焦平面探测器典型知识
红外焦平面探测器
红外焦平面探测器介绍红外焦平面探测器（Infrared Focal Plane Array Detector，以下简称IRFPA）是一种用于探测红外辐射的器件，可广泛应用于航天、军事和民用领域。
它能够实时、高效地探测并转换红外辐射能量为电信号，从而实现红外图像的获取和处理。
工作原理IRFPA的工作原理基于红外辐射与物体表面的相互作用。
当红外辐射照射在IRFPA上时，它会导致IRFPA内的感光元件产生电子-空穴对。
感光元件通常由半导体材料制成，如硒化铟（InSb）、硫化镉汞（CdHgTe）等。
这些电子-空穴对随后在感光元件中分离并转换为电信号。
IRFPA的关键组件是焦平面阵列（Focal Plane Array，以下简称FPA），它由大量排列成矩阵的感光元件组成。
每个感光元件都对应于焦平面上的一个像素，因而整个FPA可以同时探测多个红外像素。
这些像素的信号经过放大和处理后，可以生成红外图像。
型号和特性IRFPA的型号和特性各不相同，取决于其应用领域和需求。
以下是一些常见的IRFPA型号和相应的特性：1.分辨率：IRFPA的分辨率指的是其能够探测到的最小单位像素数量。
一般而言，分辨率越高，探测到的红外图像越清晰。
常见的分辨率有320x240、640x480等。
2.帧率：IRFPA的帧率是指其每秒能够获取和处理的红外图像数量。
较高的帧率可以捕捉到快速移动的物体，对于一些动态场景非常重要。
3.波段范围：不同的IRFPA可以探测不同波长范围的红外辐射，如近红外（NIR），短波红外（SWIR），中波红外（MWIR）和长波红外（LWIR）。
选择适当波段范围的IRFPA取决于具体的应用需求。
4.灵敏度：IRFPA的灵敏度是指其能够探测到的最小红外辐射强度。
较高的灵敏度意味着IRFPA可以探测到较微弱的红外辐射，对于一些低信噪比场景非常重要。
应用领域IRFPA在多个领域具有广泛的应用。
以下是一些常见的应用领域：1.热成像：IRFPA可以通过探测物体表面的红外辐射，用于热成像和温度分布检测。
二类超晶格红外焦平面探测器 载流子收集结构
二类超晶格红外焦平面探测器载流子收集结构引言红外焦平面探测器在军事、航天、安防等领域具有广泛的应用。
二类超晶格红外焦平面探测器是一种新型的红外探测器，具有高灵敏度、高分辨率等优点。
其中，载流子收集结构是实现红外焦平面探测器高性能的关键之一。
本文将深入探讨二类超晶格红外焦平面探测器的载流子收集结构。
二类超晶格红外焦平面探测器简介二类超晶格红外焦平面探测器是一种基于超晶格结构的红外探测器。
它采用了二类超晶格结构的探测单元，可以实现在较宽的波长范围内高效率地探测红外辐射。
二类超晶格红外焦平面探测器的载流子收集结构对于提高探测器的性能至关重要。
载流子收集结构的意义载流子收集结构是红外焦平面探测器中的关键组成部分，它主要负责收集探测单元中产生的载流子，并将它们传递到输出电路中。
良好的载流子收集结构可以提高探测器的灵敏度和响应速度，同时降低噪声和暗电流。
常见的载流子收集结构1.金属收集结构：金属收集结构是最常见的载流子收集结构之一。
它利用金属电极将产生的载流子引导到输出电路中。
金属收集结构具有简单、成本低等优点，但由于金属电极的存在，会对红外辐射的探测产生遮挡效应，降低探测器的灵敏度。
2.掺杂区收集结构：掺杂区收集结构采用了掺杂区域来收集载流子。
通过在探测单元的表面或内部形成掺杂区，可以有效地收集载流子。
掺杂区收集结构具有较高的灵敏度和较低的暗电流，但制备工艺较为复杂。
3.引入电场的收集结构：引入电场的收集结构通过引入外加电场的方式，将产生的载流子收集到输出电路中。
它可以提高载流子的移动速度，从而提高探测器的响应速度和灵敏度。
然而，引入电场的收集结构需要额外的电源供应，增加了系统的复杂性。
