第7章 致冷型红外成像器件(2011裁减的)
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• 许多常温下物体的辐射光谱峰值都在10μm左右. • 军事目标辐射的峰值在8~14μm波段范围，这个波段是军 事探测、红外遥感的主要工作波段. • 也是大功率CO2激光器的工作波段，而且大气在这个波段 的透过率高，常称为大气第三个透过窗口。 • 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 型光电导器件。根据本征光电效应工作原理，适合于 8~14μm的波段的半导体材料，其禁带宽度应为 0.09~0.15eV. • 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 的禁带宽度。人们用多元化合物达到了这一目的。碲镉汞 （Hg1-xCdxTe，HgCdTe），简写为MCT或CMT，是最 常用的长波红外（LWIR ，8-14μm）和中波红外（MWIR， 3-5μm ）的探测器材料。
材料 HgCdTe 单元数 8 样品长度 700μm 光敏面积 62.5×62.5μm2 工作波段 8-14μm 工作温度 77K 制冷方法 J-T 制冷机或热制冷机 偏置场强(V.cm-1) 30 双极迁移率(cm2V-1S-1) 390 -1 像素速率（像素数.S ） 1.8× 6 10 典型元件电阻Ω 500 总功耗（每单元/全部） 9/80 mW >11× 10 10 平均 D* （cmHz1/2W-1） （@500K， 20kHz， 1Hz， 62.5×62.5μm2） 6× 4 10 响应率 Rv (VW-1) (@500K, 62.5×62.5μm)
7.1.2 SPRITE探测器的工作原理与结构
SPRITE (Signal Processing In the Element)探测器是英国皇家信号与雷达研究所的 埃略特(Elliott)等人于1974年首先研制成功的一 种新型红外探测器，它实现了在器件内部进行信号处 理。 这种器件利用红外图像扫描速度等光生载流子双极 漂移速度这一原理实现了在探测器内进行信号延迟、 叠加，从而简化了信息处理电路。
E g ( eV ) 0.25 1.59 x 5.233 10 T (1 2.08 x ) 0.327 x
4 3
• 在0.17<x<0.33，T>77K时，计算结果同实验值 相当一致。在x较小时，Eg同x可视为呈直线关系， Eg变为：
E g ( eV ) 5.233 10 (1 2.08 x ) T
6× 4 10
7.2 红外焦平面阵列的结构和工作原理
• 与SPRITE探测器相比，阵列型红 外成像器件由阵列元组成，并处 多路传输器 于红外成像系统的焦平面上，常 称为红外焦平面阵列（Infrared 电路 Focus Plane Array，IRFPA）。 • 红外焦平面阵列要求将高达106甚 至更多的探测器单元紧凑地封装 在焦平面上。 • 红外焦平面器件已用于夜视、跟 踪、空间技术、无损探伤、温度 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， 世界上许多国家在这方面开展研 究，已经在军事上获得了应用。
• 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，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 感等多个领域； • 在民用方面，红外热像仪可以用于材料缺陷的检 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。 • 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 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 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。
• 红外辐射的应用:
• 红外线存在于自然界的任何角落，一切温度高于绝对零度的 有生命体和无生命体时时刻刻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 上，无论高山，还是森林湖泊，冰天雪地，都在日夜不停地 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 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。 • 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 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. • 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。
• 目前具有代表性的SPRITE探测器是由多条细长条Hg1xCdxTe组成， • 每条长700μm、宽62.5μm，厚10μm，长条间彼此间 隔12.5μm。 • 将n型Hg1-xCdxTe材料按要求进行切、磨、抛后粘贴于 衬底上，经精细加工、镀制电极，刻蚀成小条，再经适 当处理就成了SPRITE探测器的芯片。 • 每一长条相当于N个分立的单元探测器。 • N的数目由长条的长度和扫描光斑的大小决定。对于上 述结构，每条相当于11~14个单元件， • 所以8条SPRITE相当于100个单元探测器。每一长条有 三个电极，其中两个用于加电场，另一个为信号读出电 极。 • 读出电极非常靠近负端电极，读出区的长度约为50μm、 宽度约为35μm。
红外探测有两种主要形式： 第一类器件 :需要致冷型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 体中的自由载流子。
