中远红外焦平面探测器
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
中远红外焦平面探测器
内容
❖ 引言 ❖ 红外探测器的分类 ❖ 红外探测器的基本理论 ❖ 中远红外焦平面探测器 ❖ 红外探测器的发展历程与应用
引言
1.1 红外光电探测器
❖
红外光电探测器是将接收到的红外辐射量转
换成电量(电流或电压)。
Atmosphere Windows 1-3 µm (SWIR) : 透射率大于80%，用于光纤通迅 3-5 µm (MWIR) :透射率60-70% 8-14 µm (LWIR) :透射率80%
3.1.7 光热效应: 热释电效应
热释电效应是通过热电材料实现的。热电材料 是结晶对称性很差的晶体，该类材料在温度发生变 化时，其内部自发极化强度发生改变，会在材料表 面呈现出相应于温度变化的面电荷变化。
它是响应与材料的温度变化率，所以比其它热 效应的响应速度要快得多，已获得日益广泛的应用。
工作时不用冷却，也不用加偏压，使用方便， 光谱响应范围很宽，已广泛用于辐射测量。
引言
国外的研究现状
➢非致冷红外焦平面列阵
目前主要研制铁电型和热敏电阻型焦平 面列阵，如以铁电陶瓷制作的384×288元 的热释电红外探测器；氧化钒热敏电阻制 成的非致冷红外焦平面已达到640×480元 的规模。
引言
国外的研究现状
Ø量子阱红外焦平面列阵
目前，大多数QWIPs是用GsAs/AlGaAs（中 远红外）和InGaAs/InAlAs（近红外）制备的。 美国NASA/ARL 研制的1024×1024元焦 平面，NASA/JPL 研制的640×512元四色焦平 面，代表了当前的最高研究水平。
上升，从而使探测元件的电学性质或其它物理性
质发生变化。
v光子效应对光波频率表现出选择性，其响应速度比较快，灵 敏度高。
v热效应对光波频率没有选择性，但光谱响应范围较宽且较平 坦。
3.1.1 外光电效应: 光电发射效应
当光照射在物体表面上时，物体表面有电子（光电子） 逸出的现象，称为光电发射效应。
Ek hE
3.2 光电探测器的性能参数
量子效率η 灵敏度R/响应时间 噪声等效功率NEP 归一化探测度D*
引言
国内目前的研究现状
从器件规模上：已经从红外单元器件向大规模
红外焦平面阵列探测器发展；
从波段上： 短波1—3μm，中波3—5μm和
长波8—14μm都有器件的研制.
从器件的工作温度上：在研制低温下工作的器
件同时，发展在室温下工作的非制冷焦平面器 件。
❖ 上海技术物理研究所对碲镉汞和量子阱红
外焦平面探测器件等方面进行了系统研究。
+u
光电导： GeLN2 (nnpp)
光电流：iuGeL N 2u(nnpp)
3.1.3 内光电效应: 光生伏特效应
原理：入射光子产生电子空穴对，内部电势垒的内建电 场将把电子-空穴对分开，从而在势垒两侧形成电荷堆 积，形成光生伏特效应。
结区
i
p
光
n
+
-
+
Ei
无光照 光照下
光生伏特
u
V
0
i0 短路光电流
气体繁流倍增
应
打拿极倍增
通道电子倍增
光电管
充气光电管 光电倍增管 像倍增管
（1）光电导效应
光导管或光敏电阻
内 （2）光生伏特效应
光 电 效
PN结和PIN结（零偏） PN结和PIN结（反偏）
应 雪崩
肖特基势垒
光电池 光电二极管 雪崩光电二极管 肖特基势垒光电二极管
Fra Baidu bibliotek
p-n-p结和n-p-n结 异质结
光电三极管
引言
电磁波谱图
引言
1.2 红外光电探测器的研究现状
❖国外研究现状:
➢红外焦平面列阵(IRFPA) :
美、法和英等发达国家，基于碲镉汞材料的单色 红外焦平面器件的技术已经成熟，以480×4元长波和 512×512元中波为代表的焦平面器件已基本取代了多 元光导线列通用组件。
已实现向更大规模的凝视型焦平面列阵探测器、 双色探测器的发展，长波器件达到640×480元，中、 短波达到2048×2048元的规模。
引言
目前主要研究方向
❖ 目前红外光电探测器主要集中在多色红
外焦平面列阵、量子阱红外探测器、非制冷 红外焦平面探测器、 THz级联激光器和单光 子远红外探测器等新型器件的研究。
2. 红外光电探测器的分类
光子探测器的原理及相应的探测器分类
效应
相应的探测器
外 （1）光阴发射光电子