优化载流子收集结构的方法1.优化电极设计：通过优化金属电极的形状和尺寸，可以减小金属电极对红外辐射的遮挡效应，提高探测器的灵敏度。
2.优化掺杂区设计：通过调节掺杂区的深度和浓度，可以实现更高的载流子收集效率和更低的暗电流。
二类超晶格红外焦平面探测器 载流子收集结构
二类超晶格红外焦平面探测器载流子收集结构二类超晶格红外焦平面探测器载流子收集结构简介二类超晶格红外焦平面探测器是一种用于红外光学系统中的关键元件，用于检测和转换红外辐射为电信号。
其中，载流子收集结构是该探测器的重要组成部分。
载流子收集结构是用于收集探测器中电子和空穴这两种载流子的组织体系。
它的主要作用是有效地收集产生的载流子，并将它们传送到输出电极，从而产生电信号。
在二类超晶格红外焦平面探测器中，常见的载流子收集结构包括PN结、金属-绝缘体-半导体（MIS）结和顶面金属透明电极（TME）。
这些结构的设计都旨在提高载流子的收集效率和响应速度。
PN结是最常见的载流子收集结构之一。
它通过在探测器中形成正负电荷势垒来收集和分离载流子。
当红外辐射进入探测器时，它会促使产生电子和空穴。
这些载流子会受到PN结中的电场作用，被有效地收集到不同的区域，进而形成电信号。
MIS结是另一种常用的载流子收集结构。
它包括金属、绝缘体和半导体三个层次。
当红外光照射到探测器表面时，产生的载流子会在绝缘体和半导体之间形成电荷层。
通过对金属电极的调节，可以控制电荷的收集和传输，进而产生电信号。
顶面金属透明电极（TME）结构是一种通过改变透明电极上的能带结构来实现载流子收集的方法。
这种结构可以提高载流子的传输效率和能量转换效率，从而提高探测器的灵敏度和响应速度。
总之，二类超晶格红外焦平面探测器中的载流子收集结构起着至关重要的作用。
不同的结构设计可以在提高载流子收集效率的同时，保持较高的光电转换效率和响应速度，从而实现更好的红外光检测性能。
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。
非制冷红外焦平面探测器及其典型应用
LWIR
• 长波红外在地面大 气环境的传输最好 • 长波红外与室温目 标的红外辐射光谱 的匹配最好 • 战场环境烟雾环境 Байду номын сангаас应性好 • 非制冷长波红外成 像成本较低
4
红外成像技术优势
隐蔽性好 全天时
被动式目标成像与识别，隐 蔽性好 能真正做到24小时全天时监控， 不受白天黑夜影响 不受电磁影响，能远距离精 确跟踪热目标 可穿透烟雾、雾霾、云雾成像， 在恶劣天气条件下的成像效果 几乎不受影响。
国内红外成像市场发展
与全球红外成像市场相比，国内红外成像市场整体还不太成熟； 国内装备市场底子偏薄、成长空间可观； 测温工具、单目手持夜视个人装备等领域还有很大的增长空间； 随着红外成像在安防、汽车夜间辅助驾驶、无人机、手机等领域的应用，我国 民用红外成像有望呈现爆发式增长。
9
红外成像探测器技术
制冷光子型
原理：光子型探测 优势：成像距离远，成像清晰，响应时间快，可高帧频工作（400Hz)； 劣势：系统功耗大，体积大，成本高，运行时间受制冷机寿命限制； 应用：红外雷达，光电吊舱，导引头等远距离观测与跟踪高端军用
非制冷热式
原理：热式探测原理 优势：SWaP-C 劣势：成像距离较近，不适合点目标，成像图形噪声高 应用：单兵武器、低成本导引头等军用及电力测温、安防，汽车，工业检 测等民用市场
非制冷红外成像技术流派
20世纪90 年代末，非制冷红外焦平面探测器的技术流派基本定型，下图是现今市场上仍保 持占有率的两类micro-bolometer技术（VOx和a-Si ）及其承袭关系。
VOx
