第7章_致冷型红外成像器件

Eg(eV) 0.08
0.06
0.04
0.02
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。
一般的洲际导弹要飞行几十分种的 时间，中程导弹也要飞行几分种到 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。
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 金投入，到2016年，其年度 费用将达150亿美元。2012年 7月，朝鲜进行导弹试射时， 美军的反导预警系统对朝鲜导 弹试射情况掌握得一清二楚。
7.1 SPRITE红外探测器
• 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.
• 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.
• 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 （常用Hg的1-x长Cd波xT红e外，（HgLCWdITRe，）8，-1简4μ写m为）M和C中T或波C红M外T，（是MW最IR， 3-5μm ）的探测器材料。
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：
Eg (eV) 0.251.59x 5.233104T(1 2.08x) 0.327x3
夜视监视
制造业
芯片和电路板 电器产品
石化
预防性维护
电器维护 机械维护
造纸
生产
温度不同
科研/测试
飞机机翼 冰箱保鲜
冶金
电力
动物医疗
军事上的应用
红外武器装备包括红外夜视、前视 红外、侦察、告警、火控、跟踪、 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 行夜战，发挥了突出作用。
n x

nn
E x

n n

g
p t

Dp
2p x2


p
E
p x


p
p
E x

p

g
在场强为均匀场时， E 0 x
（7-1） （7-2）
n t

Dn2n x2

n
E
n x

n
n

g
P t

DP 2 P x2
图是热像仪夜间拍摄的热图像，它是景物的 热图，不受有无阳光照射的影响。
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。
红外技术用于夜视，是由 于其工作原理决定的，它 的许多特点使它不只用于 夜视，还可用于探测、跟 踪、侦察、告警、火控、 制导以及工业、农业、医 学、科研等各个领域。
红外热像仪工作示意图
红外辐射
物 体
红外镜头
电路处理
探测器
红外热图
红外热像仪是全被动接收仪器，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 设备没有任何干扰。
热成像测量物体表面温度
灵敏度高 空间分辨率高
目前最灵敏的热成像系统 能测出0.01℃的温度变化
例如：点热成像系统1s内 可测出20万个点。
• 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。
• 目xC前dx具Te有组代成表，性的SPRITE探测器是由多条细长条Hg1• 每条长700μm、宽62.5μm，厚10μm，长条间彼此间
隔12.5μm。 • 将衬n底型上H，g1经-xC精d细xT加e材工料、按镀要制求电进极行，切刻、蚀磨成、小抛条后，粘再贴经于适
波长单位为微米 (µm)
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、 衍射和偏振定律，区别只是波长(频率)不同而已。
红外线波长范围： 在0.75µm ~ 1000µm
红外线波长的短波端与可见 光相接，波长的长波端与无 线电的微波(毫米波)相连。 红外热像仪可以接收红外辐 射并将其转换为温度。
PE
P x

P
P

g
（7-3） P +（7-4） n 并且 p n
（7-3） （7-4）
n p
，
p t

D
2p x 2
E p
x

p

g
（7-5）
D nDp p Dn
n p
n p
n / Dp p / Dn
这种器件利用红外图像扫描速度等于光生载流子双 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。
• 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3p 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。
偏流 d
I II III IV V VI …
l 偏流
L 读连 出接
图7-2 Δp 与Δn的漂移过程
从常规的夜间红外瞄准具到空间 的卫星拦截器都使用了红外技术。
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。
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。
• 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。
• 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。
• 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。
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。
“阿帕奇”武装直升机的红外侦察图像
有人统计从1975—1985年，马 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 失总数的95％。红外搜索跟踪仪 的跟踪精度可以在10＂以内，对 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 踪能力，都是已有手段中最好的；
预警卫星装有高精度的探测器。始终 指向敌对方的地区。一旦敌方发射导 弹，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 落点和攻击目标，并马上把信息传到 本部指挥中心，提醒作好反击准备。
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。
红外热像图
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
红外热像图
• 红外辐射的应用: