光电焦平面阵列
美国喷气推进实验室(JPL)的红外探测器与焦平面阵列研究
Ｊ Ｌ 的红 外 光 子 技 术 小 组 Ｐ
自发 形 成 的 岛状 纳 米颗 粒 。
已经对 Ｑ Ｐ焦 平面 阵列技 术 ＷＩ 薛定谔波 动方程 来计 算 出这 些 进 行 了探 索 性 的研 究 ，这 些 工
容 许 能 级 ， 它们 的值 与 电子 的
我 们 可 以通 过 求解 不 含 时
人们 期望 Ｑ Ｉ 的性能可 ＤＰ 以超过 Ｑ Ｐ，并 盼其 能表 现 ｗＩ 面 阵列更 有优 势。 Ｑ Ｉ Ｄ Ｐ文和 得 比 基 于 Ⅱ 一Ｖ 族 材料 的 焦 平 ０ Ｉ
１ 专 利 所 证 明 。对 于 最 初 的 ７项
质 量和大小 以及 量子 阱 的形 状
有 关 。 于 方 形 量 子 阱，能 级值 对
单色 Ｑ Ｐ摄 像机， ｗＩ 其全 部的研 作过程 中采 用 了坚 固 的宽 带隙 直接取决于量子 阱的尺 寸 （ 宽度 究成果 已经被 加州理 工 学院推 Ⅲ Ｖ族材料， 该材料很 适合生 和 阱深） 。在低温条件 下，电子 基 态） 。当光子 照射 量子 阱时， 它能 够 把 自 己 的 能量 传 递 给 阱 中的基 态 电子，并将其 激发 到
技 术 基 石 。 ２０ ，美 国食 品 ０１年
延 （ Ｅ ＭＢ ）技 术 生 长 了 基 于 Ｉ ｎ 层 长 波 红 外 量 子 点 结 构 。依 靠 在 Ｑ Ｐ 方 面 的 丰 富经 验 ，通 ＷＩ
药 物 管 理 局 批 准 了 Ｏ ｉｏｄｒ Ａ ／ Ｇ Ａ ／ ａ ｓ ｍｎＣ ｒｅ ｓＩ ａ ｓＧ Ａ 材料体 系 的多 ｎ
・ 热灵敏度 （ 小于 １ｍ ） ０ Ｋ 高
・无 需 频 繁 的 阵 列 定 标
・成 本 低
测 的设 计 思想 ，我 们可 以通 过 就有稳态光 电流 （ 入射光子 的通 量 子 力 学 的基 本 原 理 来 加 以 量） 过 。因此 ， ｑ Ｐ 的 光 谱 经 ｗＩ 理 解。一个 电子处 于方 形 量子 响应 非 常窄 ， 锐 度 是 由两个 相 其 阱 中，这是基 本 量 子力 学 中的 “ ａｔｌ ｉ ａ ｏ ” ｐ ｒｃ — — ｂｘ 经典 模型。 ｉｅ ｎ － 关能 态 的能量 间隔来 决定 的。 于是， 通过 改变量子 阱的宽度和
焦平面APD探测器的国内外技术现状和发展趋势
红外焦平面探测器的国内外技术现状和发展趋势一、焦平面APD探测器的背景及特点焦平面APD探测器主要是由：APD阵列和读出电路(ROIC)两部分组成，其中APD是核心元件。
1、APD雪崩光电二极管（APD）是一种具有内部增益的半导体光电转换器件，具有量子响应度高、响应速度快、线性响应特性好等特点，在可见光波段和近红外波段的量子效率可达90%以上，增益在10～100倍，新型APD材料的最大增益可达200倍，有很好的微弱信号探测能力。
2、APD阵列的分类按照APD的工作的区间可将其分为：Geiger-modeAPD（反向偏压超过击穿电压）和线性模式APD（偏压低于击穿电压）两种。
（1）Geiger-modeAPD阵列的特点优点：1）极高的探测灵敏度，单个光子即可触发雪崩效应，可实现单光子探测；2）GM-APD输出信号在100ps量级，即有高的时间分辨率，进而有较高的距离分辨率，厘米量级；3）较高的探测效率，采用单脉冲焦平面阵列成像方式；4）较低的功耗，体积小，集成度高；5）GM-APD输出为饱和电流，可以直接进行数字处理，读出电路(ROIC)不需要前置放大器和模拟处理模块，即更简单的ROIC。
缺点：1）存在死时间效应：GM-APD饱和后需要一定时间才能恢复原来状态，为使其可以连续正常工作需要采用淬火电路对雪崩进行抑制。
2）GM-APD有极高的灵敏度，其最噪声因素更加敏感，通道之间串扰更严重。
