InGaAs短波红外探测器研究进展_张卫锋

〈综述与评论〉

InGaAs短波红外探测器研究进展

张卫锋，张若岚，赵鲁生，胡 锐，史衍丽

（昆明物理研究所，云南 昆明650023）

摘要：In x Ga1－x As材料属于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体合金材料，随In组分含量的不同，其光谱响应的截止波长可在0.87～3.5μm范围内变化，并具有高量子效率，加之成熟的MBE和MOVCD材料生长方式，很容易获得大面积高质量的外延材料，InGaAs材料因此成为一种重要的短波红外探测材料。

InGaAs探测器可以在室温或近室温下工作，且具有较高的灵敏度和探测率，是小型化、低成本和高可靠性的短波红外探测系统的最佳选择，因此InGaAs短波红外探测器获得了飞速的发展和广泛的应用。同时对国内外InGaAs焦平面探测器发展状况和趋势进行了介绍。

关键词：InGaAs；短波红外；焦平面阵列；红外探测器

中图分类号：TN215 文献标识码：A 文章编号：1001-8891(2012)06-0361-05

Development Progress of InGaAs Short-wave Infrared Focal Plane Arrays

ZHANG Wei-feng，ZHANG Ruo-lan，ZHAO Lu-sheng，HU Rui，SHI Yan-li

（Kunming Institute of Physics, Kunming Yunnan 650223, China）

Abstract：As the cut-off wavelength of spectral response of the Ⅲ-Ⅴ semiconductor alloy material, In x Ga1－x As can be changed from 0.87 to 3.5μm by tuning the relative amount of Indium in the alloy.

Besides, with high quantum efficiency, as well as mature MBE and MOVCD material growth technology, it is easy to gain large area and high-quality epitaxial materials. Therefore InGaAs become an important SWIR detector materials. InGaAs detector can work at room temperature with higher sensitivity and detectivity. So it is one of the best choices for miniature, low-cost and high-reliable SWIR detection system.

The results of analysis and comparison provide guidance for rapid development of InGaAs short-wave infrared detectors. So InGaAs detectors obtain a rapid development and wide applications. At the same time, the status and development trends of the InGaAs infrared focal plane arrays(FPAs) domestic and abroad are introduced.

Key words：InGaAs，SWIR，focal plane arrays，infrared detector

0引言

Ⅲ-Ⅴ族化合物In x Ga1－x As是一种直接带隙半导体合金材料，具有高的电子迁移率和量子效率、良好的抗辐照特性等特点。In x Ga1－x As材料制备的短波红外探测器具有较高灵敏度和探测率，在热电制冷或室温下工作仍具有较好的性能，而且工艺简单、加工成本低，因此InGaAs器件得到了快速发展和广泛应用。InGaAs器件在军事上可用于微光夜视系统，情报、监视和侦察（ISR）的军事和安全系统，精确制导，激光探测、定位与跟踪，高光谱成像等方面。在民用方面可用于安防，农业监测，对地观测，空间遥感，生物医疗，半导体检测，仪器仪表，航空安全和机器视觉等方面。图1所示为InGaAs部分应用实例。

1 InGaAs材料及器件的优越性

In x Ga1－x As材料是Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体合金

361

362 材料，其具有以下几方面优点：

首先，In x Ga 1－x As 材料为闪锌矿立方晶体结构，晶格常数随In 组分含量不同的变化关系遵循Vegard 定律，近似为线性：

a (x )＝(1－x )a GaAs ＋xa InAs

随着x 值的变化，In x Ga 1－x As 材料的晶格常数由GaAs 的0.56533 nm 变化到InAs 的0.60583 nm 。当x ＝0.53时，In 0.53Ga 0.47As 晶格常数与InP 的晶格常数完全匹配。因此，可以在InP 衬底上外延生长高质量的InGaAs 薄膜[1]。另外，三元化合物In x Ga 1－x As 为直接带隙材料，其禁带宽度E g 随In 含量的变化由InAs 的0.35 eV 变化到GaAs 的1.43 eV ，与之相对应的截止波长从3.5 μm 变化到0.87 μm 。如图2所示。