光 （2）光电子倍增
电 效
3.1.5 光热效应: 辐射热效应
利用辐射热效应而引起电阻变化的热探测器应 称之为测辐射热计（Bolometer），俗称热 敏电阻。
3.1.6 光热效应: 温差电效应
原理:当两种不同的配偶材料，两端并联熔接时，当 光照熔接端（称为电偶接头）时，吸收光能使电偶 接头温度升高，电表就有相应的电流读数，电流的 数值就间接反映了光照能量的大小。
Ek
1 2
mv2
为光电子的初动能,hv是入射光子的能量,
E 为光电发射物体的功函数。
载止波长：
c
hc E
1.24 (m)
E(eV)
3.1.2 内光电效应: 光电导效应
机理：半导体吸收有足够能量入射的红外光子，产生电子 空穴对，使得半导体的电导率增加，对其加一个恒定的偏 流，检测电导率的变化。
hv hv
3. 光电探测器的基本理论
3.1 光电探测器的工作原理 3.2 光电探测器的性能参数
3.1 光电探测器的基本工作原理
光子 入射光子流与探测材料相互作用产生的光电效应，
物
效应
探测器吸收到光子后，直接引起原子或分子内部 电子状态的改变。
理
效 光热 利用辐射热效应。
应 效应 探测器吸收光辐射能量后，引起探测器元件温度
（3）光电磁效应
光电磁探测器
热探测器的原理及相应的探测器分类
效应
相应的探测器
（1）测辐射热计
负电阻温度系数 热敏电阻测辐射热计
光 正电阻温度系数
热
超导
效 应
（2）温差电效应
金属测辐射热计 超导远红外探测器 热电偶、热电堆
（3）热释电效应
热释电探测器
（4）其它
高莱盒，液晶等
单元器件
线列结构
焦平面
光照零偏PN结产生开路电压的效应，称为光伏效 应。这就是光电池的工作原理。
光照反偏条件下工作时，观测到的光电信号是光 电流，而不是光电压，这便是结型光电探测器的 工作原理。反偏的PN结通常称为光电二极管。
光伏探测器在理论上能达到的最大探测率比光电 导探测器大40％，而且能零偏置工作，是高阻抗 器件，即使加反向偏置，偏置功耗很低。与同样 为高阻抗的CMOS读出电路很容易匹配。
内容
❖ 引言 ❖ 红外探测器的分类 ❖ 红外探测器的基本理论 ❖ 中远红外焦平面探测器 ❖ 红外探测器的发展历程与应用
引言
1.1 红外光电探测器
❖
红外光电探测器是将接收到的红外辐射量转
换成电量(电流或电压)。
Atmosphere Windows 1-3 µm (SWIR) : 透射率大于80%，用于光纤通迅 3-5 µm (MWIR) :透射率60-70% 8-14 µm (LWIR) :透射率80%
3.1.7 光热效应: 热释电效应
热释电效应是通过热电材料实现的。热电材料 是结晶对称性很差的晶体，该类材料在温度发生变 化时，其内部自发极化强度发生改变，会在材料表 面呈现出相应于温度变化的面电荷变化。
它是响应与材料的温度变化率，所以比其它热 效应的响应速度要快得多，已获得日益广泛的应用。
工作时不用冷却，也不用加偏压，使用方便， 光谱响应范围很宽，已广泛用于辐射测量。
引言
国外的研究现状
➢非致冷红外焦平面列阵
目前主要研制铁电型和热敏电阻型焦平 面列阵，如以铁电陶瓷制作的384×288元 的热释电红外探测器；氧化钒热敏电阻制 成的非致冷红外焦平面已达到640×480元 的规模。
引言
国外的研究现状
Ø量子阱红外焦平面列阵
目前，大多数QWIPs是用GsAs/AlGaAs（中 远红外）和InGaAs/InAlAs（近红外）制备的。 美国NASA/ARL 研制的1024×1024元焦 平面，NASA/JPL 研制的640×512元四色焦平 面，代表了当前的最高研究水平。
上升，从而使探测元件的电学性质或其它物理性
质发生变化。
v光子效应对光波频率表现出选择性，其响应速度比较快，灵 敏度高。
v热效应对光波频率没有选择性，但光谱响应范围较宽且较平 坦。
3.1.1 外光电效应: 光电发射效应
当光照射在物体表面上时，物体表面有电子（光电子） 逸出的现象，称为光电发射效应。
Ek hE
3.2 光电探测器的性能参数
量子效率η 灵敏度R/响应时间 噪声等效功率NEP 归一化探测度D*
引言
国内目前的研究现状
从器件规模上：已经从红外单元器件向大规模
红外焦平面阵列探测器发展；
从波段上： 短波1—3μm，中波3—5μm和
长波8—14μm都有器件的研制.