（2）线性模式APD阵列的特点优点：1）光子探测率高，可达90%以上；2）有较小的通道串扰效应；3）具有多目标探测能力；4）可获取回波信号的强度信息；5）相比于GM-APD，LM-APD对遮蔽目标有更好的探测能力。
缺点：1）灵敏度低于GM-APD；（现今已经研制出有单光子灵敏度的LM-APD）2）读出电路的复杂度大于GM-APD（需对输入信号进行放大、滤波、高速采样、阈值比较、存储等操作）。
（其信号测量包括强度和时间测量两部分）按照基底半导体材料APD可分为：SiAPD、GeAPD、InGaAsAPD、HgCdTeAPD。
美国海军要求企业为无人机之类所用小系统发展廉价焦平面阵列
据 ｗｗｗ． ｓ ｒｏ ｕ ｗｏ ｌ．－ 能够 探测各 种有 害 气体 的新 系 １ ｅ ｆ ｃ ｓ ｒｄｃ ａ
ｏ 网站 报 道 ，瑞 典 Ｉ ｎｖ ｍ Ｒ ｏａ公 统 而 不 懈 努 力 。 司 最近推 出一款 可用 于探 测 强 Ｉ ｎｖ Ｒ ｏａ公 司的首席 执行 官 温 室气体 Ｓ ６的新 型量 子 阱红 说 ，该 公 司有 能力 为 这 些应 用 Ｆ 外 光 电探 测 器 。 （ 只 是 Ｓ ６探 测） 不 Ｆ 提供 有 效 的 这 款 新 型 ３０×２６元 探 测 探 测 器 解 决 方 案 。他 们 已 经 看 ２ ５ 器 的 峰 值 波 长 为 １．５ ０ ｍ ，可 到 了 一 个 非 常 有 趣 的快 速 增 长 ５ 满 足 用 户 研 制 用 于 探 测 电站 强 的市 场 ，他 们 渴 望 成 为 该 市 场 力 温 室气体 Ｓ ６（ Ｆ 六氟化 硫）的 的一个 主要 供应 商 。这 种新 产 系 统 的要 求。 品 总值 将 达 该 公 司 红 外 探 测 器 为 了最 大 限度 地减 少 对全 产 品广 泛投 资组合 ，符 合该 公 球 变 暖起 作 用 的 气 体 泄 漏 现 司增 加量 子 阱红外 光 电探 测器
计 的原 型器件 ，并 计划 于 ２ １ ０２ 象 ，许 多 国家如 中 国正在 实施 工业用 途 的 目标 。 年 第二季度 开始批量 出货。 些相 关条 例 。全 世界 的摄像 Ｉ ｎｖ Ｒ ｏａ公 司可 以对 探 测器 机 ／系 统制造 商也都 在为 研 制
的峰值 波长 进行 量 身 定制 ，以
一
满足 对 几种不 同气体 的探 测要 求 。这 些 探 测 器 可 以用 于 气 体 和石 油工 业，它们 可 以通过 固 定 的和机 载 的摄 像机 系统对 管 道进行 监视。 这 种新 的探测 器 既可 以按 焦 平 面 阵 列 形 式 供 应 ，也 可 以 按探 测器 杜 瓦制 冷机 组件 形 式 供应 。它们 需要被 冷却 到 ６ ０Ｋ 以 下 温度 。 Ｉｎｖ Ｒ ｏａ公 司 已经 在 ２１ ０１年 第 ４季 度 提 供 了用 于 评 价 和 设
光学读出热成像焦平面阵列的制作技术
第36卷，增刊红外与激光工程狮年9月1Vr01．36Suppl e m e nt1116盈I_ed and L．a s er E ngi I l oef i ng S印．2(X y7光学读出热成像焦平面阵列的制作技术冯飞，李珂，杨广立，闰许，熊斌，王跃林(中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海200050)摘要：光学读出热成像是一种新型的红外成像技术，它基于双材料效应和光学原理实现像转换与像增强，具有高性价比的潜在优势。
光学读出热成像焦平面阵列由可动微镜阵列构成，其制作技术是光学读出热成像技术的重要研究内容之一。
目前，国内外的研究者已发展了基于表面微机械、一体微机械以及表面，体微机械工艺的3种制作技术，前两者各有优缺点，而基于表面／体硅微机械工艺的制作技术则兼顾了前两者的优点。