其次，在近室温条件下，In x Ga 1－x As 器件具有较高的量子效率，并具有较高的灵敏度和探测率。如图3所示，在In 0.53Ga 0.47As 探测器光谱响应范围0.92～1.7 μm 内，InGaAs 器件的量子效率大于80%；即使是当x ＝0.74时，InGaAs 器件的光谱响应范围在1～2.2 μm 时，量子效率也超过了65% [2]。再次，

与其它短波探测器材料相比，InGaAs 材料具有更好的材料稳定性，采用成熟的MBE 和MOVCD 生长方法，更容易获得大面积高质量的外延材料。 最后，与HgCdTe 材料相比，在室温和近室温的工作条件下，InGaAs 材料芯片的各个性能参数均高出HgCdTe 芯片一到两个量级，对应同一截止波长，其品质因子R 0A 比HgCdTe 高出1～2个数量级，具有更高的量子效率和灵敏度。降低工作温度，InGaAs 的品质因子的增幅比HgCdTe 更为明显[3]。同时InGaAs 器件具有温度响应比较稳定，一致性较好，极好的灵敏度及长时间工作的稳定性等特点。通过调节In 组分，InGaAs 红外焦平面的工作波长范围可延长至约2.6 μm ，覆盖了夜天光的主要能量范围，因此InGaAs 红外探测器是微光夜视、近红外和短波红外领域探测系统更佳的选择。

2 InGaAs 探测器国内外的发展情况

在国外，对于InGaAs 材料及探测器的研究与应用较为成熟，尤其是在空间遥感方面。如欧洲空间局（NSA ）新一代环境卫星（ENVISAT ）上使用

图1 InGaAs 探测器的应用实例

Fig.1 The application examples of InGaAs detector

图2 响应波长随In 组分的变化图 Fig.2 Spectral response changes with In content

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图3 InGaAs 的探测器光谱响应及量子效率 Fig.3 InGaAs detector response and Quantum efficiency

的大气分布吸收光谱仪（SCIAMACHY ），由美国EPITAXX 公司提供，采用的是1024元InGaAs 短波红外扫描型焦平面组件。法国的陆地（SPOT4和SPOT5）卫星上使用的高分辨可见红外系统和植被仪，由法国THOMSON 公司提供，采用的是由10个300元InGaAs 线列探测器拼接成的线列SWIR FPA ，响应波长1.55～1.701 μm [4]。印度国家环境卫星和资源卫星上装配的全自动扫描仪和高级广角探测仪[5]，采用了l024～6000元InGaAs 长线列焦平面器件，用于近红外（1～1.75 μm ）和延展波长的短波红外（～2.4 μm ）探测。美国NASA 新千年计划（NMP ）地球观测l 号卫星（EO-1），装备了大气水蒸气变化校正仪和探测卷云的大气校正仪（LAC ），采用3个256×256元InGaAs 红外探测器焦平面组件，能获得空间维和光谱维的丰富信息[6]。

比利时微电子中心[8]研制了的320×256 InGaAs 短波凝视红外焦平面组件，响应波长为0.9～2.3 μm ，量子效率大于80%，目前该产品已进入工

程化阶段。Xenics 公司推出的XS-1.7-640/XS-1.7- 320系列化数字红外相机也采用了InGaAs 探测器技术，用于搜索营救、短程监控和视觉增强等领域，其探测器响应波段为0.9～1.7 μm ，工作方式TE1制冷，像素为640×512/320×256，像元尺寸为20 μm /30 μm ，有效像元＞99%，帧频为20～90 Hz 。

美国Goodrich 旗下的传感无限公司（Sensors Unlimited Inc ．）是近红外（NIR ）和短波红外（SWIR ）成像用InGaAs 器件及相机的国际著名提供商，在InGaAs 探测器的研究方面处于世界领先地位，目前已开发的InGaAs 产品如表1所示。该公司一维InGaAs 阵列一般采用前照明，读出电路（ROIC ）与每个像素间采用引线键合方式实现电学连接。二维阵列采用背照明，InGaAs 阵列与ROIC 之间则采用In 柱倒装焊方式连接[8]。目前，该公司把InGaAs NIR/SWIR FPAs 的应用定位在武器的激光跟踪和通讯系统，军用夜视，工业过程、安全监测及科学研究等领域。

