第7章_致冷型红外成像器件

1、第第7章章 致冷型红外成像器件致冷型红外成像器件 红外辐射的发现红外辐射的发现: 红外辐射是红外辐射是1800年由英国天文学家年由英国天文学家威廉赫谢威廉赫谢尔尔(Herschel)爵士发现的，他在重复牛顿著名的爵士发现的，他在重复牛顿著名的棱镜实验时，探测到紧邻可见光谱低频端的区域棱镜实验时，探测到紧邻可见光谱低频端的区域中存在的热量。中存在的热量。 1900年，普朗克推导出了普朗克辐射定律，并定年，普朗克推导出了普朗克辐射定律，并定量地预计出黑体辐射能量与温度和波长的函数关量地预计出黑体辐射能量与温度和波长的函数关系。系。X射线射线紫外线紫外线近红外线近红外线红外线短波红外线短波红外线中波

2、红外线中波红外线长波红外线长波微波微波波长单位为微米波长单位为微米 (m)10-410-20.280.400.702.006.008.0010415.00热测量热测量 红外线属于电磁辐射，同样具有光波的性质，在红外线属于电磁辐射，同样具有光波的性质，在真空中以光速直线传播，遵守同样的反射、折射、真空中以光速直线传播，遵守同样的反射、折射、衍射和偏振定律，区别只是波长衍射和偏振定律，区别只是波长( (频率频率) )不同而已。不同而已。 红外线波长范围：红外线波长范围： 在在0.75m 1000m红外线波长的短波端与可见红外线波长的短波端与可见光相接，波长的长波端与无光相接，波长的长波端与无线电的

3、微波线电的微波( (毫米波毫米波) )相连。相连。红外热像仪可以接收红外辐红外热像仪可以接收红外辐射并将其转换为温度。射并将其转换为温度。 红外波段分为红外波段分为短短波红外波红外( (SWIR)1SWIR)13m3m波 段 ，波 段 ， 中 波 红 外中 波 红 外( (MWIR)3MWIR)35m5m波段和波段和长波红外长波红外( (LWIR)8LWIR)814m14m波段。波段。大气红外透射曲线大气红外透射曲线大气对红外线吸收比较大气对红外线吸收比较少的波段，也就是透射少的波段，也就是透射率比较高的波段，被形率比较高的波段，被形象地称为象地称为“大气窗口大气窗口”。对应大气窗口的波段，对

4、应大气窗口的波段，开发利用比较充分开发利用比较充分 红外技术用于夜视，是由红外技术用于夜视，是由于其工作原理决定的，它于其工作原理决定的，它的许多特点使它不只用于的许多特点使它不只用于夜视，还可用于探测、跟夜视，还可用于探测、跟踪、侦察、告警、火控、踪、侦察、告警、火控、制导以及工业、农业、医制导以及工业、农业、医学、科研等各个领域。学、科研等各个领域。 红外技术的核心是高灵敏度地接收红外线，红外技术的核心是高灵敏度地接收红外线，并把它转变成电信号输出。并把它转变成电信号输出。图是热像仪图是热像仪夜间拍摄夜间拍摄的热图像，它是景物的的热图像，它是景物的热图，不受有无阳光照射的影响。热图，不受有

5、无阳光照射的影响。物物体体红外镜头红外镜头探测器探测器红外热图红外热图红外辐射红外辐射红外热像仪工作示意图红外热像仪是红外热像仪是全被动全被动接收仪器，依靠接收目标自接收仪器，依靠接收目标自身辐射的红外信号工作，对于其他精密电子仪器身辐射的红外信号工作，对于其他精密电子仪器设备没有任何干扰。设备没有任何干扰。电路处理电路处理热成像测量物体表面温度热成像测量物体表面温度 灵敏度高灵敏度高 空间分辨率高空间分辨率高目前最灵敏的热成像系统目前最灵敏的热成像系统能测出能测出0.010.01的温度变化的温度变化例如：点热成像系统例如：点热成像系统1s1s内内可测出可测出2020万个点。万个点。红外热像图

6、红外热像仪接收目标各部位辐射的红外能量，并将其转换为温度值，用不同的颜色标示不同的温度，以热像图方式在液晶屏上显示。可见光图可见光图 红外热像图红外热像图 红外辐射的应用红外辐射的应用: 红外线存在于自然界的任何角落，一切温度红外线存在于自然界的任何角落，一切温度高于绝对零度高于绝对零度的的有生命体和无生命体时时刻刻有生命体和无生命体时时刻刻都在不停地辐射红外线都在不停地辐射红外线。 太阳是红外线的巨大辐射源，整个星空都是红外线源，地球太阳是红外线的巨大辐射源，整个星空都是红外线源，地球上，无论高山，还是森林湖泊，冰天雪地，都在日夜不停地上，无论高山，还是森林湖泊，冰天雪地，都在日夜不停地放射

7、红外线，放射红外线， 特别是，活动在地面、水中和空中的军事装置，如坦克、车特别是，活动在地面、水中和空中的军事装置，如坦克、车辆、军舰、飞机等，由于有高温部位，往往形成强的红外辐辆、军舰、飞机等，由于有高温部位，往往形成强的红外辐射源。红外辐射的探测在军事上和民生上有广泛的应用需求。射源。红外辐射的探测在军事上和民生上有广泛的应用需求。 在二次世界大战开始前后，现代红外成像技术进入了初期阶在二次世界大战开始前后，现代红外成像技术进入了初期阶段，在五十年代和六十年代，使用单元致冷铅盐探测器制作段，在五十年代和六十年代，使用单元致冷铅盐探测器制作的红外传感器首次用于防空导弹寻的。从此开始了红外在军

8、的红外传感器首次用于防空导弹寻的。从此开始了红外在军事上应用事上应用. 目前，红外技术已经从军事应用，走向民用，在国民经济各目前，红外技术已经从军事应用，走向民用，在国民经济各领域发挥着巨大的作用。领域发挥着巨大的作用。 红外热像仪具有很高的军事应用价值和民用价值。红外热像仪具有很高的军事应用价值和民用价值。 在军事上在军事上，红外热像仪可应用于军事夜视侦查、，红外热像仪可应用于军事夜视侦查、武器瞄具、夜视导引、红外搜索和跟踪、卫星遥武器瞄具、夜视导引、红外搜索和跟踪、卫星遥感等多个领域；感等多个领域； 在民用方面在民用方面，红外热像仪可以用于材料缺陷的检，红外热像仪可以用于材料缺陷的检测与评

