光磁电探测器：利用光磁电效应制成的红外探测器。：利用光磁电效应制成的红外探测器。n n肖特基势垒器件：光子牵引效应。肖特基势垒器件：光子牵引效应。n n量子阱器件：利用量子阱效应。量子阱器件：利用量子阱效应。-2024/7/182024/7/1810.2.红外探测器的工作条件与性能指标评评价价红红外外探探测测器器的的性性能能的的指指标标称称为为性性能能优优值值，即即其其性性能能参参数数。因因一一个个探探测测器器的的性性能能参参数数往往往往与与其其测测量量方方法法和和使使用用条条件件，几几何何尺尺寸寸等等物物理理性性质质相相关关故故讨讨论论红红外外探探测测器器性性能能指指标标的的同同时时，需说明其工作条件。需说明其工作条件。工作条件工作条件n n入入射射辐辐射射的的光光谱谱分分布布：对对探探测测器器进进行行性性能能描描述述时时，必必须须说说明明入入射射到到探探测测器器响响应应平平面面的的光光谱谱分分布布及及空空间间辐辐射射功功率率。实实验验室室多多采采用用500K500K黑黑体体辐辐射射源源作信号源。作信号源。n n探探测测器器的的几几何何参参数数：探探测测器器面面积积（标标称称面面积积、有有效效面面积积），形形状状及及接接收收入射辐射信号的立体角入射辐射信号的立体角n n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。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。n n有有效效面面积积：若若s s为为响响应应平平面面，R(x,y)R(x,y)为为对对应应点点的的响响应应度度，则则有有效效面面积积定义为定义为-2024/7/182024/7/18红外探测器的工作条件n n探探测测器器接接收收辐辐射射信信号号的的立立体体角角：辐辐射射信信号号入入射射方方向向上上以以入入射射角的余弦作为角的余弦作为权重的立体角权重的立体角。n n标称权重立体角：制造商提供的立体角。标称权重立体角：制造商提供的立体角。n n有有效效权权重重立立体体角角：设设,为为轴轴线线垂垂直直于于响响应应平平面面的的球球坐坐标标系系的的极极角角和和方方位位角角；R(x,y,R(x,y,)为为探探测测器器响响应应平平面面s s上上某某点点(x,y)(x,y)对对(,)方方向向入入射射辐辐射射的的响响应应度，度，则则有效有效权权重立体角重立体角为为：对对于于响响应应度度与与方方位位角角无无关关的的圆圆形形对对称称探探测测器器若若响响应应元元中中心心到到探探测测器器光光阑阑的的视视场场角角为为，其其权权重重立立体体角角交交可可简简化化为为：=sin(sin(/2)/2)，若若为朗伯探测器，则为朗伯探测器，则=。n n探探测测器器的的输输出出信信号号：输输出出信信号号电电压压的的振振幅幅是是施施加加在在探探测测器器的的偏偏置置电电源源b b，辐辐射射调调制制频频率率f f，波波长长及及入入射射辐辐射射功功率率P Ps s的函数。即：的函数。即：V Vs s=V=Vs s(b,f,(b,f,P,Ps s)-2024/7/182024/7/18红外探测器的工作条件n n探探测测器器的的工工作作温温度度与与背背景景：不不致致冷冷时时指指环环境境温温度度，致致冷冷时时指指致致冷冷的的标标称称温温度度。背背景景辐辐射射：由由探探测测器器的视场和被背景照射的光谱范围来描述。的视场和被背景照射的光谱范围来描述。n n探测器的阻抗探测器的阻抗：n n探探测测器器两两端端瞬瞬时时电电压压V(t)V(t)对对通通过过探探测测器器的的瞬瞬时时电电流流i(t)i(t)的的导导数数，包包括括容容抗抗和和直直流流阻阻抗抗。多多数数探探测测器器的的阻阻抗抗与与纯纯电电阻阻等等效效，100 100 以以下下为为低低阻阻器器件件，需需与与放放大大器器做做变变压压器器耦耦合合，100 100 1M 1M 为为中中阻阻器器件件,最最容容易易与与放放大大器器匹匹配配;1M;1M 以以上上为为高高阻阻器器件件，需需高高阻阻抗抗放放大大器器输输入入才能匹配。才能匹配。n n特特殊殊工工作作条条件件：对对于于某某些些特特殊殊器器件件，还还有有湿湿度度、入射辐射功率、视场立体角、以及背景温度等。入射辐射功率、视场立体角、以及背景温度等。-2024/7/182024/7/1810.2.红外探测器的工作条件与性能指标n n红外探测器的性能参数红外探测器的性能参数n n响响应应度度R R：描描述述入入射射到到探探测测器器上上的的单单位位辐辐射射功功率率所所产产生生的的信信号号大大小小能能力力的的性性能能参参数数：红红外外辐辐射射垂垂直直入入射射到到探探测测器器光光敏敏元元上上，探探测测器器输输出出信信号号电电压压均均方方根根值值VsVs与入射辐射功率均方根值与入射辐射功率均方根值PsPs之比。之比。n n噪噪声声等等效效功功率率NEPNEP：红红外外辐辐射射信信号号入入射射到到探探测测器器响响应应平平面面上上，若若产产生生的的电电输输出出信信号号的的均均方方根根值值正正好好等等于于探探测测器器本本身身在在单单位位带带宽宽内内的的噪噪声声均均方方根根值值（信信噪噪比比为为1 1）时时，探探测测器器表表面面所所接接收收到到的的入入射射辐辐射射功功率率均均方根之为方根之为NEPNEP。