紅外探測(cè)器課件

1、紅外探測(cè)工藝和應(yīng)推薦設(shè)備的培訓(xùn)2第一章 紅外探測(cè)器發(fā)展3 紅外材料和器件的發(fā)展決定了紅外技術(shù)的發(fā)展水平。實(shí)現(xiàn)高性能和低成本的紅外探測(cè)器技術(shù)，既是紅外技術(shù)自身發(fā)展的必然，也是一個(gè)國家現(xiàn)代化軍事和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求1.1研究紅外的重要性51.3紅外材料及器件歷史 紅外材料與器件的發(fā)展相輔相成，每一種新材料的出現(xiàn)都極大的推動(dòng)器件的發(fā)展，與此同時(shí)，材料品質(zhì)的好壞也制約著器件的最佳性能。美、英、法等西方國家一直高度重視紅外材料和探測(cè)器的發(fā)展，投入了大量的人力財(cái)力進(jìn)行研究，并引領(lǐng)紅外技術(shù)的發(fā)展。紅外材料與器件的歷史就是一部不斷尋找、開發(fā)新材料、新器件技術(shù)的歷史。6 1800年，郝謝爾（F.W.Hersch

2、el）使用水銀溫度計(jì)在太陽光譜中發(fā)現(xiàn)了紅外輻射的存在，這種水銀溫度計(jì)便是最原始的熱敏型紅外探測(cè)器。隨后出現(xiàn)了熱電偶、熱電堆、測(cè)熱輻射計(jì)。第二次世界大戰(zhàn)使人嗎認(rèn)識(shí)到了紅外技術(shù)在軍事上的巨大潛力，開始重新重視發(fā)展紅外技術(shù)，積極尋找新的材料和制作方法。先后涌現(xiàn)出硫化鉛、硒化鉛、銻化銦、碲鎘汞、參雜硅、鉑硅等紅外體材料及對(duì)應(yīng)的探測(cè)器1.3紅外材料及器件歷史7 隨著紅外探測(cè)器的發(fā)展及性能的提高，先后出現(xiàn)了，第一代、第二代和第三代紅外探測(cè)器。與此對(duì)應(yīng)，有第一代、第二代和第三代紅外系統(tǒng)。 第一代像素規(guī)模小于100，對(duì)目標(biāo)成像需要機(jī)械掃描。第二代紅外探測(cè)器的像素元規(guī)模為10萬左右，如320X256或384X2

3、88規(guī)格。第三代的規(guī)模達(dá)到1024X1024以上，另外，能夠進(jìn)行雙色或多波段探測(cè)，在高溫或非制冷條件下工作。1.3紅外材料及器件歷史8 隨著半導(dǎo)體薄膜技術(shù)的發(fā)展，紅外探測(cè)器材料獲得了長足的發(fā)展。采用分子束外延（MBE）、有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）等薄膜材料生長技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在不同襯底上外延生長大面積、均勻性好的高質(zhì)量紅外薄膜材料，客服紅外體材料大面積生長困難、均勻性差等技術(shù)問題，使大面陣焦平面探測(cè)器技術(shù)成為可能，推動(dòng)了第三代紅外探測(cè)器的發(fā)展1.3紅外材料及器件歷史10 紅外輻射在空氣傳播中會(huì)發(fā)射反射、吸收和透射，特別是吸收會(huì)使得傳播的能量受到損失。大氣對(duì)紅外輻射吸收較少的波段稱之為“大氣窗口

4、”。Atmosphere Windows 1-3 m (SWIR) : 透射率大于80%，3-5 m (MWIR) :透射率60-70% 8-14 m (LWIR) :透射率80%1.4紅外探測(cè)三個(gè)重要波段122.1紅外探測(cè)器的分類（按照工作模式）14光子探測(cè)器的原理及相應(yīng)的探測(cè)器分類 效應(yīng)相應(yīng)的探測(cè)器外光電效應(yīng)光陰發(fā)射光電子光電倍增管內(nèi)光電效應(yīng)（1）光電導(dǎo)效應(yīng)光導(dǎo)管或光敏電阻（2）光生伏特效應(yīng) PN結(jié)和PIN結(jié)（零偏） PN結(jié)和PIN結(jié)（反偏） 雪崩 肖特基勢(shì)壘 p-n-p結(jié)和n-p-n結(jié) 異質(zhì)結(jié)光電池光電二極管雪崩光電二極管肖特基勢(shì)壘光電二極管光電三極管量子阱紅外探測(cè)測(cè)器（3）光電磁效應(yīng)光