从器件的工作温度上：在研制低温下工作的器
件同时，发展在室温下工作的非制冷焦平面器 件。
❖ 上海技术物理研究所对碲镉汞和量子阱红
外焦平面探测器件等方面进行了系统研究。
+u
光电导： GeLN2 (nnpp)
光电流：iuGeL N 2u(nnpp)
3.1.3 内光电效应: 光生伏特效应
原理：入射光子产生电子空穴对，内部电势垒的内建电 场将把电子-空穴对分开，从而在势垒两侧形成电荷堆 积，形成光生伏特效应。
结区
i
p
光
n
+
-
+
Ei
无光照 光照下
光生伏特
u
V
0
i0 短路光电流
气体繁流倍增
应
打拿极倍增
通道电子倍增
光电管
充气光电管 光电倍增管 像倍增管
（1）光电导效应
光导管或光敏电阻
内 （2）光生伏特效应
光 电 效
PN结和PIN结（零偏） PN结和PIN结（反偏）
应 雪崩
肖特基势垒
光电池 光电二极管 雪崩光电二极管 肖特基势垒光电二极管
Fra Baidu bibliotek
p-n-p结和n-p-n结 异质结
光电三极管
引言
电磁波谱图
引言
1.2 红外光电探测器的研究现状
❖国外研究现状:
➢红外焦平面列阵(IRFPA) :
美、法和英等发达国家，基于碲镉汞材料的单色 红外焦平面器件的技术已经成熟，以480×4元长波和 512×512元中波为代表的焦平面器件已基本取代了多 元光导线列通用组件。
已实现向更大规模的凝视型焦平面列阵探测器、 双色探测器的发展，长波器件达到640×480元，中、 短波达到2048×2048元的规模。
引言
目前主要研究方向
❖ 目前红外光电探测器主要集中在多色红
外焦平面列阵、量子阱红外探测器、非制冷 红外焦平面探测器、 THz级联激光器和单光 子远红外探测器等新型器件的研究。
2. 红外光电探测器的分类
光子探测器的原理及相应的探测器分类
效应
相应的探测器
外 （1）光阴发射光电子
光 （2）光电子倍增
电 效
3.1.5 光热效应: 辐射热效应
利用辐射热效应而引起电阻变化的热探测器应 称之为测辐射热计（Bolometer），俗称热 敏电阻。
3.1.6 光热效应: 温差电效应
原理:当两种不同的配偶材料，两端并联熔接时，当 光照熔接端（称为电偶接头）时，吸收光能使电偶 接头温度升高，电表就有相应的电流读数，电流的 数值就间接反映了光照能量的大小。
Ek
1 2
mv2
为光电子的初动能,hv是入射光子的能量,
E 为光电发射物体的功函数。
载止波长：
c
hc E
1.24 (m)
E(eV)
3.1.2 内光电效应: 光电导效应
机理：半导体吸收有足够能量入射的红外光子，产生电子 空穴对，使得半导体的电导率增加，对其加一个恒定的偏 流，检测电导率的变化。
hv hv
3. 光电探测器的基本理论
3.1 光电探测器的工作原理 3.2 光电探测器的性能参数
3.1 光电探测器的基本工作原理
光子 入射光子流与探测材料相互作用产生的光电效应，
物
效应
探测器吸收到光子后，直接引起原子或分子内部 电子状态的改变。
理
效 光热 利用辐射热效应。
应 效应 探测器吸收光辐射能量后，引起探测器元件温度
（3）光电磁效应
光电磁探测器
热探测器的原理及相应的探测器分类
效应
相应的探测器
（1）测辐射热计
负电阻温度系数 热敏电阻测辐射热计
光 正电阻温度系数
热
超导
效 应
（2）温差电效应
金属测辐射热计 超导远红外探测器 热电偶、热电堆
（3）热释电效应
热释电探测器
（4）其它
高莱盒，液晶等
单元器件
线列结构
焦平面
光照零偏PN结产生开路电压的效应，称为光伏效 应。这就是光电池的工作原理。
光照反偏条件下工作时，观测到的光电信号是光 电流，而不是光电压，这便是结型光电探测器的 工作原理。反偏的PN结通常称为光电二极管。
光伏探测器在理论上能达到的最大探测率比光电 导探测器大40％，而且能零偏置工作，是高阻抗 器件，即使加反向偏置，偏置功耗很低。与同样 为高阻抗的CMOS读出电路很容易匹配。