-2024/7/182024/7/18红外探测器的性能指标n n探探测测率率D D和和归归一一化化探探测测率率D*D*：D=1/NEPD=1/NEP；因因大大多多数数红红外外探探测测器器的的NEPNEP与与光光敏敏面面积积的的平平方方根根成成正正比比，还还与与放放大大器器的的带带宽宽 f f有有关关，因因此此NEPNEP的的数数值值很很难难比比较较两两个个不不同同探探测测器器的的性性能能优优劣。而定劣。而定义归义归一化探一化探测测率率D*D*实实际际上上是是探探测测器器单单位位面面积积、单单位位放放大大器器带带宽宽，单单位位辐辐射射功功率率所所获获得的信噪比。得的信噪比。一一般般D*D*与与调调制制频频率率f f、辐辐射射源源与与工工作作条条件件有有关关，单单位位为为cmHzcmHz1/21/2/W/W。黑黑体体源源测测得得的的D*D*称称为为黑黑体体探探测测率率，用用D*(T,D*(T,f f,1),1)表示，表示，1 1表示表示单单位位带宽带宽，T T多数情况下多数情况下为为500K500K。n n响响应应时时间间（或或时时间间常常数数）：指指探探测测器器将将入入射射辐辐射射转转变变为为电电输出的弛豫时间，是表示探测器工作速度的一个定量参数。输出的弛豫时间，是表示探测器工作速度的一个定量参数。-2024/7/182024/7/18红外探测器的性能指标n n还可以利用频率响应来描述响应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，其随调制频率的变化有如公式，其中中R(0)R(0)为零频下的响应度，由此为零频下的响应度，由此关系规定的响应时间关系规定的响应时间为响应度为响应度下降到最大值的下降到最大值的0.7070.707时的角频率时的角频率(2(2f)f)的倒数值。的倒数值。n n有些探测器有两个响应时间。有些探测器有两个响应时间。n n其它指标其它指标n n响应度与辐射强度之间的线性关系响应度与辐射强度之间的线性关系n n响应度的均匀性响应度的均匀性n n与光学系统匹配时，接收面积与光与光学系统匹配时，接收面积与光学系统所成像的大小相同学系统所成像的大小相同n n与前置放大器连用时，探测器内阻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。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-2024/7/182024/7/1810.3.光电导型红外探测器n n光电导探测器的工作原理与性能分析n nSPRITE探测器n nSPRITESPRITE探测器的工作原理及结构探测器的工作原理及结构n nSPRITESPRITE探测器的性能指标探测器的性能指标n n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，就会附加电导率产生。当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。-2024/7/182024/7/1810.3.光电导型红外探测器工作原理与性能分析n n光电导探测器的基本概念和基本方程n n光电导探测器的分类光电导探测器的分类n n入射光强的衰减规律入射光强的衰减规律n n激发率和复合率激发率和复合率n n光生载流子的基本方程光生载流子的基本方程n n本征光电导探测器的性能分析n n响应度响应度n n探测率探测率n n响应时间响应时间n n调制信号的影响调制信号的影响-2024/7/182024/7/1810.3.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n n光电导探测器按其基本激发过程光电导探测器按其基本激发过程可分为可分为：n n本征光电导探测器本征光电导探测器：入射红外辐射：入射红外辐射的光子能量大于半导体禁带宽度，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使电子从价带激发到导带而改变其光电导率。光电导率。其优点是工作温度比非本征型高。其优点是工作温度比非本征型高。n n杂质光电导探测器杂质光电导探测器：入射辐射激发：入射辐射激发杂质能级上的电子或空穴而改变其杂质能级上的电子或空穴而改变其电导率，电导率，其优点是长波效应较好。其优点是长波效应较好。n n自由载流子探测器自由载流子探测器：材料吸收光子：材料吸收光子后不引起载流子数量的变化，而是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。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，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。以降低能量向晶格转移。-2024/7/182024/7/1810.3.