5、電磁探測(cè)器15熱探測(cè)器的原理及相應(yīng)的探測(cè)器分類 效應(yīng)相應(yīng)的探測(cè)器（1）測(cè)輻射熱計(jì) 負(fù)電阻溫度系數(shù) 正電阻溫度系數(shù) 超導(dǎo)熱敏電阻測(cè)輻射熱計(jì)金屬測(cè)輻射熱計(jì)超導(dǎo)遠(yuǎn)紅外探測(cè)器（2）溫差電效應(yīng)熱電偶、熱電堆（3）熱釋電效應(yīng)熱釋電探測(cè)器（4）其它高萊盒，液晶等光熱效應(yīng)162.2 熱紅外與光子紅外探測(cè)器對(duì)比性能熱紅外探測(cè)器光子紅外探測(cè)器靈敏度較低高響應(yīng)時(shí)間較長（ms）短光譜響應(yīng)理論上無關(guān)特定波長敏感工作條件室溫需要制冷成本低高17單元器件2.3光子紅外探測(cè)器器件182.3光子紅外探測(cè)器器件線列結(jié)構(gòu)202.4紅外探測(cè)器的分類（按照工作溫度分類）紅外探測(cè)器按照工作溫度分類可以分為制冷型和非制冷型212.5紅外探

6、測(cè)器的分類（按探測(cè)材料分類）常見探測(cè)器 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn)HgCdTe 探測(cè)器本征吸收、帶隙可調(diào)、高探測(cè)率、高量子效率、高響應(yīng)速率、低功耗、低暗電流HgCdTe薄膜均勻性差帶來探測(cè)率和探測(cè)波長的不確定性、缺 陷密度較高、成品率較低、機(jī)械強(qiáng)度較差、襯底昂貴且面積小類超晶格探測(cè)器 InAs/InGaSb本征吸收、較大的帶隙調(diào)節(jié)范圍、高探測(cè)率、可吸收正入射光、高吸收系數(shù)、高量子效率分子束外延生長工藝技術(shù)不夠 成熟、暗電流較高、襯底價(jià)格較高且質(zhì)量不如GaAs材料量子阱紅外探測(cè)器GaAs/AlGaAs帶隙可調(diào)、大面積均勻性好、 成熟的/族半導(dǎo)體工藝、 高成品率、低成本、高響應(yīng) 速率、抗輻射非本征吸收、量子效率較

7、低、暗電流較高、不吸收正入射光量子點(diǎn)紅外探測(cè)器InAs/ GaAs QDs響應(yīng)垂直入射,工作溫度高,響應(yīng)光譜可調(diào)、暗電流低量子點(diǎn)均勻性難以保證、量子 效低，吸收效率低23 Hg1-XCdXTe（MCT）是CdTe和HgTe的連續(xù)固溶體，CdTe是一種半導(dǎo)體，禁帶寬度約1.6eV，而HgTe是一種半金屬，禁帶寬度約為-0.3eV，用這兩種化合物組成的三元化合物具有隨組份不同而連續(xù)變化的、輪廓分明的帶寬結(jié)構(gòu)，而不像單質(zhì)和正規(guī)化合物半導(dǎo)體那樣被固定在某一帶寬結(jié)構(gòu)上。3.1 HgCdTe的材料特性24Hg1-XCdXTe可以通過調(diào)整組份x來調(diào)整其禁帶寬度，從而調(diào)整探測(cè)器的響應(yīng)波段HgCdTe材料為本征

8、激發(fā)，具有高的吸收系數(shù)和很高的量子效率（可超過80%），且有高的探測(cè)率HgCdTe在同樣的響應(yīng)波段，工作溫度較高，且工作的溫度范圍較寬，例如在8um14um波段，Ge：Hg紅外探測(cè)器需要工作在38K，而HgCdTe則可以在80K3.2 HgCdTe材料優(yōu)點(diǎn)Hg1-XCdXTe成為一種接近理想紅外探測(cè)器材料主要有以下優(yōu)點(diǎn)26第四章紅外焦平面探測(cè)器（IRFPA）27原理：焦平面上排列著感光元件陣列，入射光線經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)成像在系統(tǒng)焦平面的這些感光元件上，探測(cè)器將接受到光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并通過信號(hào)讀出電路(包括積分放大、采樣保持和多路傳輸系統(tǒng))輸出形成圖像。4.1 IRFPA原理與結(jié)構(gòu)MCT襯底銦柱Si讀出電路28紅外焦平面探測(cè)器芯片組結(jié)構(gòu)30光伏型HgCdTe焦平面探測(cè)器的兩種掃描方式：（a）掃描型 和（b）凝視型(a)(b)314.2 IRFPA器件工藝CdZnTe襯底AR coatingHgCdTen-HgCdTeHgCdTeP-HgCdTeP-HgCdTe324.3 IRFPA銦柱工藝AR coatingCdZnTe襯底n-HgCdTeP-HgCdTe334.4 IRFPA倒裝工藝Si信號(hào)處理n-HgCdTeAR coatingCdZnTe襯底P-HgCdTe34第五章 對(duì)應(yīng)工藝設(shè)備推薦35亞科