第二类器件: 非致冷的量热型红外探测器件，在这 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。
7.1 SPRIT源自文库红外探测器
如漂移长度小于样品长度L，即Ld<L，则在τ时间内部分Δp移 出体外； 如果Ld=L，则样品中的Δp在τ时间内正好完全移出体外。
即 即
全部扫出条件之一，μEτ=L 临界扫出电压 U≥L2/μτ
• 实现SPRITE探测器信号延迟和叠加的必要条件 是红外图像扫描速度vs等于非平衡少数载流子空 穴的双极漂移速度。这可以认为是全扫出的条件 之二,即 • vs=vd， • 双极漂移速度vd与n型Hg1-xCdxTe材料少数载流 子的迁移率μp和加于长条的电场强度Ex有关。 • 对于一定的材料，μp是一定的，唯有外加电场强 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， 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；
2
nE
n x
nn
E x
n
n
g
（7-1）
p t
Dp
p x
2
pE
p x
E x
pp
E x
p
g
（7-2）
在场强为均匀场时，
0
n t
P t
Dn n x
2
2
nE
n x
n
vs Ps n b vd e
读出端 读出区
偏置电流
x= 0
X
L
SPRITE探测器原理
有一稳定的非常窄的小的光信号照射在样品上，x=0处样 品中产生的非平衡载流子在样品两端加电压作用下，光生载 流子要经过产生、复合、扩散、漂移等过程，其浓度变化遵 循连续性方程
n t n x
2
2
Dn
读出区 漂移区 羊角形读出
平角形读出 楔 形 -羊 角 读 出
图7-4 SPRITE探测器读出电极结构
表 7-1
SPRITE 探测器性能 HgCdTe 8 700μm 62.5×62.5μm2 3-5μm 190K 热电制冷 30 140 7× 5 10 4.5× 3 10 1/10 (4~7)× 10 10
SPRITE探测器的结构
图7-3 SPRITE探测器实际结构 典型的扫积型探测器8块N型MCT的细长条组成。每条长× 宽×高=700×62.5×10μm3。条间距12.5μm，读出区 长为50μm，宽为35μm。
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。读出电极结构有音叉、平角、 楔形一平角形。如图7-4。
图 7-8 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(b)光伏(c)金属-绝缘体-半导体(d)肖特基势垒
7.2.2 红外焦平面阵列特点
红外焦平面阵列 (IRFPA，InfraRed 多路传输器 Focus Plane Array)， 电路 其方法是将两维红外 探测阵列集成在带有 多路传输读出电路的 器件上,该器件位于红 外系统的焦平面上。 属于凝视性器件。
所以Eg对T的变化率为：
dE g dT 5 .2 3 3 1 0
4
4
(1 2 .0 8 x )
• 从式（7-3）可以看出，在x<0.48时，随T升高， Eg线性增大，如图7-1所示。当x=0.48时，Eg不 随T而变化，且有Eg= 0。
E g (e V ) 0 .0 8 0 .0 6 0 .0 4 0 .0 2 20 40 60 80 100K
• 通过控制配比x和工作温度T，可以得到所需的禁带 宽度。但是，到目前为止，几乎所有的本征碲镉汞， 其x值均在0.18-0.4之间。这相当于截止波长为 3～30μm。而重点研究是x=0.2的合金，即 Hg0.8Cd0.2Te。 • 这种材料正好迎合于8～14μm的大气窗口。对于 高x值Hg1-xCdxTe,也正在研究之中。
读连 出接
图7-2 Δp 与Δn的漂移过程 在外加电场比较强的情况下，可以忽略扩散项。得
p t g E p x p
p t
g E
p x
p
产生的空穴以μE的漂移速度运动，Δp的漂移速度vd=μE
产生的空穴在寿命期间漂移的长度，Δp的漂移长度Ld=μEτ 如漂移长度大于样品长度L，即Ld>L，则在τ时间内Δp完 全移出体外；
n
g
（7-3）
g
DP P x
2
2
PE
P x
P
（7-4）
P
（7-3）
，
P
+（7-4）
2
n
并且
E
p n
n
p
p t
D
D
p x
2
p x
p
g
（7-5）
nD p p Dn
n
探测元
钝化膜
hν
钝化膜 外延P型
7.2.1 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 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 直接转换成半导体中的自由载流子。 • 目前有四种主要类型的光子探测器，即光电导、 光伏、MIS结构和肖特基势垒型。
n p n / D p p / Dn
p
（7-6）
n p pn n
p
n p n / p p / n
（7-7）
D和μ为双极扩散系数及双极迁移率，D、μ已不是原来 的量，仅表示非平衡载流子浓度分布的扩散和漂移运动。 如图7-2。
l 偏流 d L 偏流
I II III IV V VI „
第7章 致冷型红外成像器件
• 红外辐射的发现: • 红外辐射是1800年由英国天文学家威廉．赫谢尔 (Herschel)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中 存在的热量。 • 1900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 系。
• 目前国内外研制的SPRITE探测器，其材料是N型 MCT材料。 Hg1-xCdxTe。 • 工作温度为77K、工作波段为8~14μm; • 工作温度为200K左右、工作波段为3~5μm两种。 • 将它用于热成像系统中，既完成探测辐射信号的 功能，又完成信号的延迟、积分功能，大大简化 了信息处理电路，有利于探测器的密集封装和整 机体积的缩小。
7.1.1 碲镉汞的性质