9、价、建筑节能评价、设备状态热诊断、生测与评价、建筑节能评价、设备状态热诊断、生产过程监控、自动测试、减灾防灾等诸多方面。产过程监控、自动测试、减灾防灾等诸多方面。 这种热像图与物体表面的热分布场相对应；这种热像图与物体表面的热分布场相对应； 实质上是被测目标物体各部分红外辐射的热像分实质上是被测目标物体各部分红外辐射的热像分布图由于信号非常弱，与可见光图像相比，缺少布图由于信号非常弱，与可见光图像相比，缺少层次和立体感，因此，在实际动作过程中为更有层次和立体感，因此，在实际动作过程中为更有效地判断被测目标的红外热分布场，常采用一些效地判断被测目标的红外热分布场，常采用一些辅助措施来增加仪器的实

10、用功能，如辅助措施来增加仪器的实用功能，如图像亮度图像亮度、对比度对比度的控制，的控制，实标校正实标校正，伪色彩描绘伪色彩描绘等技术。等技术。 红外应用 建筑检测 食品 警用安防 制造业 石化 预防性维护 造纸 科研/测试 冶金 电力 动物医疗 军事上卧室屋顶漏水建筑检测办公楼隔热玻璃办公楼隔热玻璃BCAM/BCAM SD/B2/B4/B360/B400食品冷冻的鸡肉食品制作过程中控制温度食品制作过程中控制温度警用安防树丛里的嫌疑犯树丛里的嫌疑犯地毯上的脚印地毯上的脚印夜视监视夜视监视 制造业芯片和电路板芯片和电路板电器产品电器产品石化预防性维护电器维护电器维护机械维护机械维护造纸温度不同温度

11、不同生产生产科研/测试飞机机翼飞机机翼冰箱保鲜冰箱保鲜冶金电力动物医疗 红外武器装备包括红外夜视、前视红外武器装备包括红外夜视、前视红外、侦察、告警、火控、跟踪、红外、侦察、告警、火控、跟踪、定位、精确制导和光电对抗等先进定位、精确制导和光电对抗等先进技术装备，对取得战场主动权和进技术装备，对取得战场主动权和进行夜战，发挥了突出作用。行夜战，发挥了突出作用。 有人统计从有人统计从19751985年，马年，马岛战争至两伊战争期间，被红外岛战争至两伊战争期间，被红外制导导弹击落的飞机，占飞机损制导导弹击落的飞机，占飞机损失总数的失总数的95。红外搜索跟踪仪。红外搜索跟踪仪的跟踪精度可以在的跟踪精度

12、可以在10以内，对以内，对超低空目标和掠海飞行目标的抗超低空目标和掠海飞行目标的抗干扰能力以及对多目标的选择跟干扰能力以及对多目标的选择跟踪能力，都是已有手段中最好的；踪能力，都是已有手段中最好的；“阿帕奇阿帕奇”武装直升机的红外侦察图像武装直升机的红外侦察图像 军事上的应用军事上的应用预警卫星装有高精度的预警卫星装有高精度的探测器探测器。始终。始终指向敌对方的地区。一旦敌方发射指向敌对方的地区。一旦敌方发射导导弹弹，卫星就可以探测出来，同时通过，卫星就可以探测出来，同时通过对飞行弹道进行计算，可以确定它的对飞行弹道进行计算，可以确定它的落点和攻击目标，并马上把信息传到落点和攻击目标，并马上把

13、信息传到本部指挥中心，提醒作好反击准备。本部指挥中心，提醒作好反击准备。一般的一般的洲际导弹洲际导弹要要飞行几十分种的飞行几十分种的时间，中程导弹也要飞时间，中程导弹也要飞行几分种到行几分种到十几分种的时间。预警卫星的报警十几分种的时间。预警卫星的报警就为自己一方赢得了宝贵的时间。就为自己一方赢得了宝贵的时间。美军近日在导弹防御上可谓不美军近日在导弹防御上可谓不惜血本，对导弹防御系统的资惜血本，对导弹防御系统的资金投入，到金投入，到2016年，其年度年，其年度费用将达费用将达150亿美元。亿美元。2012年年7月，朝鲜进行导弹试射时，月，朝鲜进行导弹试射时，美军的反导预警系统对朝鲜导美军的反导

14、预警系统对朝鲜导弹试射情况掌握得一清二楚。弹试射情况掌握得一清二楚。 卫星红外侦察卫星红外侦察、预预警警，可以在数十秒，可以在数十秒内探测到弹道导弹内探测到弹道导弹助推段火箭的发射。助推段火箭的发射。预警卫星预警卫星的红外望远镜，可以全的红外望远镜，可以全天候探测天候探测“飞毛腿飞毛腿”导弹发射，导弹发射，30s内就可探测到发动机喷射的内就可探测到发动机喷射的尾焰，为尾焰，为“反导反导”赢得了时间；赢得了时间；长波红外热像仪长波红外热像仪在夜间可看清战在夜间可看清战场目标，提高了飞机、坦克、战场目标，提高了飞机、坦克、战车的夜间作战能力和识别伪装目车的夜间作战能力和识别伪装目标的能力，海湾战争

15、中飞机轰炸标的能力，海湾战争中飞机轰炸主要是在夜间进行的。主要是在夜间进行的。从常规的夜间红外瞄准具到空间从常规的夜间红外瞄准具到空间的卫星拦截器都使用了的卫星拦截器都使用了红外技术红外技术红外成像装备及观察到的红外成像装备及观察到的F117图像图像 红外探测有两种主要形式：红外探测有两种主要形式： 第一类器件第一类器件 :需要需要致冷型致冷型的红外光量子型探测器件，的红外光量子型探测器件，这类器件是通过光致激发将光子直接转换成半导这类器件是通过光致激发将光子直接转换成半导体中的自由载流子。体中的自由载流子。 第二类器件第二类器件: 非致冷非致冷的量热型红外探测器件，在这的量热型红外探测器件，

