中远红外焦平面探测器

（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

n


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+
-
+
Ei
无光照 光照下
光生伏特
u
V
0
i0 短路光电流
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。
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。
HgTe与CdTe之间的晶格失配小，约为0.3% CdZnTe是与HgCdTe晶格匹配的优质衬底。
HgCdTe可以按任何比例混合，构成一种禁带宽度连续变化的材 料，而且工作温度较高，是目前性能最好、使用最广泛也最有 发展潜力的半导体红外光电探测器材料。
HgCdTe器件结构
通过铟丘互连的背照式混成HgCdTe焦平面列阵的结构图
中远红外焦平面探测器 的研究与进展
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%
Microwave
Infrared Detector Performance at FOV=180, 300K background
InGaAs
Cooled radiometers
Si Diode InAs(PC, 77K)
PC BLIP, 300K
NbN/NbTiN film HEB (4K) InSb HEB (4K)
读出电路 电荷耦合器件（CCD） 金属氧化物半导体场效应管（MOSFET） 电荷注入（CAM）
制冷方式： 制冷型 D*~1011 cmHz1/2W-1 ，响应时间us 非制冷型 D*~109 cmHz1/2W-1 ，响应时间ms
铟柱将阵列上的每一个红外探测器与多 路传输器一对一地准确地配接起来，从 而使红外探测器阵列能够和单片式结构 相似地将所采集的图像信号通过多路传 输器输送出去，完成全部的功能。
响应时间：（上升时间和下降时间）
当探测器的输入光信号为方波时，输出信号的电流从最大值 的90%减小到10%所需的时间称为下降时间τd，以及从最大 值的10%上升到90%所需的时间称为上升时间τr。
3.2.3 噪声等效功率NEP
（1）实际上，当P0=0时，光电探测器的输出电流并 不为0，这时的电流就称为暗电流in。
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*
3.2.1 量子效率η
在半导体内部，入射光生成的电子-空穴对与入射 的光子数量之比。
定义式：
h=
I ph e P0 hv
=
I phhv P0e
式中P0是入射到探测器表面的光功率，Iph是产生 的光电流，hv是入射光子能量。
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
hv hv
+u
光电导：
G

eN L2
(n n


p
p
)
光电流： i

uG

eNu L2
(n n

p
p
)
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

1.E+03
1.E+04
Wavelength (um)
Hg1-xCdxTe（MCT）IRFPA
MCT材料的特性
能隙
带隙在0.7-25um内可调
直接带隙，吸收系数高；
热膨胀系数与Si膨胀系数 相近，而且极易钝化；
用于红外各波段的MCT材 料具有接近相同的晶格常 数。
Cd0.96Zn0.04Te
3.2.2 光谱响应度和响应时间
光谱响应度是光电探测器光电转换特性的量 度，定义为输出信号的光电流或电压与入射的辐 射光功率。

Ri = Iph/Po [A W-1] 电流响应度

Ru = Vd/Po [V W-1] 电压响应度
Iph和Vd 分别指输出信号的光电流和电压，Po入射光功 率

Ri = he/h he/hc
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
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。
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。
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 h E
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
p-n-p结和n-p-n结 异质结
光电三极管
（2）NEP用来表征探测器探测能力，定义为相应于单 位信噪比的入射光功率：
NEP P Vn Vd Vn Ru
[W]
Vn是指器件输出暗噪声电压的有效值，Ru为电压响应度。
（3）NEP越n小，探测器探测微弱信号的能力越强。
3.2.4 归一化探测度D*
D*与NEP直接相关。
D* Aopt BW NEP
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。
Ek

1 mv2 2
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。
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
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。
D* (cmHz1/2W-1) NEP = (Sensitive Area)1/2/D*
1.E+11 1.E+10
PbS(PC,193K) PbS(PC,77K)
MCT, MW(77K) InSb(77K)
MCT, LW(77K) Ge:Cu(4K)
Si or Ge HEB (hot-electron-bolometer, 4K)
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。
Ge:Ga(4K)
Ge:Ga(4K), Stressed
Golay cell
Radiometers Uncooled bolometers
1.E+09
1.E+08 1.E-01
Si:As(4K)
QWIP(77K) Ge:Zn(4K)
1.E+00
1.E+01
1.E+02
EO crystals
Thermopile
[cmHz1/2W-1]
式中Aopt为器件受光面积,BW为(噪声)带宽。
D*越大的探测器其探测能力一定好。
4 红外焦平面探测器（IRFPA）
原理：焦平面上排列着感光元件阵列，入射 光线经过光学系统成像在系统焦平面的这些 感光元件上，探测器将接受到光信号转换为 电信号，并通过信号读出电路(包括积分放大、 采样保持和多路传输系统)输出形成图像。
(a)
(b)
第二代光伏型HgCdTe焦平面探测器的两种扫描方式： （a）扫描型 和（b）凝视型
几种材料的红外凝视焦平面阵列元数的增长，及2010年前的变 化趋势预测。
几种工作在中远红外探测的材料
Material Name
Mer-Cad-Tel
Symbol
HgCdTe
Eg (eV)
可调
c (m)
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。
The evolution of three generations of HgCdTe IRFPA
HgCdTe Photoconduction(PC)
长波HgCdTe光导型探 测器的特性参数： • 50-100Ω/cm2 • 105 V/W at 1 mA bias for a 50×50μm device. • D* about 80% of background limit. • Photon noise level of a few nV/Hz.
Operating Temp. (K)
0.7 – 25 50 - 250
Indium
InSb
0.189
6.55
80
Antimonide
Arsenic doped Si:As
0.05
24.8
10
Silicon
1.E+13 1.E+12
Ultrvoilet Visible
Infrared
TeraHertz
IRFPA与单元器件或线列器件相比的优点
集成光电转换和信号读出处理于一体； 由于具有对信号积分累加，因而提高系统的灵敏
度和分辨率； 简化信号处理电路，降低对制冷系统的要求，减
小系统体积，降低功耗和成本。
IRFPA的分类
结构： 单片式 混合式
光学系统的扫描方式： 扫描型:采用时间延迟积分技术，采用串行方式读取电信号 凝视型:无需延迟积分，速度快，采用并行方式读取电信号。