• 1.禁带宽度随组分和温度而改变
• Hg1-xCdxTe是由二元CdTe和HgTe构成的固溶体。 CdTe的禁带宽度较宽，HgTe是半金属。通过不 同的配比x（按摩尔数比），以及在不同的工作温 度T，可以得到不同的带隙的MCT。 • 研究指出，Hg1-xCdxTe的禁带宽度Eg可用经验公 式表示：
材料 HgCdTe 单元数 8 样品长度 700μm 光敏面积 62.5×62.5μm2 工作波段 8-14μm 工作温度 77K 制冷方法 J-T 制冷机或热制冷机 偏置场强(V.cm-1) 30 双极迁移率(cm2V-1S-1) 390 -1 像素速率（像素数.S ） 1.8× 6 10 典型元件电阻Ω 500 总功耗（每单元/全部） 9/80 mW >11× 10 10 平均 D* （cmHz1/2W-1） （@500K， 20kHz， 1Hz， 62.5×62.5μm2） 6× 4 10 响应率 Rv (VW-1) (@500K, 62.5×62.5μm)
7.1.2 SPRITE探测器的工作原理与结构
SPRITE (Signal Processing In the Element)探测器是英国皇家信号与雷达研究所的 埃略特(Elliott)等人于1974年首先研制成功的一 种新型红外探测器，它实现了在器件内部进行信号处 理。 这种器件利用红外图像扫描速度等光生载流子双极 漂移速度这一原理实现了在探测器内进行信号延迟、 叠加，从而简化了信息处理电路。
E g ( eV ) 0.25 1.59 x 5.233 10 T (1 2.08 x ) 0.327 x
4 3
• 在0.17<x<0.33，T>77K时，计算结果同实验值 相当一致。在x较小时，Eg同x可视为呈直线关系， Eg变为：
E g ( eV ) 5.233 10 (1 2.08 x ) T
6× 4 10
7.2 红外焦平面阵列的结构和工作原理
• 与SPRITE探测器相比，阵列型红 外成像器件由阵列元组成，并处 多路传输器 于红外成像系统的焦平面上，常 称为红外焦平面阵列（Infrared 电路 Focus Plane Array，IRFPA）。 • 红外焦平面阵列要求将高达106甚 至更多的探测器单元紧凑地封装 在焦平面上。 • 红外焦平面器件已用于夜视、跟 踪、空间技术、无损探伤、温度 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， 世界上许多国家在这方面开展研 究，已经在军事上获得了应用。
• 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，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 感等多个领域； • 在民用方面，红外热像仪可以用于材料缺陷的检 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。 • 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 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 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。
• 红外辐射的应用:
• 红外线存在于自然界的任何角落，一切温度高于绝对零度的 有生命体和无生命体时时刻刻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 上，无论高山，还是森林湖泊，冰天雪地，都在日夜不停地 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 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。 • 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 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. • 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。
• 目前具有代表性的SPRITE探测器是由多条细长条Hg1xCdxTe组成， • 每条长700μm、宽62.5μm，厚10μm，长条间彼此间 隔12.5μm。 • 将n型Hg1-xCdxTe材料按要求进行切、磨、抛后粘贴于 衬底上，经精细加工、镀制电极，刻蚀成小条，再经适 当处理就成了SPRITE探测器的芯片。 • 每一长条相当于N个分立的单元探测器。 • N的数目由长条的长度和扫描光斑的大小决定。对于上 述结构，每条相当于11~14个单元件， • 所以8条SPRITE相当于100个单元探测器。每一长条有 三个电极，其中两个用于加电场，另一个为信号读出电 极。 • 读出电极非常靠近负端电极，读出区的长度约为50μm、 宽度约为35μm。
红外探测有两种主要形式： 第一类器件 :需要致冷型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 体中的自由载流子。
第二类器件: 非致冷的量热型红外探测器件，在这 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。
7.1 SPRIT源自文库红外探测器
如漂移长度小于样品长度L，即Ld<L，则在τ时间内部分Δp移 出体外； 如果Ld=L，则样品中的Δp在τ时间内正好完全移出体外。
即 即
全部扫出条件之一，μEτ=L 临界扫出电压 U≥L2/μτ
• 实现SPRITE探测器信号延迟和叠加的必要条件 是红外图像扫描速度vs等于非平衡少数载流子空 穴的双极漂移速度。这可以认为是全扫出的条件 之二,即 • vs=vd， • 双极漂移速度vd与n型Hg1-xCdxTe材料少数载流 子的迁移率μp和加于长条的电场强度Ex有关。 • 对于一定的材料，μp是一定的，唯有外加电场强 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， 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；