16、在这类器件中，入射辐射被晶格吸收，由此而增加了类器件中，入射辐射被晶格吸收，由此而增加了晶格的温度并改变了探测器的电特性。晶格的温度并改变了探测器的电特性。 许多常温下物体的辐射光谱峰值都在许多常温下物体的辐射光谱峰值都在10m左右左右. 军事目标辐射的峰值在军事目标辐射的峰值在814m波段范围，这个波段是军波段范围，这个波段是军事探测、红外遥感的主要事探测、红外遥感的主要工作波段工作波段. 也是大功率也是大功率CO2激光器的工作波段，而且大气在这个波段激光器的工作波段，而且大气在这个波段的透过率高，常称为的透过率高，常称为大气第三个透过窗口大气第三个透过窗口。 人们希望有工作于常温或不很低的

17、低温而且人们希望有工作于常温或不很低的低温而且D*又高的本征又高的本征型光电导器件。根据本征光电效应工作原理，适合于型光电导器件。根据本征光电效应工作原理，适合于814m的波段的半导体材料，其的波段的半导体材料，其禁带宽度禁带宽度应为应为0.090.15eV. 但是已知所有单晶和化合物半导体材料中都不具备这么小但是已知所有单晶和化合物半导体材料中都不具备这么小的禁带宽度。人们用多元化合物达到了这一目的。的禁带宽度。人们用多元化合物达到了这一目的。碲镉汞碲镉汞（Hg1-xCdxTe，HgCdTe），简写为），简写为MCT或或CMT，是最常，是最常用的长波红外（用的长波红外（LWIR ，8-14m

18、）和中波红外（）和中波红外（MWIR，3-5m ）的）的探测器材料探测器材料。7.1 SPRITE红外探测器红外探测器7.1.1 碲镉汞的性质碲镉汞的性质 Hg1-xCdxTe是由二元是由二元CdTe和和HgTe构成的固溶体。构成的固溶体。CdTe的的禁带宽度较宽禁带宽度较宽，HgTe是半金属。通过不是半金属。通过不同的配比同的配比x（按摩尔数比），以及在不同的工作（按摩尔数比），以及在不同的工作温度温度T，可以得到不同的带隙的，可以得到不同的带隙的MCT。 研究指出，研究指出，Hg1-xCdxTe的禁带宽度的禁带宽度Eg可用经验公可用经验公式表示：式表示：43()0.25 1.595.233

19、 10(1 2.08 ) 0.327gE eVxTxx 在在0.17x77K时，计算结果同实验值时，计算结果同实验值相当一致。在相当一致。在x较小时，较小时，Eg同同x可视为呈直线关系，可视为呈直线关系，Eg变为：变为： 4() 5.233 10 (1 2.08 )gE eVx T所以所以Eg对对T的变化率为：的变化率为：45.23310(12.08 )gdExdT 从式（从式（7-3）可以看出，在）可以看出，在xL，则在，则在时间内时间内p完完全移出体外；全移出体外；如如漂移长度小于样品长度漂移长度小于样品长度L，即，即LdL，则在，则在时间内部分时间内部分p移移出体外；出体外；产生的空穴以

20、产生的空穴以E的漂移速度运动，的漂移速度运动，p的漂移速度的漂移速度vd=E产生的空穴在寿命期间漂移的长度，产生的空穴在寿命期间漂移的长度，p的漂移长度的漂移长度Ld=E 即即 全部扫出条件之一全部扫出条件之一，E=L 即即 临界扫出电压临界扫出电压 UL2/ 如果如果Ld=L，则样品中的，则样品中的p在在时间内正好完全移出体外。时间内正好完全移出体外。pxpEgtp 实现实现SPRITE探测器信号延迟和叠加的必要条件探测器信号延迟和叠加的必要条件是红外图像扫描速度是红外图像扫描速度vs等于非平衡少数载流子空等于非平衡少数载流子空穴的双极漂移速度。这可以认为是穴的双极漂移速度。这可以认为是全扫

21、出的条件全扫出的条件之二之二,即即 vs=vd， 双极漂移速度双极漂移速度vd与与n型型Hg1-xCdxTe材料少数载流材料少数载流子的迁移率子的迁移率p和加于长条的电场强度和加于长条的电场强度Ex有关。有关。 对于一定的材料，对于一定的材料，p是一定的，唯有外加电场强是一定的，唯有外加电场强度可以调节。度可以调节。 如果在器件允许的条件下所加电场强度足够高，如果在器件允许的条件下所加电场强度足够高，非平衡少数载流子被电场全部或大部分扫出，这非平衡少数载流子被电场全部或大部分扫出，这样就能实现信号的延迟和叠加；样就能实现信号的延迟和叠加；SPRITE探测器的结构探测器的结构图7-3 SPRIT

22、E探测器实际结构 典型的扫积型探测器典型的扫积型探测器8块块N型型MCT的细长条组成。每条长的细长条组成。每条长宽宽高高=70062.510m3。条间距。条间距12.5m，读出区，读出区长为长为50m，宽为，宽为35m。 每个细条有三个电极。一个电极为信号探针或读出端，每个细条有三个电极。一个电极为信号探针或读出端，另两端是欧姆接触的电源电极。读出电极结构有另两端是欧姆接触的电源电极。读出电极结构有音叉音叉、平角平角、楔形一平角形楔形一平角形。如图。如图7-4。 漂 移 区 读 出 区 平 角 形 读 出 羊 角 形 读 出 楔 形 -羊 角 读 出 图图7-4 SPRITE探测器读出电极结构