光电导型红外探测器工作原理n n入射光强的衰减规律入射光强的衰减规律：辐射进入探测器后，辐照辐射进入探测器后，辐照度要逐渐衰减，若材料度要逐渐衰减，若材料的吸收比为的吸收比为，则在，则在z z到到z+dzz+dz处，其辐照度衰减处，其辐照度衰减的量值可写成的量值可写成dEdE，设探，设探测器表面反射率为测器表面反射率为，z=0z=0时入射到表面处的时入射到表面处的照度为照度为E E0 0，则有辐射度，则有辐射度随厚度的衰减公式随厚度的衰减公式由此可见，辐照度随厚度由此可见，辐照度随厚度增加而呈指数衰减。增加而呈指数衰减。入射光强随厚度变化-2024/7/182024/7/1810.3.光电导型红外探测器工作原理n n激发率与复合率激发率与复合率n n单位时间、单位体积内吸收的光子能量：单位时间、单位体积内吸收的光子能量：n n被吸收的光子数：被吸收的光子数：n n量子效率量子效率：探测器吸收一个光子：探测器吸收一个光子（h h=E=Eg g)所产生的电子空穴对的数目所产生的电子空穴对的数目n n体激发率体激发率Q Q：单位时间、单位体积内所产生：单位时间、单位体积内所产生的电子空穴对数的电子空穴对数n n在本征半导体材料中，通常在本征半导体材料中，通常 1 1，若探，若探测器厚度为测器厚度为d d，略去下表面的反射，略去下表面的反射，平均体平均体激发率激发率为：为：n n当入射光强减小到初始值的当入射光强减小到初始值的1/e1/e时，光经过时，光经过的距离称为的距离称为光的有效透射深度光的有效透射深度，其值为，其值为1/1/。n n一般的本征半导体吸收很强，一般的本征半导体吸收很强，InSbInSb材料探材料探测器的吸收系数测器的吸收系数约为约为10104 4/cm/cm，即表面，即表面1 1m m就达到了有效透射深度，此后的入射光的就达到了有效透射深度，此后的入射光的影响可以忽略。故，影响可以忽略。故，在满足在满足e e(-(-d)d)111条条件件下下，减减少少探探测测器器厚厚度度有有利利于于提提高高响响应应度；度；5.5.减少反射，镀增透膜也是提高响应度的好办法。减少反射，镀增透膜也是提高响应度的好办法。-2024/7/182024/7/1810.3.光电导型红外探测器性能分析n n本征光电导探测器的探测率Dn n对本征光电导探测器，可以不考对本征光电导探测器，可以不考虑虑1/f1/f噪声时，主要噪声为热噪声噪声时，主要噪声为热噪声和产生复合和产生复合(G-R)(G-R)噪声。噪声。n n热噪声产生的噪声电压常记为：热噪声产生的噪声电压常记为：其中其中R Rd d为探测器等效电阻，为探测器等效电阻，f f为为测量仪器噪声等效带宽。测量仪器噪声等效带宽。n n产生复合噪声产生的噪声电压常产生复合噪声产生的噪声电压常表示为。其中表示为。其中V V0 0为外置偏压，为外置偏压，P Ps s为入射到探测器表面的辐射功率。为入射到探测器表面的辐射功率。n n按定义有按定义有D Dv v*n n更多时候，更多时候，D Dv v*只受一种噪声限制只受一种噪声限制-2024/7/182024/7/1810.3.光电导型红外探测器性能分析n n本征光电导探测器的响应时间n n弱弱光光入入射射时时，上上升升情情况况：根根据据载载流流子子浓浓度度随随时时间间上上升升的的微微分分方方程程，且且t=0t=0时时，载载流流子子浓浓度度变变化化量量为为0 0，可可解解得得：式式中中 p p0 0为为稳稳定定值值，故故载载流流子子随随时时间间按按指指数数规规律律上上升升至至稳稳定定值值。显显然然载载流流子子寿寿命命越越长长，曲曲线线上上升升越越慢慢。光光生生载载流流子子数数目目随随时时间间上上升升到到稳稳定定值值的的(1-1/e)(1-1/e)时时所所需的需的时间为时间为上升上升时间时间。n n下下降降情情况况：若若t=0t=0时时停停止止光光照照，则则微微分分方方程程中中的的产产生生激激发发的的载载流流子子数数量量Q Q为为0 0，解解得得又又一一个个指指数数方方程程。显显然然依依然然是是载载流流子子寿寿命命越越长长，下下降降响响应应越越慢慢。光光生生载载流流子子浓浓度度 p p0 0由由随随时时间间下下降降1/e1/e时时所所需需的的时时间间为为下降响下降响应时间应时间。光电导探测器的驰豫现象(或滞后现象)t-2024/7/182024/7/18本征光电导探测器的调制信号的影响n n为为适适应应高高速速运运动动目目标标的的变变化化，有有时时对对入入射射光光要要进进行行调调制制。当当使使用用调调制制频频率率为为f f的的余余弦弦波波形形来来调调制制时时，有有辐辐射射照照度度或或体体激激发率的表达形式：发率的表达形式：n n光生载流子浓度变化光生载流子浓度变化 p p的基本方程为：的基本方程为：n n若若记记 p=p=p p1 1+p p2 2,前前者者为为与与时时间间无无关关量量，后者后者为为与与时间时间相关量，相关量，则则:n n考考虑虑调调制制的的影影响响，仅仅需需讨讨论论随随时时间间变变化化的的部部分分，省省去去下下标标并并用用复复数数表表示示，可可解解得得n n其中振幅和相位表达式其中振幅和相位表达式为为：n n载载流子流子浓浓度度变变化量化量 p p可写成：可写成：n n从从而而得得到到调调制制光光入入射射时时输输出出信信号号电电压压，及及其其均均方方根根电电压压表表示示的的信信号号。显显然然，f f越越高，信号越低。高，信号越低。