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读出端 读出区
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SPRITE探测器原理
有一稳定的非常窄的小的光信号照射在样品上，x=0处样 品中产生的非平衡载流子在样品两端加电压作用下，光生载 流子要经过产生、复合、扩散、漂移等过程，其浓度变化遵 循连续性方程
n t n x
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读出区 漂移区 羊角形读出
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图7-4 SPRITE探测器读出电极结构
表 7-1
SPRITE 探测器性能 HgCdTe 8 700μm 62.5×62.5μm2 3-5μm 190K 热电制冷 30 140 7× 5 10 4.5× 3 10 1/10 (4~7)× 10 10
SPRITE探测器的结构
图7-3 SPRITE探测器实际结构 典型的扫积型探测器8块N型MCT的细长条组成。每条长× 宽×高=700×62.5×10μm3。条间距12.5μm，读出区 长为50μm，宽为35μm。
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。读出电极结构有音叉、平角、 楔形一平角形。如图7-4。
图 7-8 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(b)光伏(c)金属-绝缘体-半导体(d)肖特基势垒
7.2.2 红外焦平面阵列特点
红外焦平面阵列 (IRFPA，InfraRed 多路传输器 Focus Plane Array)， 电路 其方法是将两维红外 探测阵列集成在带有 多路传输读出电路的 器件上,该器件位于红 外系统的焦平面上。 属于凝视性器件。
所以Eg对T的变化率为：
dE g dT 5 .2 3 3 1 0
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(1 2 .0 8 x )
• 从式（7-3）可以看出，在x<0.48时，随T升高， Eg线性增大，如图7-1所示。当x=0.48时，Eg不 随T而变化，且有Eg= 0。
E g (e V ) 0 .0 8 0 .0 6 0 .0 4 0 .0 2 20 40 60 80 100K
• 通过控制配比x和工作温度T，可以得到所需的禁带 宽度。但是，到目前为止，几乎所有的本征碲镉汞， 其x值均在0.18-0.4之间。这相当于截止波长为 3～30μm。而重点研究是x=0.2的合金，即 Hg0.8Cd0.2Te。 • 这种材料正好迎合于8～14μm的大气窗口。对于 高x值Hg1-xCdxTe,也正在研究之中。
读连 出接
图7-2 Δp 与Δn的漂移过程 在外加电场比较强的情况下，可以忽略扩散项。得
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产生的空穴以μE的漂移速度运动，Δp的漂移速度vd=μE
产生的空穴在寿命期间漂移的长度，Δp的漂移长度Ld=μEτ 如漂移长度大于样品长度L，即Ld>L，则在τ时间内Δp完 全移出体外；
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（7-3）
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7.2.1 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 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 直接转换成半导体中的自由载流子。 • 目前有四种主要类型的光子探测器，即光电导、 光伏、MIS结构和肖特基势垒型。
n p n / D p p / Dn
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（7-6）
n p pn n
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（7-7）
D和μ为双极扩散系数及双极迁移率，D、μ已不是原来 的量，仅表示非平衡载流子浓度分布的扩散和漂移运动。 如图7-2。
l 偏流 d L 偏流
I II III IV V VI „
第7章 致冷型红外成像器件
• 红外辐射的发现: • 红外辐射是1800年由英国天文学家威廉．赫谢尔 (Herschel)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中 存在的热量。 • 1900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 系。
• 目前国内外研制的SPRITE探测器，其材料是N型 MCT材料。 Hg1-xCdxTe。 • 工作温度为77K、工作波段为8~14μm; • 工作温度为200K左右、工作波段为3~5μm两种。 • 将它用于热成像系统中，既完成探测辐射信号的 功能，又完成信号的延迟、积分功能，大大简化 了信息处理电路，有利于探测器的密集封装和整 机体积的缩小。
7.1.1 碲镉汞的性质
• 1.禁带宽度随组分和温度而改变
• Hg1-xCdxTe是由二元CdTe和HgTe构成的固溶体。 CdTe的禁带宽度较宽，HgTe是半金属。通过不 同的配比x（按摩尔数比），以及在不同的工作温 度T，可以得到不同的带隙的MCT。 • 研究指出，Hg1-xCdxTe的禁带宽度Eg可用经验公 式表示：