23、探测器读出电极结构7.2 红外焦平面阵列的结构和工作原理红外焦平面阵列的结构和工作原理 与与SPRITE探测器相比，阵列型红探测器相比，阵列型红外成像器件由阵列元组成，并处外成像器件由阵列元组成，并处于红外成像系统的焦平面上，常于红外成像系统的焦平面上，常称为称为红外焦平面阵列红外焦平面阵列（Infrared Focus Plane Array，IRFPA）。）。 红外焦平面阵列要求将高达红外焦平面阵列要求将高达106甚甚至更多的探测器单元至更多的探测器单元紧凑地封装紧凑地封装在焦平面上。在焦平面上。 红外焦平面器件已用于夜视、跟红外焦平面器件已用于夜视、跟踪、空间技术、无损探伤、温度踪、空间

24、技术、无损探伤、温度监测、天文、医学等广泛的领域，监测、天文、医学等广泛的领域，是新一代高性能的红外探测器，是新一代高性能的红外探测器，世界上许多国家在这方面开展研世界上许多国家在这方面开展研究，已经究，已经在军事上获得了应用。在军事上获得了应用。7.2.1 红外探测的工作原理红外探测的工作原理 无论是直接的还是间接的，红外探测器都是用来无论是直接的还是间接的，红外探测器都是用来把入射辐射转换成电信号。把入射辐射转换成电信号。 如前所述，光子探测器，是通过光致激发将光子如前所述，光子探测器，是通过光致激发将光子直接转换成半导体中的自由载流子。直接转换成半导体中的自由载流子。 目前有四种主要类型

25、的光子探测器，即目前有四种主要类型的光子探测器，即光电导、光电导、光伏、光伏、MIS结构和肖特基势垒型。结构和肖特基势垒型。图图 7-8 四种常用的红外探测器结构和与其有关的能带围。四种常用的红外探测器结构和与其有关的能带围。(a)光电导光电导(b)光伏光伏(c)金属金属-绝缘体绝缘体-半导体半导体(d)肖特基势垒肖特基势垒7.2.2 红外焦平面阵列特点红外焦平面阵列特点 红外焦平面阵列红外焦平面阵列(IRFPA，InfraRed Focus Plane Array)，其方法是将两维红外其方法是将两维红外探测阵列集成在带有探测阵列集成在带有多路传输读出电路的多路传输读出电路的器件上器件上,该器

26、件位于红该器件位于红外系统的焦平面上。外系统的焦平面上。属于凝视性器件。属于凝视性器件。 何为焦平面何为焦平面? CCD,CMOS在焦面上在焦面上. Sprite探测器不在焦面上探测器不在焦面上. 为何特别叫为何特别叫”红外焦平面红外焦平面”? 相对于红外相对于红外Sprite探测器探测器.,它不位于红外系统的它不位于红外系统的焦平面上焦平面上. 何为阵列何为阵列? 相对于分离的相对于分离的Sprite探测器探测器,它不是阵列它不是阵列. 何为凝视何为凝视? 相对于扫描型的红外相对于扫描型的红外Sprite探测器探测器. (1) 可见光可见光CCD的探测器和多路传输器都是用硅材料来制做的探测器

27、和多路传输器都是用硅材料来制做的，而工作于的，而工作于35 m和和812 m大气窗口的高灵敏度大气窗口的高灵敏度IRFPA，则要求探测器的禁带宽度为，则要求探测器的禁带宽度为0.1到到0.25eV。因此，。因此，IRFPA一般是一般是用窄禁带半导体作探测器，硅作多路传输器和用窄禁带半导体作探测器，硅作多路传输器和处理器来制造，处理器来制造，由此将产生很复杂的互连问题和材料问题。由此将产生很复杂的互连问题和材料问题。 (2) 一般的大地红外景物的红外图像对比度很低一般的大地红外景物的红外图像对比度很低(与可见光不与可见光不同同)，而背景很强，这使其主要受限于光子噪声。由于使用，而背景很强，这使其

28、主要受限于光子噪声。由于使用了窄禁带半导体材料，需要得到最低的电子噪声使之尽可能了窄禁带半导体材料，需要得到最低的电子噪声使之尽可能达到光子噪声限，必须对达到光子噪声限，必须对IRFPA进行低温冷却进行低温冷却。因此，这种。因此，这种IRFPA器件都必须涉及到一些与低温高性能模拟电路的电子器件都必须涉及到一些与低温高性能模拟电路的电子设计有关的附加问题。如机械封装，以及与低温致冷器接口设计有关的附加问题。如机械封装，以及与低温致冷器接口的的杜瓦瓶杜瓦瓶的电气连接问题。的电气连接问题。 杜瓦瓶杜瓦瓶 （3）由于入射在）由于入射在MWIR（中波红外）和（中波红外）和LWIR（长波红外）成像系统焦平

29、面上的红外辐射的主（长波红外）成像系统焦平面上的红外辐射的主要特点在于具有很大的、占主要份量的环境背景要特点在于具有很大的、占主要份量的环境背景辐射，因此大多数的红外图像的特点是辐射，因此大多数的红外图像的特点是高背景本高背景本底和低对比度底和低对比度。 这与这与背景辐射很小且对比度很高背景辐射很小且对比度很高的近红外和可见的近红外和可见光光CCD图像正好相反。因此，理想条件下的红外图像正好相反。因此，理想条件下的红外成像就受限于背景光子到达速率的涨落成像就受限于背景光子到达速率的涨落(光子噪光子噪声声)。光子噪声通常被用作比较探测器噪声的参考。光子噪声通常被用作比较探测器噪声的参考点。点。

30、CCD图象特征图象特征:背景背景辐射很小且对比度辐射很小且对比度很高很高 红外图象特征红外图象特征: 高背景本底和低对比度。高背景本底和低对比度。 特征特征: 高背景本底和低对比度。高背景本底和低对比度。 致冷型致冷型 非致冷型非致冷型(下章论述下章论述) 实质上是被测目标物体各部分红外辐射的热像分实质上是被测目标物体各部分红外辐射的热像分布图由于信号非常弱，布图由于信号非常弱，与可见光图像相比，缺少与可见光图像相比，缺少层次和立体感层次和立体感，因此，在实际动作过程中为更有，因此，在实际动作过程中为更有效地判断被测目标的红外热分布场，常采用一些效地判断被测目标的红外热分布场，常采用一些辅助措