n n按按响响应应度度定定义义可可得得响响应应度度与与调调制制频频率率的的关系式：关系式：n n响响应应度度随随着着f f增增加加而而减减少少，故故对对于于载载流流子子寿寿命命一一定定的的材材料料，应应选选择择适适当当的的调调制制频频率，以防响率，以防响应应度度损损失失过过多。多。n n目目标标运运动动速速度度不不同同，应应选选择择不不同同的的调调制制频频率。率。-2024/7/182024/7/18p和n 的漂移过程10.3.10.3.光电导型红外探测器光电导型红外探测器 SPRITESPRITE探测器原理与结构探测器原理与结构n n工作原理及结构工作原理及结构扫出效应扫出效应n n当当红红外外光光照照射射到到两两端端加加有有固固定定电电压压的的N N型型半半导导体体上上，光光生生载载流流子子将将经经历历产产生生、复复合合、扩扩散散和和漂漂移移的的过过程程，其其浓浓度度变变化化形形式式可可写写成成公公式式，其其中中D D和和 为为双双极极扩扩散散系系数数和和双双极迁移率。极迁移率。n n漂移是由于电场漂移是由于电场E E作用下，且作用下，且n n与与p p不等造成的。不等造成的。n n若若n=pn=p，0,0,则则无无漂漂移移运运动动；若若npnp，则则 p p,D=D,D=Dp p，即即 p p以以p p的速度运动。的速度运动。n n为保持电中性，为保持电中性，n n和和 p p沿同一方向运动，沿同一方向运动，n n因因为为有有非非平平衡衡载载流流子子存存在在，电电中中性性难难以以满满足足，则则 n n和和 p p不重合产生附加电场。它同不重合产生附加电场。它同E E反向，使之消弱。反向，使之消弱。n n在在被被消消弱弱的的电电场场区区，多多子子（电电子子）的的漂漂移移速速度度降降低低，而而该该区区两两端端电电子子速速度度不不变变，导导致致左左端端电电子子浓浓度度降降低低，右右端端增加，相当增加，相当 n n于向右漂移。于向右漂移。n n总总体体呈呈现现出出，当当 p p前前进进时时，n n也也跟跟着着前前进进，用用这这种种方方法法就就可可以以实实现现 p p分分布布的的自自动动扫扫描描，这这种种效效应应称称为为“扫扫出出效效应应”。SPRITESPRITESPRITESPRITE(Signal(Signal(Signal(Signal Processing Processing Processing Processing in in in in The The The The Elements)(Elements)(Elements)(Elements)()探探探探测测测测器器器器属属属属于于于于光光光光电电电电导导导导效效效效应应应应型型型型探探探探测测测测器器器器，但但但但由由由由于于于于这这这这种种种种探探探探测测测测器器器器利利利利用用用用了了了了红红红红外外外外图图图图像像像像扫扫扫扫描描描描速速速速度度度度与与与与光光光光生生生生载载载载流流流流子子子子双双双双极极极极运运运运动动动动速速速速度度度度相相相相等等等等的的的的原原原原理理理理，实实实实现现现现了了了了在在在在器器器器件件件件内内内内部部部部进进进进行行行行信信信信号号号号探探探探测测测测、时时时时间间间间延延延延迟迟迟迟和和和和积积积积分分分分的的的的三三三三种种种种功功功功能能能能，大大大大大大大大简简简简化化化化了了了了焦焦焦焦平平平平面面面面外外外外的的的的电电电电子子子子线线线线路路路路，从从从从而而而而使使使使探探探探测测测测器器器器尺尺尺尺寸寸寸寸、重重重重量量量量、成成成成本本本本显显显显著著著著下下下下降降降降，并并并并提提提提高高高高了了了了工工工工作作作作可可可可靠靠靠靠性性性性，依依依依据据据据其其其其原原原原理理理理，也也也也称称称称之之之之为为为为“扫扫扫扫积积积积型型型型探探探探测测测测器器器器”。是是是是80808080年年年年代代代代英英英英国国国国人人人人为为为为高高高高性性性性能能能能实实实实时时时时热热热热成成成成像像像像系系系系统统统统研研研研制制制制出出出出的的的的新新新新型型型型红外探测器。红外探测器。红外探测器。红外探测器。-2024/7/182024/7/1810.3.10.3.光电导型红外探测器光电导型红外探测器 SPRITESPRITE探测器原理与结构探测器原理与结构n n由由由由于于于于扫扫扫扫出出出出效效效效应应应应的的的的存存存存在在在在,当当当当光光光光照照照照射射射射样样样样品品品品时时时时,光光光光信信信信号号号号会会会会自自自自动动动动转移出去，从而可以实现光信号的积累和延迟叠加。转移出去，从而可以实现光信号的积累和延迟叠加。转移出去，从而可以实现光信号的积累和延迟叠加。转移出去，从而可以实现光信号的积累和延迟叠加。n n实实实实现现现现SPRITESPRITE探探探探测测测测器器器器信信信信号号号号积积积积累累累累和和和和延延延延迟迟迟迟的的的的必必必必要要要要条条条条件件件件红红红红外外外外图图图图像像像像扫扫扫扫描描描描速速速速度度度度等等等等于于于于非非非非平平平平衡衡衡衡载载载载流流流流子子子子的的的的双双双双极极极极运运运运动动动动漂漂漂漂移移移移速度速度速度速度。