Honeywell 1990~1994 LORAL 1996 LOCKHEED MARTIN 2000 SCD NEC BAe System ROCKWELL 1996 BOEING 2001 DRS RAYTHEON Vision System 1992 1997 INDIGO 2004 2004 FLIR L-3 Communications ULIS AMBER HUGHES 1997
功能材料器件HgCdTe红外焦平面探测器
碲镉汞红外焦平面探测器发展现状
第三代红外光电探测器的发展方向包括大面阵化、 双色甚至多色化、提高工作温度、降低功耗和成本 等。这些工作已经在许多国家得到开展，尤其是美 国、英国、法国和德国的顶尖公司已经取得了长足 的进步并实现了初步应用。
HgCdTe红外探测器前沿技术进展
HgCdTe
HOT
大 规 模 探 测 器 阵 列 技 术
红外辐射。如果检测它的存在,测 定它的强弱并将变为其他形式的能 量（多数情况是转变为电能进而转 化为图片或视频图像）以便应用, 就是红外探测器的主要任务。
红外探测器 Hg Cd Te
如果你以为我们讲的主要是 红外探测器本身你就错了！
201211605108
王太升
关于MCT异质结
Pn结，禁带宽度，晶格常数
（211）B面
优点
贵!
衬底
关于均匀性
外延层的均匀性对于长波红外和甚长波 红外MCT焦平面器件质量有着重要影响
均匀性
材料组分
外延层厚度
光学吸收 的均匀性
Hg1-xCdxTe
最大 光谱灵敏度
呈像
关于电学性质
迁移率 红外探测应用要求MCT材料的迁移率尽量高 噪声 信号上附加的无规则起伏。源于导体内自由电子等无规则热运动造成 表面钝化 可以控制隧道漏电和结漏电，防止合金组分随时间变化
201211605119
杨 茜
Thanks for listening
源于导体内自由电子等无规则热运动造成表面钝化可以控制隧道漏电和结漏电防止合金组分随时间变化大部分用于mct光导探测器的钝化工艺都会形成具有较高电导率的表面重积累层使得器件本征电阷减小器件性能降低关于电学性质可是hgcdte国内外目前的发展现状及其前景发展现状背景采用液相外延liquidphalseepitaxylpe法生长hgcdte的技术已经趋于成熟hgcdte可以实现产业化生产
非制冷红外焦平面探测器及其典型应用
SWIR
• 可使用常规可见光 镜头，可透过玻璃 成像
• 可探测1.06μm及 1.55μm激光
• 可复现可见光图像 细节Fra bibliotekMWIR
• 在高温、潮湿的海 洋大气条件下，中 波红外的传输优于 长波红外
• 如舰船发动机等高 温目标中波红外特 征明显
• 中波制冷红外的技 术成熟度
LWIR
• 长波红外在地面大 气环境的传输最好
11
红外成像技术—发展史
1800年， 赫胥尔发现了红外线 （水银温度计）
光机扫描、红外 摄像管技术
1800 1901年，Langley 利用探测到 1/4英里外的一头牛（电阻
1930
式测辐射热计）
1940
光机扫描红外成像技术 非制冷型红外成像技术
1956
AIM-9响尾蛇导弹
民用红外成像有望呈现爆发式增长。
9
红外成像探测器技术
制冷光子型
原理：光子型探测 优势：成像距离远，成像清晰，响应时间快，可高帧频工作（400Hz)； 劣势：系统功耗大，体积大，成本高，运行时间受制冷机寿命限制； 应用：红外雷达，光电吊舱，导引头等远距离观测与跟踪高端军用
• 长波红外与室温目 标的红外辐射光谱 的匹配最好
• 战场环境烟雾环境 适应性好
• 非制冷长波红外成 像成本较低
IRay Confidential
4
红外成像技术优势
隐蔽性好 全天时
被动式目标成像与识别，隐 蔽性好
能真正做到24小时全天时监控， 不受白天黑夜影响
抗电磁干扰
不受电磁影响，能远距离精 确跟踪热目标
准全天候
作用距离远
可穿透烟雾、雾霾、云雾成像， 在恶劣天气条件下的成像效果 几乎不受影响。
16红外焦平面器件
四、红外焦平面器件红外焦平面器件（IRFPA）就是将CCD、CMOS技术引入红外波段所形成的新一代红外探测器，是现代红外成像系统的关键器件。
IRFPA建立在材料、探测器阵列、微电子、互连、封装等多项技术基础之上。
1. IRFPA的工作条件IRFPA通常工作于1～3μm、3～5μm和8～12μm的红外波段并多数探测300K背景中的目标。
典型的红外成像条件是在300K背景中探测温度变化为0.1K的目标。
用普朗克定律计算的各个红外波段300K背景的光谱辐射光子密度：随波长的变长，背景辐射的光子密度增加。
通常光子密度高于1013／cm2s的背景称为高背景条件，因此3～5μm 或8～12μm波段的室温背景为高背景条件。
上表同时列出了各个波段的辐射对比度，其定义为：背景温度变化1K所引起光子通量变化与整个光子通量的比值。
它随波长增长而减小。
IRFPA工作条件：高背景、低对比度。
2. IRFPA的分类按照结构可分为单片式和混合式按照光学系统扫描方式可分为扫描型和凝视型按照读出电路可分为CCD、MOSFET和CID等类型按照制冷方式可分为制冷型和非制冷型按照响应波段与材料可分为1～3μm波段（代表材料HgCdTe—碲镉汞）3～5μm波段（代表材料HgCdTe、InSb—锑化铟和PtSi—硅化铂）8～12μm 波段（代表材料HgCdTe）。
3. IRFPA的结构IRFPA由红外光敏部分和信号处理部分组成。
红外光敏部分——材料的红外光谱响应信号处理部分——有利于电荷的存储与转移目前没有能同时很好地满足二者要求的材料——IRFPA结构多样性（1）单片式IRFPA单片式IRFPA主要有三种类型：非本征硅单片式IRFPA主要缺点是：要求制冷，工作于8～14μm的器件要制冷到15～30K，工作于3～5μm波段的器件要制冷到40～65K；量子效率低，通常为5%～30%；由于掺杂浓度的不均匀，使器件的响应度均匀性较差。
本征单片式IRFPA将红外光敏部分与转移部分同作在一块窄禁带宽度的本征半导体材料上。
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焦平面探测器典型知识
红外焦平面阵列（IRFPA）技术已经成为当今红外成像技术发展的主要方向。
红外焦平面阵列像元的灵敏度高，能够获取更多的信息以及更高的可变帧速率。
红外焦平面阵列探测器对入射的红外能量进行积分，然后产生视频图像，经过调节后被提供给视频显示器，以供人观察。
焦平面阵列每个像元的输出是一种模拟信号，它是与积分时间内入射在该元件上的红外能量成正比的。
但是由于制造工艺和使用环境的影响，即使对温度均匀的背景，焦平面背景中所有像元产生的输出信号也是不一致的，即红外焦平面阵列器件的非均匀性（Nonuniformity,NU）。
为了满足成像系统的使用要求，需要对红外焦平面阵列探测器进行非均匀性校正。
从生产工艺而言，单纯从提高焦平面阵列质量的角度来降低其非均匀性，不仅困难而且造价昂贵。
因此，通过校正算法减小非均匀性对红外焦平面阵列成像质量的影响，提高成像质量，不仅是必须的，同时具有很高的经济价值和应用价值。
目前，对红外图像质量的改善，一般是根据红外焦平面阵列对于温度响应的不一致性，采用非均匀性校正的方法，提高红外图像的质量。
主要有两类校正方法：基于红外参考辐射源的非均匀性校正算法和基于场景的自适应校正方法。
在实际应用中，普遍采用的是基于红外参考辐射源定标的校正方法。
但是，采用参考辐射源定标的校正方法校正的红外图像，因红外焦平面阵列器件由于长时间的工作，受到时间、环境等因素的影响，红外图像质量逐渐下降，出现类似细胞状和块状的斑纹，影响了红外图像的质量。
所以，需要在基于参考辐射源定标的校正方法的基础上，对于红外图像的质量进行改善。