31、施来增加仪器的实用功能，如图像亮度、辅助措施来增加仪器的实用功能，如图像亮度、对比度的控制，实标校正，伪色彩描绘等技术。对比度的控制，实标校正，伪色彩描绘等技术。 2. IRFPA有几个明显的优点：有几个明显的优点： 第一第一，探测器整体结构高密度封装，实用方便、体，探测器整体结构高密度封装，实用方便、体积小、重量轻、简单、可靠和低成本；积小、重量轻、简单、可靠和低成本； 第二第二，IRFPA信号处理过程在焦平面器件上进行；信号处理过程在焦平面器件上进行； 第三第三，允许优化设计系统参数，如较小的光学孔，允许优化设计系统参数，如较小的光学孔径，缩小的光谱带宽和较高的帧速等；径，缩小的光谱带宽和

32、较高的帧速等； 与与SPRITE红外探测器件相比，红外探测器件相比， 第四第四，可以去掉现有系统中的一些处理电路，可以去掉现有系统中的一些处理电路(主要主要是附属于分立探测器的前置放大器和多路传输器是附属于分立探测器的前置放大器和多路传输器)和减少穿过杜瓦瓶信号线的数目。和减少穿过杜瓦瓶信号线的数目。 在在IR FPA出现之前，如用出现之前，如用SPRITE，制做大面阵，制做大面阵的唯一方法是将每个探测器连接到一根引线上的唯一方法是将每个探测器连接到一根引线上(也也许是一个前置放大器上许是一个前置放大器上)，而这些引线都必须封装，而这些引线都必须封装在同一个小杜瓦瓶内在同一个小杜瓦瓶内. 在探

33、测器引线数很大时，很明显这将产生一个无在探测器引线数很大时，很明显这将产生一个无法处理的导线和电子元件的迷宫，要求一个大得法处理的导线和电子元件的迷宫，要求一个大得无法接受的致冷器。无法接受的致冷器。 焦平面阵列技术焦平面阵列技术的目的是的目的是采用集成电路技术采用集成电路技术来满来满足制作非常大的探测器阵列。目前，有三种主要足制作非常大的探测器阵列。目前，有三种主要的结构形式：的结构形式：混合式混合式IRFPA、全单片式、全单片式IRFPA、准单片式准单片式IRFPA。 IRFPA的出现已经为红外系统在增加灵敏度和空的出现已经为红外系统在增加灵敏度和空间分辨率方面带来了许多新的可能性间分辨率

34、方面带来了许多新的可能性.7.2.3 红外焦平面阵列的材料红外焦平面阵列的材料当前，用于当前，用于IRFPA的材料有的材料有: 硅化铂硅化铂(PtSi) 锑化铟锑化铟(InSb) 碲镉汞（碲镉汞（HgCdTe） GaAsAlGaAs多量子阱多量子阱 等。等。1.硅化铂硅化铂(PtSi) Si肖特基势垒器件肖特基势垒器件IRFPA以工作于以工作于35m波段的波段的PtSi IRFPA的发展最快，已制成高于的发展最快，已制成高于1000万像素万像素(40964096)器件，被认为是目前制作高密度器件，被认为是目前制作高密度IRFPA最先进的方法。最先进的方法。 优点优点: 关键在于关键在于PtSi

35、 具有良好的红外响应均匀性具有良好的红外响应均匀性 与硅大规模集成电路工艺兼容的突出优点。与硅大规模集成电路工艺兼容的突出优点。 高像素点高像素点,高集程度高集程度. PtSi IRFPA的主要缺点的主要缺点: 量子效率低。量子效率低。 为了提高量子效率，目前国内外在探测器结构上采用了：为了提高量子效率，目前国内外在探测器结构上采用了：(1)薄薄PtSi膜膜(2l0nm)；(2)光学共振腔；光学共振腔；(3)P型硅衬底背型硅衬底背面加抗反射层面加抗反射层(器件采用背面进光模式器件采用背面进光模式)。实践证明，上述。实践证明，上述改进措施使量子效率得到了大幅度提高。改进措施使量子效率得到了大幅度

36、提高。 后面将详述后面将详述 量子型量子型InSb IRFPA对于对于35um波段的红外辐射非常敏感。波段的红外辐射非常敏感。InSb是一种直接带隙半导体，其带隙是一种直接带隙半导体，其带隙Eg很小。如图很小。如图7-9. 在室温在室温300K时，时，Eg为为0.17eV，长波限和峰值响应波长分，长波限和峰值响应波长分别为别为7um和和6um，响应率为，响应率为2109cmHz1/2/W。 当用液氮冷却至当用液氮冷却至77K时，带隙增加到时，带隙增加到0.23eV，长波限为，长波限为5.4um，峰值响主波长为，峰值响主波长为5um，响应率为，响应率为6.51010cmHz1/2/W。 InSb

37、是通过改变器件工作温度来改变其光谱响应特性的。是通过改变器件工作温度来改变其光谱响应特性的。 2.锑化铟锑化铟(InSb) 常温下，常温下，InSb的电子迁移率为的电子迁移率为60000cm2/V.s，77K时时InSb的电子迁移率为的电子迁移率为 300000 cm2/V.s。 作为作为InSb材料，因为能廉价地制作大面积、缺陷材料，因为能廉价地制作大面积、缺陷少的单晶，故容易解决一些制作技术上的难点，少的单晶，故容易解决一些制作技术上的难点，制成电学性能好的二极管。制成电学性能好的二极管。 因为因为InSb和单晶硅不一样，还得不到良好的和单晶硅不一样，还得不到良好的MOS特性，因此采用折衷

38、方法，即探测器采用特性，因此采用折衷方法，即探测器采用InSb光光电二极管阵列，信号处理器采用电二极管阵列，信号处理器采用Si-CCD构成，再构成，再用铟（用铟（In）丘将两者进行机械、电学结合，形成）丘将两者进行机械、电学结合，形成混合型混合型IRFPA。 因因InSb材料较成熟，在材料较成熟，在35um波段前景看好。波段前景看好。3.碲镉汞（碲镉汞（HgCdTe）(前面已论述前面已论述) 窄禁带半导体混晶碲镉汞（窄禁带半导体混晶碲镉汞（Hg1-xCdxTe）是目前）是目前最重要的红外光电子材料，通过调节混晶组份，最重要的红外光电子材料，通过调节混晶组份，可以获得适用于不同波段的高性能可以获