n n双双双双极极极极运运运运动动动动漂漂漂漂移移移移速速速速度度度度与与与与材材材材料料料料的的的的少少少少数数数数载载载载流流流流子子子子迁迁迁迁移移移移率率率率和和和和外外外外置偏压大小有关，置偏压大小有关，置偏压大小有关，置偏压大小有关，n n如如如如果果果果偏偏偏偏压压压压足足足足够够够够大大大大，非非非非平平平平衡衡衡衡少少少少子子子子将将将将全全全全部部部部或或或或大大大大部部部部分分分分扫出扫出扫出扫出，n n若若若若电电电电场场场场场场场场强强强强过过过过小小小小，非非非非平平平平衡衡衡衡少少少少子子子子漂漂漂漂移移移移长长长长度度度度小小小小于于于于器器器器件长度，则光生少子将在体内复合件长度，则光生少子将在体内复合件长度，则光生少子将在体内复合件长度，则光生少子将在体内复合n n设设设设一一一一稳稳稳稳定定定定的的的的红红红红外外外外辐辐辐辐射射射射入入入入射射射射到到到到SPRITESPRITE探探探探测测测测器器器器的的的的x x0 0处处处处，若若若若忽忽忽忽略略略略陷陷陷陷阱阱阱阱效效效效应应应应及及及及表表表表面面面面复复复复合合合合，并并并并在在在在强强强强电电电电场场场场作作作作用用用用下下下下忽忽忽忽略略略略非非非非平平平平衡衡衡衡载载载载流流流流子子子子的的的的扩扩扩扩散散散散，则则则则沿沿沿沿探探探探测测测测器器器器长长长长度度度度方方方方向向向向x x处处处处的的的的光光光光生生生生载载载载流流流流子子子子的的的的稳稳稳稳态态态态方方方方程程程程可可可可写写写写成成成成：式式式式中中中中L L 为为为为空空空空穴穴穴穴的的的的牵牵牵牵引长度。引长度。引长度。引长度。n nL L 若若若若大大大大于于于于样样样样品品品品长长长长度度度度，则则则则在在在在 时时时时间间间间内内内内 p p将将将将移移移移出出出出体体体体外外外外，反反反反之之之之，将将将将只只只只有有有有部部部部分分分分 p p能能能能移移移移出出出出体体体体外外外外，在在在在SPRITESPRITE探探探探测测器器器器中中中中，L L L L为为为为全全全全部部部部扫扫扫扫出出出出条条条条件件件件，可可可可推推推推知知知知此此此此时时时时SPRITESPRITE探探探探测测测测器器器器两端所加电压为两端所加电压为两端所加电压为两端所加电压为V V0 0，为临界扫出电压。，为临界扫出电压。，为临界扫出电压。，为临界扫出电压。SPRITE探测器工作原理示意图-2024/7/182024/7/1810.3.10.3.光电导型红外探测器光电导型红外探测器 SPRITESPRITE探测器原理与结构探测器原理与结构n n典型的典型的SPRITESPRITE探测器的结构探测器的结构n n八条八条N N型型HgCdTeHgCdTe样条构成，样条构成，n n每每条条尺尺寸寸（700700 62.5)62.5)m m2 2，厚厚度度1010m,m,样条间距样条间距12.512.5m m。n n读出区长度读出区长度5050m m，宽度，宽度3535m m。n n每每条条大大约约等等效效于于1010 1212个个分分立立单单元探测器。元探测器。n n当当扫扫描描点点进进入入读读出出区区时时，p p将将调调制制读读出出区区电电压压从从而而有有信信号号输输出。出。SPRITE探测器的实际结构-2024/7/182024/7/1810.3.10.3.光电导型红外探测器光电导型红外探测器 SPRITESPRITE探测器的响应度探测器的响应度n n设设探探测测器器截截面面为为w w w w，读读出出长长度度lwllLl。外外加加电电场场为为E E。在在足足够够强强的的外外电电场场作作用用下下，光光生生载载流流子子的的稳稳态态方方程程不不受受非非平平衡载流子的扩散影响。衡载流子的扩散影响。n n求求解解微微分分方方程程得得到到光光点点照照射射像像元元上上，信信号号所所产产生生的的非非平平衡衡载载流流子子浓浓度度随随着着扫扫描描位位置置的变化关系。的变化关系。n n当当扫扫描描像像元元到到达达读读出出区区时时，即即x=Lx=L，有有公公式式，其中其中t t为光生载流子在器件中的渡越时间。为光生载流子在器件中的渡越时间。n n进进而而求求得得光光生生载载流流子子的的光光电电流流强强度度，和和开开路电压。路电压。n n响应度按定义可写成：响应度按定义可写成：n n当当反反射射损损失失很很小小，且且d1d1时时，可可简简化化写写成：成：设设设设N N型型型型光光光光电电电电导导导导体体体体，其其其其掺掺掺掺杂杂杂杂浓浓浓浓度度度度远远远远大大大大于于于于背背背背景景景景辐辐辐辐射射射射产产产产生生生生的的的的载载载载流流流流子子子子浓浓浓浓度度度度，非非非非平平平平衡衡衡衡载载载载流流流流子子子子寿寿寿寿命命命命远远远远大大大大于于于于双双双双极极极极漂漂漂漂移移移移时时时时间间间间，双双双双极极极极漂漂漂漂移移移移速速速速度度度度等等等等于于于于光光光光点点点点扫扫扫扫描描描描速速速速度度度度，有有有有稳稳稳稳定定定定的的的的红红红红外外外外辐辐辐辐射射射射照照照照射射射射到探测器，且沿长度方向自左向右连续扫描。到探测器，且沿长度方向自左向右连续扫描。到探测器，且沿长度方向自左向右连续扫描。到探测器，且沿长度方向自左向右连续扫描。-2024/7/182024/7/1810.3.10.3.光电导型红外探测器光电导型红外探测器 SPRITESPRITE探测器的响应度探测器的响应度n n分析响应度表达式，可探讨提高响应度的途径：分析响应度表达式，可探讨提高响应度的途径：n n增增大大E E会会增增大大焦焦耳耳热热，从从而而增增大大热热噪噪声声电电流流，故故增增大大E E应应该适当。该适当。n n增增大大载载流流子子寿寿命命，可可以以提提高高响响应应度度，故故可可通通过过探探测测器器表表面钝化技术来实现表面复合的影响降低到最低。面钝化技术来实现表面复合的影响降低到最低。n n可可采采用用制制冷冷技技术术，降降低低读读出出区区的的热热激激发发载载流流子子浓浓度度，提提高响应度，高响应度，n n减小表面反射损失，也是重要途径。减小表面反射损失，也是重要途径。-2024/7/182024/7/1810.3.10.3.光电导型红外探测器光电导型红外探测器 SPRITESPRITE探测器的探测率探测器的探测率D*D*D*BlipD*Blip为面积为为面积为w*ww*w单元的光电导探测器受背景限制的探测率。单元的光电导探测器受背景限制的探测率。S S为为单单位位时时间间通通过过读读出出区区的的像像素素数数，像像素素大大小小为为w*ww*w，称称为为像像素素速速率率，也也可可写成写成F F为积累因子。为积累因子。n n当当F1F1时时，即即积积累累的的原原因因，可可以以预预期期SPRITESPRITE探探测测器器的的探探测测率率要要比相应分立列阵背景限探测率大，性能好；比相应分立列阵背景限探测率大，性能好；n n因因为为积积累累时时间间大大于于快快速速串串扫扫系系统统中中单单元元器器件件的的驻驻留留时时间间，故故可可以观察到更大的输出信号；以观察到更大的输出信号；n n因因为为信信号号与与积积累累时时间间成成正正比比，而而噪噪声声与与积积累累时时间间的的平平方方根根成成正正比比，故故信信噪噪比比与与积积累累时时间间的的平平方方根根成成正正比比，故故增增大大积积累累时时间间，有利于提高有利于提高S/NS/N。n nD*D*与与读读出出长长度度无无关关，但但过过高高的的扫扫描描速速度度会会使使响响应应度度下下降降，故故可可以以减减小小读读出出去去宽宽度度，增增大大l/wl/w的的比比值值，来来减减小小非非平平衡衡载载流流子子通通过过读出区的渡越时间。读出区的渡越时间。n n在在SPRITESPRITE探测器中，探测器中，S/NS/N与积累时间与积累时间成线性关系。成线性关系。-2024/7/182024/7/1810.3.光电导型红外探测器 SPRITE探测器的分辨力影响影响影响影响SPRITESPRITE探测器分辨能力的三个主要因素：探测器分辨能力的三个主要因素：探测器分辨能力的三个主要因素：探测器分辨能力的三个主要因素：非平衡载流子的扩散非平衡载流子的扩散非平衡载流子的扩散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图像扫描速度与光生载流子漂移速度的失配图像扫描速度与光生载流子漂移速度的失配图像扫描速度与光生载流子漂移速度的失配读出区长度。读出区长度。读出区长度。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。此外，读出区结构和背景辐射也会产生一定的影响。此外，读出区结构和背景辐射也会产生一定的影响。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：为减小扩散的影响，常用的两种技术：为减小扩散的影响，常用的两种技术：为减小扩散的影响，常用的两种技术：n n迴迴迴迴形形形形结结结结构构构构器器器器件件件件，选选选选择择择择偏偏偏偏压压压压场场场场，使使使使在在在在像像像像扫扫扫扫描描描描方方方方向向向向载载载载流流流流子子子子的的的的平平平平均均均均速速速速度度度度等等等等于于于于像像像像扫扫扫扫描描描描速速速速度度度度。因因因因此此此此在在在在该该该该方方方方向向向向载载载载流流流流子子子子的的的的有有有有效效效效扩扩扩扩散散散散长长长长度度度度减减减减小小小小一一一一个个个个因因因因子子子子W/YW/Y。WW为为为为器器器器件件件件总总总总宽宽宽宽度度度度，Y Y为器件实际宽度。为器件实际宽度。为器件实际宽度。为器件实际宽度。n nAnomorphicAnomorphic OpticOptic：使使使使像像像像在在在在扫扫扫扫描描描描方方方方向向向向增增增增加加加加放放放放大大大大，探探探探测测测测长长长长度度度度和和和和扫扫扫扫描描描描速速速速度度度度也也也也相相相相同同同同比比比比例例例例增增增增加加加加，而而而而载载载载流流流流子子子子扩扩扩扩散散散散长长长长度度度度仍然不变。仍然不变。仍然不变。仍然不变。迴形扫积型探测器-2024/7/182024/7/1810.3.