关键词：光学读出热成像；焦平面阵列；微机械工艺中圈分类号：TN215文献标识码：A文章编号：1007．2276(2007)增(探测与制导)．0483—04Fabr i cat i on t e chnol ogy of opt i caU y r e adabl e t her m al i m agi ngf ocal pl a ne ar r ayFE N G Fei，U K e，Y A N G G u粗g—l i，Y A N X u，ⅪoN G B i I l，W蝌G Y ue—l i n(Sh鲫ghai I I l s t it I I t e o f M i cm syst cm柚dInfom l at i叽慨hnol ogy．(耻∞∞A cadcm y0f Sci∞ccs，Sh锄gh ai200050，C h i l l a)A bs t r act：O pt i cal l y r e am bl e m e m a l i m a gi ng，a noV el i n缸ar ed i m agi II g t e cl l I l ol ogy bas ed o nbi l l l at er i al ef!I’e ct and opt i ca l pri nc i pl e，has pot e nt i a l r ne r i t of l l i gh peI f bnnan ce pri ce r at i o．opt i ca l l y r eadab l e t l l e呻al i m a gi ng f oca l pl a l l e anr ay(oR一Ⅱ一H'A)consi st s of m oV abl e rni croⅡl in．or蝴y．’nlef abr i c撕on t echn ol ogy of O R—T I—FP l A is on e of t l le i m pom m t r es ear ch subj ect s．N ow t hI’ee f al试cal i ont ccl l l l ol og i es of O R—TI—FPA，w l l i ch ar e bas ed on sum l c e r nj cr om achi I l i ng，bu l k m i crom achi ni ng卸ds疵饥ul l(IIlicm m acll illing pr oces s，haV e be en deV el oped．T he f om er t w o t echnol ogi es ha V e t11eir m er i t s aI l d di sadV an住唱e s，aI l d tl l e l at t er com bi nes t l le m er i t s of t he f o加er t w o．K ey啪rds：opt i cal l y r eadabl e m e衄al i m ag她；Focal pl aI l e ar r ay；M i cr om acl l i l l ing pr oces sO引言红外成像技术在军事、民用领域均有十分广泛的应用。
红外焦平面阵列
2.4.1 光电转换原理
为了便于理解在后面将要引入的光伏探测器 的等效电路,我们先讨论一下光伏探测器的 光电转换规律是十分必要的. PN结光伏探测器的典型结构如图所示. PN结光伏探测器的典型结构如图所示. 为了说明光功率转换成光电流的关系, 光子 我们设想光伏探测器两端被短路, 电极 并用一理想电流表记录光照下 SiO 2 耗尽层 流过回路的电流,这个电流常常 n 电极 称为短路光电流 称为短路光电流. 短路光电流. n+
p+
PN结光伏探测器的作用原理如图所示: PN结光伏探测器的作用原理如图所示: 假定光生电子假定光生电子-空穴对在结的结区,即耗尽 区内产生.由于内电场作用,电子从n 区内产生.由于内电场作用,电子从n区向 p区漂移运动,被内电场分离的电子和空穴 就在外回路中形成电流.
p Ec EF Ev o 光生空穴 p
几 种 国 产 硅 光 电 池 的 特 性
2.4.4 光电二极管
光电二极管和光电池一样,其基本结构也 是一个PN结. 是一个PN结. 它和光电池相比,重要的不同点是结面积 它和光电池相比,重要的不同点是结面积 ,因此它的频率特性特别好 频率特性特别好. 小,因此它的频率特性特别好. 光生电势与光电池相同,但输出电流普遍 比光电池小,一般为数微安到数十微安. 按材料分,光电二极管有硅,砷化稼,锑 按材料分,光电二极管有硅,砷化稼,锑 化锢,铈化铅光电二极管等许多种. 按结构分,也有同质结 异质结之分.其 同质结与 按结构分,也有同质结与异质结之分.其 中最典型的还是同质结硅光电二极管.
为了减小暗电流,设置一个N Si的环把受光面(N Si)包围起 为了减小暗电流,设置一个N+-Si的环把受光面(N-Si)包围起 来,并从N Si环上引出一条引线(环极),使它接到比前极电 来,并从N+-Si环上引出一条引线(环极),使它接到比前极电 位更高的电位上,为表面漏电子流提供一条不经过负载即可达 到电源的通路.
铟镓砷光电探测器及其焦平面阵列
这段话提出了铟镓砷焦平面阵列制造过程中的挑战，为未来的研究指明了方 向。
“随着新材料和新工艺的研究与发展，铟镓砷光电探测器的性能将进一步提 高，其在各个领域的应用也将更加广泛。”
这句话展望了铟镓砷光电探测器未来的发展趋势和可能的应用领域，给人以 无限想象。
阅读感受
最近我读了一本关于铟镓砷光电探测器及其焦平面阵列的书籍，这本书让我 对铟镓砷光电探测器及其焦平面阵列有了更深入的了解。
铟镓砷光电探测器及其焦平面 阵列
读书笔记
01 思维导图
03 精彩摘录 05 目录分析
目录
02 内容摘要 04 阅读感受 06 作者简介
思维导图
本书关键字分析思维导图
阵列
介绍
光电
平面
优化
光电
应用
阵列
探测器
探测器 材料
工艺
平面
性能
深入
制备
结构设计
详细
机制
内容摘要
内容摘要
《铟镓砷光电探测器及其焦平面阵列》是一本深入探讨铟镓砷光电探测器及其焦平面阵列的书籍， 本书全面介绍了铟镓砷光电探测器的物理机制、材料制备、性能优化以及在焦平面阵列中的应用。 本书深入探讨了铟镓砷光电探测器的物理机制。铟镓砷是一种半导体材料，具有直接带隙和高温 工作能力，是光电探测器的重要候选材料。书中详细介绍了铟镓砷材料的能带结构、载流子输运 特性以及光吸收和光生载流子的动力学过程。 本书详细描述了铟镓砷光电探测器的制备工艺和性能优化。制备工艺包括材料生长、器件结构设 计、薄膜制备和后处理等环节。性能优化部分重点介绍了如何通过材料选择、结构设计和工艺控 制等因素来提高光电探测器的响应速度、灵敏度和稳定性。 本书还详细介绍了铟镓砷焦平面阵列的结构和工作原理。
焦平面APD探测器的国内外技术现状和发展趋势
红外焦平面探测器的国内外技术现状和发展趋势一、焦平面APD探测器的背景及特点焦平面APD探测器主要是由：APD阵列和读出电路(ROIC)两部分组成，其中APD是核心元件。
1、APD雪崩光电二极管（APD）是一种具有内部增益的半导体光电转换器件，具有量子响应度高、响应速度快、线性响应特性好等特点，在可见光波段和近红外波段的量子效率可达90%以上，增益在10～100倍，新型APD材料的最大增益可达200倍，有很好的微弱信号探测能力。
2、APD阵列的分类按照APD的工作的区间可将其分为：Geiger-modeAPD（反向偏压超过击穿电压）和线性模式APD（偏压低于击穿电压）两种。
（1）Geiger-modeAPD阵列的特点优点：1）极高的探测灵敏度，单个光子即可触发雪崩效应，可实现单光子探测；2）GM-APD输出信号在100ps量级，即有高的时间分辨率，进而有较高的距离分辨率，厘米量级；3）较高的探测效率，采用单脉冲焦平面阵列成像方式；4）较低的功耗，体积小，集成度高；5）GM-APD输出为饱和电流，可以直接进行数字处理，读出电路(ROIC)不需要前置放大器和模拟处理模块，即更简单的ROIC。
缺点：1）存在死时间效应：GM-APD饱和后需要一定时间才能恢复原来状态，为使其可以连续正常工作需要采用淬火电路对雪崩进行抑制。
2）GM-APD有极高的灵敏度，其最噪声因素更加敏感，通道之间串扰更严重。
（2）线性模式APD阵列的特点优点：1）光子探测率高，可达90%以上；2）有较小的通道串扰效应；3）具有多目标探测能力；4）可获取回波信号的强度信息；5）相比于GM-APD，LM-APD对遮蔽目标有更好的探测能力。
缺点：1）灵敏度低于GM-APD；（现今已经研制出有单光子灵敏度的LM-APD）2）读出电路的复杂度大于GM-APD（需对输入信号进行放大、滤波、高速采样、阈值比较、存储等操作）。
（其信号测量包括强度和时间测量两部分）按照基底半导体材料APD可分为：SiAPD、GeAPD、InGaAsAPD、HgCdTeAPD。
焦平面APD探测器地国内外技术现状和发展趋势
红外焦平面探测器的国内外技术现状和发展趋势一、焦平面APD探测器的背景及特点焦平面APD探测器主要是由：APD阵列和读出电路(ROIC)两部分组成，其中APD是核心元件。
1、APD雪崩光电二极管（APD）是一种具有内部增益的半导体光电转换器件，具有量子响应度高、响应速度快、线性响应特性好等特点，在可见光波段和近红外波段的量子效率可达90%以上，增益在10～100倍，新型APD材料的最大增益可达200 倍，有很好的微弱信号探测能力。
2、APD阵列的分类按照APD的工作的区间可将其分为：Geiger-mode APD（反向偏压超过击穿电压）和线性模式APD（偏压低于击穿电压）两种。
（1）Geiger-mode APD阵列的特点优点：1）极高的探测灵敏度，单个光子即可触发雪崩效应，可实现单光子探测；2）GM-APD输出信号在100ps量级，即有高的时间分辨率，进而有较高的距离分辨率，厘米量级；3）较高的探测效率，采用单脉冲焦平面阵列成像方式；4）较低的功耗，体积小，集成度高；5）GM-APD输出为饱和电流，可以直接进行数字处理，读出电路(ROIC)不需要前置放大器和模拟处理模块，即更简单的ROIC。
缺点：1）存在死时间效应：GM-APD饱和后需要一定时间才能恢复原来状态，为使其可以连续正常工作需要采用淬火电路对雪崩进行抑制。
2）GM-APD有极高的灵敏度，其最噪声因素更加敏感，通道之间串扰更严重。
（2）线性模式APD阵列的特点优点：1）光子探测率高，可达90%以上；2）有较小的通道串扰效应；3）具有多目标探测能力；4）可获取回波信号的强度信息；5）相比于GM-APD，LM-APD对遮蔽目标有更好的探测能力。
缺点：1）灵敏度低于GM-APD；（现今已经研制出有单光子灵敏度的LM-APD）2）读出电路的复杂度大于GM-APD（需对输入信号进行放大、滤波、高速采样、阈值比较、存储等操作）。
（其信号测量包括强度和时间测量两部分）按照基底半导体材料APD可分为： Si APD、Ge APD、InGaAs APD、HgCdTe APD。
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第一章 绪论..................................................................................................................... 1 1.1 IRFPA 的背景及应用......................................................................................... 1 1.1.1 红外焦平面阵列的背景......................................................................... 1 1.1.2 红外焦平面阵列探测器......................................................................... 2 1.1.3 探测器的应用......................................................................................... 3 1.2 红外焦平面阵列特性参数定义........................................................................ 5 1.2.1 噪音定义................................................................................................. 5 1.2.2 响应度定义............................................................................................. 6 1.2.3 噪声等效功率（NEP）..........................................................................6 1.2.4 探测率..................................................................................................... 7 1.2.5 噪声等效温差（NETD）.......................................................................7 1.2.6 响应时间τ............................................................................................. 8 1.3 章节安排............................................................................................................ 8 第二章 焦平面阵列原理及分类................................................................................... 11 2.1 焦平面阵列基本原理...................................................................................... 11 2.2 焦平面阵列的分类.......................................................................................... 12 2.2.1 根据制冷方式划分............................................................................... 12 2.2.2 依照光辐射与物质相互作用原理划分............................................... 12 2.2.3 按照结构形式划分............................................................................... 12 2.2.4 按成像方式划分................................................................................... 13 2.2.5 根据波长划分....................................................................................... 14 第三章 焦平面阵列进展及应用................................................................................... 15 3.1 非制冷红外焦平面阵列进展.......................................................................... 15 3.1.1 热敏电阻型非制冷红外焦平面阵列进展........................................... 15 3.1.2 热释电型非制冷红外焦平面阵列进展............................................... 16 3.1.3 应用光力学效应的非制冷红外焦平面阵列进展............................... 16 3.1.3 基于法布里-珀罗微腔阵列的非制冷红外焦平面阵列进展.............. 18 3.1.4 非制冷热成像技术的目前应用........................................................... 19 3.2 高性能制冷型红外探测器最新研制进展...................................................... 19 3.2.1 碲镉汞红外焦平面器件....................................................................... 20 3.2.2 量子阱光导体焦平面阵列器件........................................................... 20 3.2.3 InSb 红外焦平面阵列器件....................................................................21 3.2.4 II 类超晶格.............................................................................................21 3.3 国外焦平面阵列进展状况.............................................................................. 22
班 学
级 号
051111 05111082
本科毕业设计论文
题 学 专
目 院 业
红外焦平面成像阵列的发展综述
物理与光电工程学院
电子科学与技术
学生姓名 导师姓名
卢 闯
张建奇
摘要
摘要
焦平面阵列技术的发展起步于上个世纪的七十年代，至今已发展了四十余 年，其应用已广泛到各个领域。而现代现代红外焦平面阵列技术对军事装备更新 换代的深远影响也正在改变现代战场作战的特点和概念。 本文介绍了红外焦平面阵列的原理及其在过去二十年里在光学检测技术上 的进步，并讲述了进入二十一世纪初期的各种红外焦平面阵列技术的发展状况， 包括焦平面探测器元的集成度、像元尺寸、阵列性能、成品和成品率等，分析了 这种技术未来的发展趋势。后面本文从未来应用和市场的角度，结合器件技术讨 论了二十一世纪初期的红外焦平面阵列技术的应用前景。并且评述了军用红外焦 平面阵列技术的进展及其在军事装备方面突出的应用动向，展望了其在军用市场 的未来前景。 关键词：红外焦平面阵列 原理 发展趋势 军事装备
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红外焦平面成像阵列的发展综述
3.3.1 长波红外数字焦平面阵列................................................................... 22 3.3.2 微测辐射热计进展............................................................................... 24 3.4 焦平面阵列的应用.......................................................................................... 26 3.4.1 多光谱和超光谱遥感........................................................................... 27 3.4.2 限制大规模毁灭性武器扩散监控....................................................... 28 3.4.3 太空天文探测....................................................................................... 28 3.4.4 医疗卫生............................................................................................... 29 3.2.5 分配孔径红外传感器的（DAIRS）应用........................................... 30 3.2.6 热武器瞄准器（TWS）.......................................................................31 第四章 焦平面阵列的发展未来................................................................................... 33 4.1 第三代 IRFPA................................................................................................... 33 4.2 焦平面阵列的发展趋势.................................................................................. 36 4.2.1 发展方向............................................................................................... 36 4.2.2 展望....................................................................................................... 37 第五章 结论................................................................................................................... 39 致谢................................................................................................................................. 41 参考文献......................................................................................................................... 43