39、得适用于不同波段的高性能IRFPA。 由于由于Hg-Te键的脆弱及其与键的脆弱及其与Cd-Te键之间的巨大差键之间的巨大差别，导致这种材料较高的别，导致这种材料较高的本征缺陷密度和较高温本征缺陷密度和较高温度下和辐射作用下的不稳定性。度下和辐射作用下的不稳定性。 这些问题长期困扰着碲镉汞的研究者们。近年来这些问题长期困扰着碲镉汞的研究者们。近年来的大量研究已经对最终认识这种本征缺陷态成分的大量研究已经对最终认识这种本征缺陷态成分和结构以及电子态等提供了大量的信息，并对降和结构以及电子态等提供了大量的信息，并对降低这类缺陷密度的途径提供了各种可能性和尝试低这类缺陷密度的途径提供了各种可能性和尝试

40、机会。机会。4.半导体超晶格和量子阱半导体超晶格和量子阱 半导体超晶格和量子阱结构半导体超晶格和量子阱结构的红外光电探测研究，是近年的红外光电探测研究，是近年来红外物理和量子阱物理研究的一个共同热点。来红外物理和量子阱物理研究的一个共同热点。 这些研究正促使半导体超晶格和量子阱结构成为新一类重这些研究正促使半导体超晶格和量子阱结构成为新一类重要的红外光电子材料。要的红外光电子材料。 人们在实验中证实人们在实验中证实量子阱子带间电子跃迁可以和红外辐射量子阱子带间电子跃迁可以和红外辐射有强的耦合有强的耦合，因而可以用于红外辐射探测。，因而可以用于红外辐射探测。 调节超晶格、量子阱结构的周期和势垒高

41、度调节超晶格、量子阱结构的周期和势垒高度等等能带工程能带工程手手段，起着碲镉汞混晶中调节组份相似的作用，能实现不同段，起着碲镉汞混晶中调节组份相似的作用，能实现不同波段红外辐射的探测。波段红外辐射的探测。 据介绍，美国洛克威尔公司已制成截止波长为据介绍，美国洛克威尔公司已制成截止波长为7.7um的的128128元元GaAsCaAlAs超晶格多量子阱探测器混合超晶格多量子阱探测器混合式焦平面阵列。式焦平面阵列。 每种每种IR FPA的设计必须考虑几种主要的功能：光的设计必须考虑几种主要的功能：光子探测，电荷存储和多路传输读出。子探测，电荷存储和多路传输读出。 IR FPA 的两种结构的两种结构:

42、混合型和单片型混合型和单片型. 混合式器件：混合式器件：有两种有两种:倒装式倒装式,Z平面结构平面结构 一般是在窄禁带半导体材料一般是在窄禁带半导体材料(探测器阵列探测器阵列)完成光完成光子探测过程，然后将信号转移到硅多路传输器上子探测过程，然后将信号转移到硅多路传输器上(每个探测器有一个接触点每个探测器有一个接触点)。混合式器件具有在。混合式器件具有在常规模拟硅器件上存储电荷和完成多路传输功能常规模拟硅器件上存储电荷和完成多路传输功能的特殊优点。的特殊优点。 单片式器件：单片式器件：有四种有四种:PtSi肖特基势垒型、异质结肖特基势垒型、异质结型、型、MIS像元型、准单片式。像元型、准单片式

43、。 在同一个芯片上完成光子探测、信号转移、传输在同一个芯片上完成光子探测、信号转移、传输等功能，这就要求使用类似加工硅晶片的工艺来等功能，这就要求使用类似加工硅晶片的工艺来制作，而且最终得到造价很低的器件制作，而且最终得到造价很低的器件.7.2.4 混合式结构之混合式结构之-倒装式结构倒装式结构 该结构是在该结构是在探测器阵探测器阵列和硅多路传输器列和硅多路传输器上上分别预先做上铟柱，分别预先做上铟柱，然后通过两边的然后通过两边的铟柱铟柱将探测器阵列正面的将探测器阵列正面的每个探测器与多路传每个探测器与多路传输器一对一地对准配输器一对一地对准配接起来。接起来。7.2.5 混合式结构之混合式结构

44、之-Z平面结构平面结构 混合式结构混合式结构还可用同样还可用同样类型的背照式探测器阵类型的背照式探测器阵列制成如图列制成如图7-9(b)所示所示的的Z平面结构。平面结构。 其工艺过程是将许多集其工艺过程是将许多集成电路芯片一个一个地成电路芯片一个一个地层叠起来以形成一个三层叠起来以形成一个三维的维的“电子楼房电子楼房”，因，因此将其命名为此将其命名为z平面结平面结构。构。 探测器阵列被置于层叠集成电路探测器阵列被置于层叠集成电路芯片的侧缘，每个探测器具有一芯片的侧缘，每个探测器具有一个通道。个通道。 由于附加了许多集成电路芯片，由于附加了许多集成电路芯片，所以在焦平面上可以完成许多信所以在焦平

45、面上可以完成许多信号处理功能，如前置放大、带通号处理功能，如前置放大、带通滤波、增益和偏移修正、模数转滤波、增益和偏移修正、模数转换以及某些图像处理功能。换以及某些图像处理功能。 然而，为了把探测器做得很小，然而，为了把探测器做得很小，就必须把硅集成电路芯片减得很就必须把硅集成电路芯片减得很薄，而目前薄，而目前减薄技术只能达到减薄技术只能达到5075 m，因此限制了，因此限制了IRFPA最终的分辩率。最终的分辩率。混合式结构有两种互连技术混合式结构有两种互连技术. 1. 对接技术对接技术-冷焊铟柱冷焊铟柱 采用这种结构时，探测器阵列采用这种结构时，探测器阵列既可用既可用前照式前照式(光子穿过透