光电导型红外探测器光电导探测器材料n n光电导红外探测器对材料的要求：光电导红外探测器对材料的要求：光电导红外探测器对材料的要求：光电导红外探测器对材料的要求：n n应满足波长响应的要求应满足波长响应的要求应满足波长响应的要求应满足波长响应的要求n n热激发产生的热激发产生的热激发产生的热激发产生的G-RG-R噪声应远小于背景噪声应远小于背景噪声应远小于背景噪声应远小于背景辐射光子噪声，即暗电流应小于背景辐射光子噪声，即暗电流应小于背景辐射光子噪声，即暗电流应小于背景辐射光子噪声，即暗电流应小于背景电流电流电流电流n n热噪声电流应远小于背景辐射光子噪热噪声电流应远小于背景辐射光子噪热噪声电流应远小于背景辐射光子噪热噪声电流应远小于背景辐射光子噪声电流声电流声电流声电流n n高的线性吸收系数和量子效率高的线性吸收系数和量子效率高的线性吸收系数和量子效率高的线性吸收系数和量子效率n n常用的光电导红外探测器：常用的光电导红外探测器：常用的光电导红外探测器：常用的光电导红外探测器：n nHgHg1-x1-xCdCdx xTe Te（MCTMCT）814814m,77Km,77Km,77Km,77Kn nInSb InSb InSb InSb 3535m,77Km,77Km,77Km,77Kn nPbS,PbSePbS,PbSePbS,PbSePbS,PbSe 13.513.5m,m,m,m,室温室温室温室温n n非本征激发光电导材料，如掺杂非本征激发光电导材料，如掺杂非本征激发光电导材料，如掺杂非本征激发光电导材料，如掺杂SiSiSiSi，可在三个大气窗口都有响应探测器，可在三个大气窗口都有响应探测器，可在三个大气窗口都有响应探测器，可在三个大气窗口都有响应探测器，因工艺简单通用，易于制造大面积阵因工艺简单通用，易于制造大面积阵因工艺简单通用，易于制造大面积阵因工艺简单通用，易于制造大面积阵列，往往也要在列，往往也要在列，往往也要在列，往往也要在77K77K77K77K下工作。下工作。下工作。下工作。几种探测器的探测率与波长的关系-2024/7/182024/7/1810.3.光电导型红外探测器光电导探测器材料n n光电导红外探测器的工光电导红外探测器的工光电导红外探测器的工光电导红外探测器的工作模式：作模式：作模式：作模式：n n探测器与负载电阻串联，探测器与负载电阻串联，探测器与负载电阻串联，探测器与负载电阻串联，并连接直流偏压。并连接直流偏压。并连接直流偏压。并连接直流偏压。n n低于低阻探测器，常取低于低阻探测器，常取低于低阻探测器，常取低于低阻探测器，常取固定电流电路，这时串固定电流电路，这时串固定电流电路，这时串固定电流电路，这时串联电阻比元件电阻大得联电阻比元件电阻大得联电阻比元件电阻大得联电阻比元件电阻大得多，探测器上的电压变多，探测器上的电压变多，探测器上的电压变多，探测器上的电压变化作为检测信号输出。化作为检测信号输出。化作为检测信号输出。化作为检测信号输出。n n对于高阻探测器，采用对于高阻探测器，采用对于高阻探测器，采用对于高阻探测器，采用固定电压电路更好，以固定电压电路更好，以固定电压电路更好，以固定电压电路更好，以电路中电流的变化为输电路中电流的变化为输电路中电流的变化为输电路中电流的变化为输出信号。出信号。出信号。出信号。光电导探测器工作电路示意图-2024/7/182024/7/1810.4.光伏型红外探测器n n光伏效应的原理及性能分析n n基本关系式基本关系式n n主要性能指标主要性能指标n n光伏探测器的工作模式n n光伏探测器的常用材料光伏探测器：其基本部分是一个PN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)。|+-2024/7/182024/7/1810.4.光伏型红外探测器工作原理n n按按照照光光伏伏效效应应的的理理论论，当当V V表表示示光光生生电电动动势势时时，则则光光照照下下，P-NP-N结结的的势势垒垒高高度度从从原原来来的的eVeV0 0变变为为e(Ve(V0 0-V)-V)，结结区区附近附近N N区中少子浓度获得的增量为区中少子浓度获得的增量为n n当当光光照照射射到到P-NP-N结结上上时时，N N区区的的少少子子浓度为浓度为p pn n这这些些多多余余的的少少子子，一一面面不不断断注注入入，一一面面不不断断向向体体内内扩扩散散，在在结结区区引引起起的的空空穴穴电电流流密密度度为为J Jp p，同同理理可可写写出出结结区区的的电子电流密度电子电流密度J Je e。n n通通过过P-NP-N结结的的总总的的光光生生电电流流密密度度可可分分为为电电子子、空空穴穴电电流流密密度度的的和和，也也可可写写成含反向饱和电流密度的表达式。成含反向饱和电流密度的表达式。n n进而可得光生电压。进而可得光生电压。n n当当弱弱光光照照射射时时，由由于于光光生生电电流流密密度度hh ee B B,VV,V E Eg g,VV,V E Eg g,VV,VVB B高高反反偏偏压压，雪雪崩崩光二极管工作模式。光二极管工作模式。肖特基势垒光二极管的几种工作方式n n应用特点：应用特点：n n可直接用可直接用SiSi集成电路工艺，制成集成电路工艺，制成FPAFPA。基于热电子发射的原理，其均匀性。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）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）FPAFPA强强100100倍。倍。n n典型材料：典型材料：PtSiPtSi阵列，工作波段阵列，工作波段35 35 m m-2024/7/182024/7/1810.5.