文档介绍：四、红外焦平面器件
红外焦平面器件(IRFPA)D、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。
。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:
波长/μm
1~3
3~5
8~12
300K背景辐射光子通量密度/光子/(cm2·s)
≈1012
≈1016
≈1017
光积分时间(饱和时间)/μs
106
102
10
对比度(300K背景)/(%)
≈10
≈3
≈1
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
D、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。目前受重视的材料是HgCdTe。
优点:量子效率较高。
缺点:是转移效率低(η=),响应均匀性差,且由于窄禁
带材料的隧道效应限制了外加电压的幅度,则表面势不大,因
此存储容量较小。
肖特基势垒单片式IRFPA
基于肖特基势垒的光电子发射效应,在同一硅衬底上制作可响
应红外辐射的肖特基势垒阵列及信号转移部分。肖特基势垒单
片式IRFPA目前受重视的材料是PtSi。
优点:因光激发过程取决于金属中的吸收,所以响应度均匀性
较好;D转移机构。
缺点:量子效率比较低。
(2)混合式IRFPA
混合式IRFPA的探测器阵列采用窄禁带本征半导体材料制作,电荷转移部分用硅材料。
直接注入方式是将探测器阵列与转移部分直接用导线相连。
间接注入方式是通过缓冲级(有源网络)进行连接。
探测器阵列与转