46、明光子穿过透明的硅多路传输器的硅多路传输器)，也可用也可用背背照式照式(光子穿过透明的探测器光子穿过透明的探测器阵列衬底阵列衬底)。 一般来讲，背照式更为优越，一般来讲，背照式更为优越，因为多路传输器一般都有一定因为多路传输器一般都有一定的金属化区域和其他不透明的的金属化区域和其他不透明的区域，这将缩小有效透光面积。区域，这将缩小有效透光面积。此外，从多路传输器这一面照明还意味着光子必须三次此外，从多路传输器这一面照明还意味着光子必须三次通过半导体表面，而这三个面中只有两个面可以镀以适通过半导体表面，而这三个面中只有两个面可以镀以适当的增透当的增透(AR)膜。膜。从探测器阵列的背面照明时，仅有

47、一个表面需要镀增透从探测器阵列的背面照明时，仅有一个表面需要镀增透膜，而且这个表面不含有任何微电子器件，不需要任何膜，而且这个表面不含有任何微电子器件，不需要任何特殊处理。实际上，探测器阵列的背面能减薄到几个微特殊处理。实际上，探测器阵列的背面能减薄到几个微米以改善瞬时抗辐射能力。米以改善瞬时抗辐射能力。 在混合工艺过程中，在混合工艺过程中，铟凸点技术铟凸点技术,由于冷焊铟柱时需要一定的由于冷焊铟柱时需要一定的压力，在探测器上可能造成机械损坏。压力，在探测器上可能造成机械损坏。 在混合完成后，硅多路传输器与探测器阵列材料在混合完成后，硅多路传输器与探测器阵列材料(如如InSb和和HgCdTe)

48、之间之间热膨胀系数的失配热膨胀系数的失配,将在探测器阵列被冷却到低将在探测器阵列被冷却到低温时引起铟对接处的温时引起铟对接处的剪切机械变形剪切机械变形。 对铟柱采用专门的设计和严格控制的工艺，同时选择与多对铟柱采用专门的设计和严格控制的工艺，同时选择与多路传输器能很好地进行热膨胀特性匹配的探测器衬底材料路传输器能很好地进行热膨胀特性匹配的探测器衬底材料将会大大减小这些问题的影响。将会大大减小这些问题的影响。 如果探测器衬底与读出电路如果探测器衬底与读出电路(Si材料材料)两者的热膨胀系数很两者的热膨胀系数很接近的话，铟对接技术可以用来制做接近的话，铟对接技术可以用来制做12英寸的阵列，并英寸的

49、阵列，并可承受几百次的热循环变化。尽管如此，单元尺寸很难缩可承受几百次的热循环变化。尽管如此，单元尺寸很难缩小到小到25 m以下，而且混合式的工艺用于实际生产时成本以下，而且混合式的工艺用于实际生产时成本较高。较高。 可以替代铟凸点技术的是图可以替代铟凸点技术的是图7-11(b)所示的环孔所示的环孔(或穿导孔或穿导孔)技术。技术。 其工艺要求：将探测器芯片和硅读出芯片的表面其工艺要求：将探测器芯片和硅读出芯片的表面抛光抛光到具到具有很高的平直度和平行度有很高的平直度和平行度(容差小于容差小于l m)， 然后将它们然后将它们粘接粘接在一起形成一个可象硅片一样来处理的单在一起形成一个可象硅片一样来

50、处理的单个芯片乃至晶片。接着，用个芯片乃至晶片。接着，用离子注入或扩散离子注入或扩散的方法在探测的方法在探测器阵列上形成光伏二极管器阵列上形成光伏二极管(与硅读出芯片的多路传输单元与硅读出芯片的多路传输单元相对准相对准)。 2.对接技术对接技术-环孔环孔(或穿导孔或穿导孔)技术技术 然后，再用然后，再用离子研磨或激光离子研磨或激光的方法在每个探测器的中心钻的方法在每个探测器的中心钻出环孔，然后在每个洞壁暴露的探测器材料上进行出环孔，然后在每个洞壁暴露的探测器材料上进行掺杂并掺杂并用金属回填用金属回填，这样就将探测器和多路传输器连接在一起了。，这样就将探测器和多路传输器连接在一起了。 最后一步是

51、将处理过的探测器表面进行最后一步是将处理过的探测器表面进行钝化钝化。用此技术制。用此技术制成的器件在机械性能和热性能稳定方面的情况已有较大的成的器件在机械性能和热性能稳定方面的情况已有较大的改进，其单元尺寸可以小到改进，其单元尺寸可以小到40 m. 所存在的问题是所存在的问题是:穿导孔减小了占空因数。环孔技术被认为穿导孔减小了占空因数。环孔技术被认为是属于混合式结构范围，却保留了类似硅工艺的某些优点。是属于混合式结构范围，却保留了类似硅工艺的某些优点。7.2.6 单片式阵列之单片式阵列之-肖特基势垒型肖特基势垒型 1.工作原理工作原理 结构和原理图结构和原理图 目前目前,常采用了常采用了PtS

52、i来制造来制造全单片式的全单片式的IRFPA，这，这些类型的探测器实质上是采用了硅基底，将探测些类型的探测器实质上是采用了硅基底，将探测器阵列和硅多路传输器及衬底做在一起。其设计器阵列和硅多路传输器及衬底做在一起。其设计与可见光与可见光CCD是兼容的。是兼容的。 PtSi肖特基势垒器件肖特基势垒器件IRFPA的发展最快，已制成的发展最快，已制成1000万像素万像素(40964096)器件，被认为是目前制器件，被认为是目前制作高密度作高密度IRFPA最先进的方法。最先进的方法。优点优点: PtSi IRFPA具有良好的红外响应均匀性具有良好的红外响应均匀性 硅大规模集成电路工艺兼容。硅大规模集成

53、电路工艺兼容。缺点缺点: PtSi IRFPA的主要是量子效率低。的主要是量子效率低。 SBD（肖特基势垒器件肖特基势垒器件）的金属硅化物（）的金属硅化物（PtSi）和半导体）和半导体Si相接触，如图相接触，如图7-12(c)，因功函数不同，故接触时要发生，因功函数不同，故接触时要发生电荷的流动，形成势垒，最后使费米能级在各处都达到同电荷的流动，形成势垒，最后使费米能级在各处都达到同一水平，如图一水平，如图7-12(d) . 该器件采用该器件采用背面光照工作模式。入射的红外辐射先照到硅背面光照工作模式。入射的红外辐射先照到硅衬底，衬底，光子能量小于硅能带间隙光子能量小于硅能带间隙(Eg=1.1

54、eV)的红外辐射透的红外辐射透过硅衬底，到达很薄的过硅衬底，到达很薄的PtSi层。在层。在PtSi中的感光是通过所中的感光是通过所谓内光电发射过程来完成的。谓内光电发射过程来完成的。 此过程分为两步：（此过程分为两步：（1）红外辐射在红外辐射在PtSi中被吸收或部分吸收，激发产生中被吸收或部分吸收，激发产生电子电子-空穴对，电子在费米能级以上，空穴对，电子在费米能级以上，留下空穴；留下空穴； （2）到达到达PtSi硅界面的空穴越过肖硅界面的空穴越过肖特基势垒，进入硅衬底。特基势垒，进入硅衬底。因此，净的因此，净的负电荷负电荷(电子电子)将存贮在将存贮在PtSi中。通过中。通过电子转移从电子转移

55、从PtSi中进入中进入BCCD，如图，如图7-12(b)，完成红外辐射信号的探测。，完成红外辐射信号的探测。 在第二步中硅中增加的空穴效，称为在第二步中硅中增加的空穴效，称为“热空穴发射热空穴发射”。所谓。所谓热空穴是指其热空穴是指其能量高于势垒高度，冷空穴是指其能能量高于势垒高度，冷空穴是指其能量低于势垒高度量低于势垒高度。显然，只有热空穴。显然，只有热空穴才能越过势垒，即是说，要使入射的才能越过势垒，即是说，要使入射的红外辐射产生内光电发射，红外辐射产生内光电发射，SB探测探测器的光谱能量窗口必须满足下式：器的光谱能量窗口必须满足下式：mshvEgm s 为金属为金属-半导体肖特基势垒高度

56、；半导体肖特基势垒高度；h为光子能量；为光子能量；Eg为硅带隙能量。为硅带隙能量。 SB探测器的截止波长取决于探测器的截止波长取决于SB高度，长波阈值有下式：高度，长波阈值有下式： 由半导体材料和金属硅化物由半导体材料和金属硅化物的性质决定。由于的性质决定。由于PtSi/P-Si系统使接触界面深入到硅系统使接触界面深入到硅材料内部材料内部，避免避免了了表面沾污表面沾污和中间层的影响和中间层的影响，保证了的，保证了的均匀性和工艺的重复性，尤均匀性和工艺的重复性，尤其是极好的光响应均匀性，其是极好的光响应均匀性，保证了热成像的质量。保证了热成像的质量。1.24thms 最早的肖特基势垒最早的肖特基

57、势垒FPA采用厚的采用厚的Pd2Si和和PtSi探测器制成，探测器制成，淀积了大约淀积了大约60nm的钯和铂。这些器件的光响应很弱。的钯和铂。这些器件的光响应很弱。 为了提高为了提高PtSiSBD FPA的量子效率，的量子效率，SBD结构采用了：结构采用了：（1）薄）薄PtSi膜；膜；(2)光腔结构光腔结构Al-介质介质-PtSi；(3)硅衬底背硅衬底背面加抗反射层面加抗反射层SiO，如图，如图7-13(a)所示。所示。 2.结构结构 SBD由由抗反射层抗反射层(SiO)、硅衬底、硅化铂层、介质层、硅衬底、硅化铂层、介质层(SiO2、SiO、Si3N4、或、或SixOyNz)以及铝反射镜共五部

58、分组成，其中硅化铂、以及铝反射镜共五部分组成，其中硅化铂、介质和铝镜构成光腔。介质和铝镜构成光腔。 这种器件结构设计的这种器件结构设计的优点优点是：是： (1)减薄了减薄了PtSi层的厚度，使之远小于空穴在层的厚度，使之远小于空穴在PtSi中的平均自由程中的平均自由程(约约43nm)，使产生的热载流子几乎可全部到达界面；，使产生的热载流子几乎可全部到达界面； (2)增加了绝缘层，提供了一个反射界面，增加热载流子在增加了绝缘层，提供了一个反射界面，增加热载流子在PtSi介介质界面的反射，从而增加了光学吸收比，提高了热空穴到衬底的质界面的反射，从而增加了光学吸收比，提高了热空穴到衬底的注入效率。热

59、空穴运动如图注入效率。热空穴运动如图7-13(b)所示。注入效率的提高，将所示。注入效率的提高，将被称之为内部量子效率增益。被称之为内部量子效率增益。 (3) 抗反射涂层抗反射涂层SiO 。FPA输出信号的强弱与其量输出信号的强弱与其量子效率及投射到探测器表面的红外辐射量成正比。子效率及投射到探测器表面的红外辐射量成正比。抗反射涂层抗反射涂层SiO，淀积在已减薄到，淀积在已减薄到200250um的的硅衬底背面，硅衬底背面，将耦合到将耦合到SBD的红外辐射量提高了的红外辐射量提高了约约30，从而使光腔结构探测器的光学吸收比最从而使光腔结构探测器的光学吸收比最佳化。在佳化。在PtSi层与铝镜之间引

60、入最佳光学厚度的层与铝镜之间引入最佳光学厚度的介质层，器件的量子效率可进一步提高。介质层，器件的量子效率可进一步提高。 从理论上讲，从理论上讲，PtSi膜越薄，内光电发射几率越高。膜越薄，内光电发射几率越高。但实验发现，当但实验发现，当PtSi膜厚度小于膜厚度小于1.4nm时，时，PtSi膜不连续。因此，目前在该器件制作中，选取的膜不连续。因此，目前在该器件制作中，选取的最佳最佳PtSi膜厚为膜厚为2.0nm。 据介绍，薄层据介绍，薄层PtSi-SBD的量子效率比厚的量子效率比厚PtSi-SBD高出高出32倍多，其中倍多，其中3.46倍归因于光学吸收比倍归因于光学吸收比的提高，的提高，9.25