红外焦平面阵列探测器混成式n n根根本本特特点点：把把探探测测器器和和CCDCCD移移位位寄寄存存器器分分开开，CCDCCD仍仍用用普普通通硅硅制制成成，工工艺艺相相对对成成熟熟，而而对对几几个个重重要要的的红红外外波波段段，都都已已经经发发展展了了性性能能优优良良的的本本征征红红外外探探测测器器。因因此此，将将两两者者耦耦合合起起来来组组成成混混合合焦焦平平面面技技术术，能能获获得得高高量量子子效效率率高高性能的红外性能的红外FPAFPA。n n前前照照结结构构：探探测测器器在在前前面面受受到到照照射射，电电信信号号就就在在这这同同一一面面上上被被抽抽出出。填填充因子受到一定影响。充因子受到一定影响。n n背背照照结结构构：要要求求镶镶嵌嵌探探测测器器有有薄薄的的光光敏敏层层，在在光光敏敏层层上上吸吸收收辐辐射射，产产生生的的光光生生载载流流子子从从背背面面扩扩散散到到前前面面，被被P-NP-N结结检检测测到到信信号号。填填充充因因子子高高，目目前前FPAFPA大多基于这种结构。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-2024/7/182024/7/1810.5.红外焦平面阵列探测器Z平面技术n n根根本本特特点点：不不同同于于单单片片式式与与混混成成式式的的二二维维FPAFPA方方式式，所所谓谓Z Z平平面面：是是一一块块立立体体的的FPAFPA，这这是是将将信信号号读读出出及及处处理理功功能能的的芯芯片片（包包括括低低噪噪声声前前放放、滤滤波波器器和和多多路路传传输输等等）采采用用叠叠层层的的方方式式组组装装起起来来，形形成成信信号号处处理理模模块块，再再把把模模块块与与探探测测器器和和输输入入输输出出线线等等连连接在一起。接在一起。n n该该技技术术可可用用于于光光导导型型、光光伏伏型型等等各各种种探探测测器器信信号号的的读读出出处理。处理。Z平面焦平面阵列原理示意图-2024/7/182024/7/1810.6 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非制冷焦平面热成像技术的特点FF特特 点点由于没有制冷系统，故由于没有制冷系统，故具有低成本、低功耗、长寿命、小型化和可靠性等优点，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。是当前热成像技术发展和应用的热点之一。FF非制冷焦平面探测器的类型非制冷焦平面探测器的类型热电型非制冷焦平面阵列热电型非制冷焦平面阵列钛钛酸酸锶锶钡钡(BaBax xSrSr1-x1-xTiOTiO3 3,BST)BST)：美美国国德德克克萨萨斯斯仪仪器器公公司司(TI)TI)，8080年年代代末末至至9090年年代初代初钛钛酸酸锆锆铅铅(PbPbx xZiZi1-x1-xTiOTiO3 3,PZT)PZT)和和钛钛酸酸钪钪铅铅(PST)PST)：英英国国GEC-GEC-马马可可尼尼材材料料技技术术公公司司(GMMT)GMMT)，9090年代初年代初微测辐射热计微测辐射热计(Micro-Bolometer)Micro-Bolometer)非制冷焦平面阵列非制冷焦平面阵列美国美国HoneywellHoneywell公司电阻型公司电阻型VOVOx x非制冷焦平面探测器非制冷焦平面探测器(90(90年代初年代初)法国法国SofradirSofradir公司研制并批量生产多晶硅型非制冷焦平面；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；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。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非致冷焦平面技术的应用-2024/7/182024/7/18,热释电型非制冷焦平面阵列热释电型非制冷焦平面阵列BSTBST器器件件采采用用1 1英英寸寸4040脚脚DIPDIP封封装装,328328 245245像像元元，像像元元尺尺寸寸48.548.5 48.548.5 mm2 2，包包括括探探测测器器恒恒温温热热电电致致冷冷器器、温温度度传传感感器器及及机机械械斩斩波波器器。现已研制出现已研制出640640 480480元阵列，像元尺寸元阵列，像元尺寸20302030 mm的焦平面阵列。的焦平面阵列。系系统统重重量量约约1.361.36kg,kg,NETDNETD0.10.1K,K,视视频频信信号号,可可探探测测700700mm远远的的人人，性性能能虽只是致冷型热像仪的虽只是致冷型热像仪的1/31/3左右，但价格只有左右，但价格只有1/101/10。TITI公公司司建建立立非非致致冷冷传传感感器器生生产产线线,9696年年100100套套/月月，9797年年提提高高到到10001000套套/月，上世纪末提高到月，上世纪末提高到50005000套套/月。月。美国美国LoralLoral红外成像系统公司研制热释电焦平面阵列红外成像系统公司研制热释电焦平面阵列192192 128128，像元尺，像元