第7章_致冷型红外成像器件
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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。
• 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
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。
• 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
• 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。
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
卫星红外侦察、预 警，可以在数十秒 内探测到弹道导弹 助推段火箭的发射。
红外成像装备及观察到的F117图像
预警卫星的红外望远镜，可以全 天候探测“飞毛腿”导弹发射， 30s内就可探测到发动机喷射的 尾焰，为“反导”赢得了时间；
长波红外热像仪在夜间可看清战 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 标的能力，海湾战争中飞机轰炸 主要是在夜间进行的。
• 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：
Eg (eV) 5.ຫໍສະໝຸດ Baidu33104(1 2.08x)T
所以Eg对T的变化率为：
dEg 5.233104 (1 2.08x) dT
• 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。
• 建筑检测 • 食品 • 警用安防 • 制造业 • 石化 • 预防性维护
红外应用
• 造纸 • 科研/测试 • 冶金 • 电力 • 动物医疗 • 军事上
建筑检测 卧室屋顶漏水
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
警用安防
树丛里的嫌疑犯 地毯上的脚印
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。
“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。
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。
vs Ps vd n
b
读出端 e 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
Dn
2n x2
nE
• 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。
• 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
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。
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.
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3~5μm两种。
• 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.
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。
热测量
X射线 10-4
紫外线
10-2
近红外线 红外线短波 红外线中波
红外线长波
0.28 0.40 0.70 2.00
6.00
8.00
15.00
微波
104
大气红外透射曲线
大气对红外线吸收比较 少的波段，也就是透射 率比较高的波段，被形 象地称为“大气窗口”。 对应大气窗口的波段， 开发利用比较充分
红外波段分为短 波红外(SWIR)1～3μ m 波段，中波红外 (MWIR)3～5μ m波段和 长 波 红 外 ( LWIR)8～ 14μ m波段。
（7-6）
np 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
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:
• 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，
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。
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。
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。
在外加电场比较强的情况下，可以忽略扩散项。得
p g E p p
t
x
p g E p p
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
• 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。
• 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
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。
• 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
• 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。
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卫星红外侦察、预 警，可以在数十秒 内探测到弹道导弹 助推段火箭的发射。
红外成像装备及观察到的F117图像
预警卫星的红外望远镜，可以全 天候探测“飞毛腿”导弹发射， 30s内就可探测到发动机喷射的 尾焰，为“反导”赢得了时间；
长波红外热像仪在夜间可看清战 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 标的能力，海湾战争中飞机轰炸 主要是在夜间进行的。
• 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：
Eg (eV) 5.ຫໍສະໝຸດ Baidu33104(1 2.08x)T
所以Eg对T的变化率为：
dEg 5.233104 (1 2.08x) dT
• 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。
• 建筑检测 • 食品 • 警用安防 • 制造业 • 石化 • 预防性维护
红外应用
• 造纸 • 科研/测试 • 冶金 • 电力 • 动物医疗 • 军事上
建筑检测 卧室屋顶漏水
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
警用安防
树丛里的嫌疑犯 地毯上的脚印
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。
“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。
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。
vs Ps vd n
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读出端 e 读出区
偏置电流
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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
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• 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。
• 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
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。
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.
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3~5μm两种。
• 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.
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。
热测量
X射线 10-4
紫外线
10-2
近红外线 红外线短波 红外线中波
红外线长波
0.28 0.40 0.70 2.00
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微波
104
大气红外透射曲线
大气对红外线吸收比较 少的波段，也就是透射 率比较高的波段，被形 象地称为“大气窗口”。 对应大气窗口的波段， 开发利用比较充分
红外波段分为短 波红外(SWIR)1～3μ m 波段，中波红外 (MWIR)3～5μ m波段和 长 波 红 外 ( LWIR)8～ 14μ m波段。
（7-6）
np 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 …
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图7-2 Δp 与Δn的漂移过程
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:
• 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，
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。
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。
Eg(eV) 0.08
0.06
0.04
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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。
在外加电场比较强的情况下，可以忽略扩散项。得
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