FILR 公司的Tau SWIR 采用高分辨率640×480 InGaAs FPA 器件，像元中心距为25 μm ，可从远距离透过烟雾获得清晰的图像质量，可识别微弱光线下隐藏的各种细节。适用于各种光电设备（OEM ）应用，包括各种光电（EO ）系统，武器瞄准、夜视系统，无人机，无人地面传感器等。FILR 下属的Indigo 子公司生产的320×256，640×512短波InGaAs FPA ，工作波段为0.9～1.7 μm ，焦平面探测器组件安装在84-pin 无线芯片基片上，也可直接集成在探测器组件中。在国内，InGaAs 焦平面阵列的研究还处于起步阶段，还没有相应工程化的产品出

表1 美国传感无限公司InGaAs 探测器

Table 1 Sensors Unlimited Inc. of American InGaAs detector

规 格 像元间距 响应波段 性 能

128×128 30 μm 1.0～1.7 μm 量子效率大于80%，暗电流小于100 pA

320×240 40 μm 0.9～1.7 μm 工作温度为－40℃～70℃，探测率达＞1×1014 cmHz 1/2W －1，

量子效率大于70%，帧频60 fps ；

320×256 25 μm 0.9～1.7 μm 工作温度为－35℃～70℃，探测率达＞1×1014 cmHz 1/2W －1，

量子效率大于70%，帧频30 fps 。

640×480

30 μm

0.9～1.7 μm 工作温度为－25℃～60℃，探测率达2.6×1013 cmHz 1/2W －1，

量子效率大于65%，帧频30 fps 。

640×512

15 μm

400～750 nm

750～l000 nm 1000～1700 nm

工作温度为－35℃～71℃，室温下D *＝1.8×1013 cmHz 1/2／W －1。

盲元率小于2％，量子效率大于65%，帧频30 fps 。

1024×l024 1280×l024

20 μm 15 μm

0.9～1.7 μm

工作温度为－20℃～45℃，近室温下D *=9.7×1012 cmHz 1/2／W －

1。

量子效率在波长850 nm 为70％，1310 nm 为85％, 1350 nm 为80％；

D *＝9.7×1012 cmHz 1/2／W －1，帧频30 fps 。

Wavelength/μm

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现。国内InGaAs 探测器主要研究机构包括中科院上海技术物理研究所、中科院长春光学精密机械与物理研究所、中国电子科技集团第44所、洛阳光电技术发展中心和昆明物理研究所等单位。

国内研发的进展情况如表2所示。目前，国内开始注重并发展InGaAs 红外焦平面阵列器件的研发工作，但还处于起步阶段，没有研制出能够产业化的InGaAs 焦平面产品，关键是没有解决响应均匀性问题。

3 lnGaAs 光电探测器的研究趋势

InGaAs 材料在制备短波探测器方面的一系列优点使得国际上相关研究机构纷纷加入研究行列，近年来相关方面的报道逐年增加。InGaAs 器件的最新研究动态主要集中在两个方面，一是继续提高器件性能，器件规模向更大焦平面阵列发展。二是光谱响应范围向短、长波范围拓展，短波方向可见光扩展，长波方向向更长的波长发展，以获得同时响应可见、近红外和短波红外光谱范围的双色或多色InGaAs 焦平面探测器[7]。

第一方面的研究动态是目前所有探测器共同的发展规律。目前几种主要的短波红外探测器材料都实现了百万像素级的大规模焦平面阵列突破。另外，通过焦平面上的多探测器拼接技术，可将现有规模的阵列器件拼接成4倍、9倍、甚至16倍的超大规模器件，以满足对大面阵探测器的实际应用需求[3]。 第二方面趋势是InGaAs 探测器发展的重点，经过

近十年来的发展，InGaAs 短波红外探测器的光谱响应范围已从最开始的短波红外范围向可见光区域延伸。另外，截止波长向长波方向拓展，即研制所谓的拓展波长的InGaAs 探测器。GOODRICH 旗下的SUI 团队的研究成果最为引人注目，该团队的研究人员发明了一种其称之为“Visible InGaAs ”的技术，可以将光谱响应范围延伸到400 nm 。因为研究人员在进行InGaAs 器件的光谱测量时发现，从器件正面照射与从器件背照射所得到的光谱响应存在差异。通过研究分析发现，造成这种差异的主要原因是由于InP 衬底（背面照射）和InP 钝化层（正面照射）的对光照的吸收不同。该团队的研究人员采用In 柱互联后去除InP 衬底的工艺方法，实现了将光谱响应范围向可见光方向延伸的目的。经过“Visible InGaAs ”技术处理，InGaAs 短波红外焦平面探测器的响应光谱明显包含了丰富的可见光成份，后续的光谱特性测量也证明了这一观点。图4所示为Visible InGaAs SWIR 焦平面探测器的光谱响应曲线[10]。美国Indigo Systems 公司同时开展了InGaAs 光谱响应向可见光延伸的研究，采取的方法是直接处理InGaAs 材料，研究人员将该技术命名为“visGaAs ”。根据得到的实验数据可知，器件在350 nm 仍具有较高响应。

众所周知，标准的InGaAs 具有1.68 μm 的长波长截止，但是许多实际应用需要检测波长较长的光。为了满足实际应用的需要，使InGaAs 探测器的截止波长向长波方向拓展，需要增加InGaAs 材料中

表2 国内InGaAs 器件进展情况

Table 2 R&D situation of domestic InGaAs detector

单 位

规格

响应波段 性 能

中电44所 320×240 1.0～1.7 μm

峰值探测率为6.7×1012 cmHz 1/2W －1，量子效率＞65% 0.9～1.7 μm 峰值探测率为1.2×1012 cmHz 1/2W －1，响应不均匀性3.87% 256×1

～2.4 μm

峰值探测率为3.25×1010 cmHz 1/2W －1，响应不均匀性11%。 512×1 0.9～1.7 μm

峰值探测率为6.13×1011 cmHz 1/2W －1，响应不均匀性3.71%，

盲元率为0.39%

中科院上海 技物所

640×1[9]

1.7～

2.6 μm

响应截止波长和峰值波长分别为2.36 μm 和1.92 μm ，

峰值探测率2.01×1011 cmHz 1/2W －1，峰值量子效率37.5%，响应非均匀

性8.77%，盲元率为0.6%[10]

重庆光电技术研究所 320×256 0.9～1.7 μm 读出电路为SiCMOS 数摸混合集成电路[11]， 峰值探测率为6×1012 cmHz 1/2W －1，动态范围达68 dB 。 洛阳光电技术发展中心 128×128 0.9～1.7 μm

采用闭管扩散平面结工艺，读出电路采用DI 模式电路， 峰值探测率为1.2×1012 cmHz 1/2W －1,响应不均匀性23%。

中国空空导弹研究院

0.9～1.7 μm

峰值响应率为R VP =2.41×107 V/W ，

峰值探测率为1.51×1012 cmHz 1/2W －1，透射率能够超过80%。

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图4 Visible 及SWIR InGaAs FPA 的光谱响应曲线 Fig.4 Special response of VisGaAs and SWIR InGaAs FPA

In 的含量，从而InGaAs 材料的禁带宽度减小，截止波长增大。但这样就会使InGaAs 材料与衬底材料的晶格失配比增大，为了保证材料的生长质量从而防止器件性能劣化，就必须在薄膜和衬底之间引入合适的缓冲层结构。目前国内外已有不少这方面成功的报道，InGaAs 器件的响应波长已延长到～2.6 μm 。

4 结论

通过对InGaAs 材料的光谱响应特性分析，以及对InGaAs 材料的一系列优点了解，表明了InGaAs 是一种在短波红外领域极有前景的探测器材料。如今，国外高性能、大面阵的InGaAs 焦平面阵列技术获得比较成熟的发展，已在科学、军事、民用等方面的微光夜视、精确制导、空间遥感、近红外光谱分析、工业控制、生物医疗和航天航空等领域获得广泛的应用；而在国内，InGaAs 焦平面阵列的研究起步较晚，能够成功工程化应用的产品还很少。因此，加快InGaAs 短波红外探测器的研制，特别是近室温InGaAs 短波红外焦平面探测器的研制和开发，对我国的红外事业而言具有非常重要的战略意义。 参考文献：

[1] 陈洪钧, 周航宇. InGaAs 可见／短波红外焦平面探测器新进展[J]. 红

外与激光工程, 2007 (4): 431-434．

[2] Michael A Blessinger M A, Enriyuez M, Croppe J V, et al. Performance

of focal plane arrays for the photon counting arrays(PCAR) program[J]. Proc. of SPIE , 2007, 6542: 65420K(11).

[3] 潘建旋, 以善珍, 周航宇. InGaAs 短波红外探测器[J]. 红外与激光工

程, 2007(4): 202-205.

[4] MOY J P, HIJGoN X, CHABBAL J, et a1. 3000 InGaAs photodiode

multiplexed linear array for SPOT4 SWIR channel[C]//Pro. of SPIE ,

1989, 1107: 137-151．

[5] Dave H, Dewan C, Paul S, et a1. AWIFS camera for resource sat[C]//Pro.

of SPIE on Multispectral, hyp-erspectral, and Ultra spectral Remote Sensing Technology, Techniques, and Applications , 2006, 6405. [6] 钟建业, 魏雯. 美国预警卫星探测器及其相关技术[J]. 中国航天,

2005 (6): 22-30.

[7] Alan Hoffman, Todd Sesslcr, Joseph Rosbeck, et al.. Megapixel lnGaAs

Arrays for Low Background Applications[C]// Pro. of SPIE on Infrared

Technology and Applications XXXI , 2005, 5783: 32-38．

[8] 曹扬, 金伟其, 王霞, 等. 短波红外焦平面探测器及其应用进展[J].

红外技术. 2009, 31(2): 63-68.

[9] 朱耀明, 李永富, 李雪, 等. 基于N-on-P 结构的背照射延伸波长640

×1线列InGaAs 探测器[J]．红外与毫米波学报, 2012, 31(1): 11-14. [10] 高新江, 张秀川, 唐遵烈, 等．320×256 InGaAs 短波红外焦平面阵

列探测器[J], 半导体光电, 2009, 30(2): 178-190

[11] HOELTER T R, BARTON J B. Extended short wavelength spectral

response from InGaAs focal plane array [C]//Pro. of SPIE on Infrared Technology and Application XXIX , 2003, 5074: 481-490

[12] M.G. Brown. Development of NIR Detectors and Science Driven

Requirements for SNAP[C]//Pro. of SPIE on Astronomical Telescopesand Instrumentation 2006, 6265 .113-121

[13] C.J. Han, R. Rawlings, M. Sweeney, et al. 320×240 and 640×480

UFPAs for TWS and DVE applicalions[C]// Pro. of SPIE , 2005, 5783: 459-65

[14] M. Ueno, Kosasayama, T. Sugino, et al. 640×480 pixel uncooled

infrared FPA with SOl diode detectors[C]// Pro. of SPIE , 2005, 5783: 566-577.

[15] M. Enriquez, Marlon, M. Blessinger, et al. Performance of high

-resolution visible-InGaAs imager for day/night vision[C]// Pro. of SPIE , 2008, 6940: 64900-1

[16] R. Smith, Christopher Bebek, Marco Bonati et al., Noise and zero-point

drifts in 1.7 μm cutoff detectors for SNAP, Astronomical Telescopes and Instrumentation, [C]// Pro. of SPIE , 2006: 6276-30.

[17] Bora M. Onat, Wei Huang, Navneet Masaun et. al. Ultra-low dark current

InGaAs technology for focal plane arrays for low-light level visible-shorhuave infrared imaging[C]// Pro. of SPIE , 2007, 6542: 65420L (9).

[18] HANSEN M P,MALCHOW D S.Overview of SWIR detectors, cameras,

and applications[J]. SPIE ,2008, 6939: 1-11

[19] Martin, T. R. Bnibaker, P. Dixon, et al. 640×512 InGaAs focal plane

array camera for visible and SWIR imaging[C]// Pro. of SPIE 2005, 5783. 12-20

[20] P.W. Norton , M. Kohin. Technology and application advancement of

uncooled imagers[C]// Pro. of SPIE , 2005, 5783: 424-430.

[21] F.P. Pantuso. The path to affordable and available 640×480 uncooled

FPAs [C]// Pro. of SPIE , 2005, 5783: 439-443.

红外对射探测器安装常识

红外对射探测器安装常识 一、红外对射探测器的安装比起被动红外探测器而言，难度要大一点，但也只是略微复杂而已。但是只要您对接线方式、位置确定、调试应该有足够的了解，并参照说明书谨慎进行，相信不会有问题。 红外对射探测器主要由防护盖、安装座、防拆开关、红外透光片、电路板、界线座、调整开关、外壳等组成，并没有想象的复杂。我们在安装前，最好能按照设计图用铅笔或其他工具实现画好安装的位置（或把红外对射探测器放在安装地勾画出轮廓），再用水平仪或其他工具确定安装位置，保证安装的精度和美观。 红外对射探测器的安装方式 ①支柱式安装：比较流行的支柱有圆形和方形两种，早期比较流行的是圆形截面支柱，现在的情况正好反过来了，方形支柱在工程界越来越流行。主要是探测器安装在方形支柱上没有转动、不易移动。除此以外，有广泛的不锈钢、合金、铝合金型材可供选择也是它的优势之一。在工种上的另外一种做法是选用角钢作为支柱，如果不能保证走线有效地穿管暗敷，让线路裸露在空中，这种方法是不能取的。 支柱的形状可以是"1"字形、"z"字形或者弯曲的，由建筑物的特点及防盗要求而定，关键点在于支柱的固定必须坚

固牢实，没有移位或摇晃，以利于安装和设防、减少误报。； ②墙壁式安装：现在防盗市场上处于技术前沿的主动红外线探测器制造商，能够提供水平180°全方位转角,仰俯20°以上转角的红外线探测器，如aleph主动红外线探测器ha、abt、abf系列产品，可以支持探头在建筑物外壁或围墙、栅栏上直接安装。 红外对射探测器安装的一般原则 设置在通道上的探测器，其主要功能式防备人的非法通行，为了防止宠物、小动物等引起误报，探头的位置一般应距离地面50 m以上。遮光时间应调整到较快的位置上，对非法入侵作出快速反应。 设置在围墙上的探测器，其主要功能是防备人为的恶意翻越，顶上安装和侧面安装两种均可。 顶上安装的探测器，探头的位置应高出栅栏，围墙顶部25 m，以减少在墙上活动的小鸟、小猫等引起误报。四光束探测器的防误报能力比双光束强，双光束又比单光束强。 侧面安装则是将探头安装在栅栏，围墙靠近顶部的侧面，一般是作墙壁式安装，安装于外侧的居多。这种方式能避开小鸟、小猫的活动干扰。 每一种方式都又他们自己的优点或缺陷，工程商对每一种安装方式都又他们自己的偏爱。用户应根据自己建筑物的特点和防盗要求加以选用。

红外光电探测器技术的发展(学术前沿专题)

量子点红外光电探测器技术的发展 （学术前沿专题） 专业：测试计量技术及仪器 班级：硕研22班 学生学号： S0908******* 学生姓名：李刚

量子点红外光电探测器 目前大多数红外焦平面阵列（FPA）都以量子阱红外光电探测器（QWIP）或碲镉汞（MCT）光电探测器为基础，而这两类探测器都存有重大的不足。 QWIP对垂直入射光的探测效率很低，因为垂直方向上光子的跃迁被禁止。尽管利用光栅可以弥补这一缺点，但光栅的制作无疑会增加系统的成本。另外，QWIP在高温工作时暗电流较高，所以通常采用冷却方式使其在低温下工作，这便大大增加了成像系统的成本、体积和功耗。 MCT光电探测器则因为MCT固有的不稳定性，很难实现高度均匀的探测器阵列，而且以MCT为基础的FPA还具有成本高和效率低的缺点。 近年来，量子点红外光电探测器（QDIP）在工作温度和量子效率方面取得的重大进步，将有望引领新一轮成像技术热潮，并将在医学与生物学成像、环境与化学监测、夜视与太空红外成像等领域开辟新的应用天地。目前，通过采用纳米技术形成量子点，研究人员已经在开发室温或接近室温工作的高性能成像器方面迈出了一大步。 量子点又称“人造原子”，目前量子点作为提高电子与光电子器件性能的一种手段，已经被广泛应用。量子点的尺寸很小，通常只有10nm，因此其具有独特的三维光学限制特性。将量子点应用在红外光电探测器上，可以使探测器在更高的温度下工作。 开发高温工作的红外光电探测器，可以降低红外成像系统的成本，减小重量，提高效率，这将极大地拓展红外光电探测器的应用范围。研究人员已经开发出了首个以QDIP为基础的焦平面阵列。

光电探测器 入门详细解析

光电探测器 摘要 本文研究了近期崛起的高科技新秀：光电探测器。本文从光电探测器的分类、原理、主要参数、典型产品与应用、前景市场等方面简单介绍了光电探测器，使大家对光电探测器有一个初步的理解。了解光电探测材料的原理不仅有利于选择正确适宜的光电探测材料，而且对研发新的光电探测器有所帮助 一、简单介绍引入 光电探测器是指一类当有辐射照射在表面时，性质会发生各种变化的材料。光电探测器能把辐射信号转换为电信号。辐射信号所携带的信息有：光强分布、温度分布、光谱能量分布、辐射通量等，其进过电子线路处理后可供分析、记录、储存和显示，从而进行探测。 光电探测器的发展历史： 1826年，热电偶探测器→1880，金属薄膜测辐射计→1946，热敏电阻→20世纪50年代，热释电探测器→20世纪60年代，三元合金光探测器→20世纪70年代，光子牵引探测器→20世纪80年代，量子阱探测器→近年来，阵列光电探测器、电荷耦合器件（CCD） 这个被誉为“现代火眼金睛”的光电探测材料无论在经济、生活还是军事方面，都有着不可或缺的作用。 二、光电探测材料的分类。 由于器件对辐射响应的方式不一样，以此可将光电探测器分为两大类，分别是光 1

子探测器和热探测器。 ○1光子探测器：光子，是光的最小能量量子。单光子探测技术，是近些年刚刚起步的一种新式光电探测技术，其原理是利用新式光电效应，可对入射的单个光子进行计数，以实现对极微弱目标信号的探测。光子计数也就是光电子计数，是微弱光（低于10－14W）信号探测中的一种新技术。 ○2利用光热效应制作的元件叫做热探测器，同时也叫热电探测器。（光热效应指的是当材料受光照射后，光子能量会同晶格相互作用，振动变得剧烈，温度逐渐升高，由于温度的变化，而逐渐造成物质的电学特性变化）。 若将光电探测器按其他种类分类，则 按应用分类：金属探测器，非成像探测器（多为四成像探测器），成像探测器（摄像管等）。 按波段分类：红外光探测器（硫化铅光电探测器），可见光探测器（硫化镉、硒化镉光敏电阻），紫外光探测器。 2

中远红外探测器发展动态

中远红外探测器发展动态 1 红外光电探测器的的历史 红外探测成像具有作用距离远、抗干扰性好、穿透烟尘雾霾能力强、可全天候、全天时工作等优点在军用和民用领域都得到了极为广泛的应用按照探测过程的物理机理，红外探测器可分为两类即热探测器和光电探测器。光电探测器的工作原理是目标红外辐射的光子流与探测器材料相互作用，并在灵敏区域产生内光电效应。因具有灵敏度高、响应速度快的优点，光电探测器在预警、精确制导、火控和侦察等红外探测系统中得到广泛应用。 红外焦平面阵列可探测目标的红外辐射，通过光电转换、电信号处理等手段，可将目标物体的温度分布图像转换成视频图像，是集光、机、电等尖端技术于一体的红外光电探测器H。目前许多国家，尤其是美国等西方军事发达国家，都花费大量的人力、物力和财力进行此方面的研究与开发，并获得了成功。红外光电探测器研究从第一代开始至今已有40余年历史，按照其特点可分为三代。第一代(1970s～1980s)主要是以单元、多元器件进行光机串／并扫描成像，以及以4×288为代表的时间延迟积分(TDI，time delay integration)类扫描型(scanning)红外焦平面列阵。单元、多元探测器扫描成像需要复杂笨重的二维、一维扫描系统结构，且灵敏度低。第二代红外光电探测器是小、中规格的凝视型(staring)红外焦平面列阵。M×N凝视型红外焦平面探测元数从1元、N元变成M×N元，灵敏度也分别从l与N1/2增长M×N1/2倍和M1/2。而且，大规模凝视焦平面阵列，不再需要光机扫描，大大简化整机系统。 目前，正在发展第三代红外光电探测器。探测器具有大面阵、小型化、低成本、双色(two-color)与多色(multi-color)、智能型系统级灵巧芯片等特点，并集成有高性能数字信号处理功能，可实现单片多波段融合高分辨率探测与识别。因此，本文将重点综述三代红外光电探测器的材料体系及其研究现状，并分析未来红外光电探测器的材料选择及发展趋势。 2 三代探测器的材料体系与发展现状 红外光电探测器的材料很多，但真正适于发展三代红外光电探测器，即响应波段灵活可调的双色与多色红外焦平面列阵器件的材料则很少。目前，主要有传统的HgCdTe和QWIPs，以及新型的二类SLs和QDIPs，共四个材料体系。作为

量子阱红外探测器(QWIP)调研报告

量子阱红外探测器（QWIP）调研报告 信息战略中心（2007.07.12） 引言 (2) 1、量子阱红外探测器的原理 (3) 1.1量子阱红外探测器基本原理简介 (3) 1.2QWIP的几种跃迁模式 (4) 1.3量子阱结构的选择 (6) 1.4QWIP的材料选择 (7) 1.5入射光的耦合 (9) 1.6QWIP的性能参数 (11) 1.7 量子阱周期数对器件性能的影响[9] (12) 1.8QWIP的抗辐射机理与方法 (13) 参考文献： (17) 2、量子阱红外探测器的制备方法 (19) 2.1直接混杂法制备红外探测器焦平面阵列像元 (19) 3、量子阱红外探测器的国内外主要应用 (22) 3.1红外探测器分类 (22) 3.2红外探测器发展历程 (23) 3.3红外探测器基本性能参数 (23) 3.4各种焦平面阵列（FPA S）的性能比较 (25) 3.5红外成像系统的完整结构 (26) 3.5.1 焦平面结构 (27) 3.5.2 读出电路 (27) 3.6QWIP探测器实例分析 (29) 3.7QWIP的应用领域及前景分析 (31) 参考文献： (33)

引言 半导体量子阱(Qw)、超晶格(SL)材料是当今材料科学研究的前沿课题，被比喻为实验中的建筑学，即以原子为最小砌块的微观建筑学。它所产生的人工晶体，其性质可人为改变控制，它比通常意义上的晶体材料具有巨大的优越性和发展前景。它的一个极有前途、极为重要的应用领域是新型红外探测器，即第三代红外焦平面量子阱探测器。量子阱新材料是发展新型红外探测器的先导。 红外焦平面探测器是从单元和线阵基础上发展起来的第三代红外探测器，它标志着热像技术已从“光机扫描”跃进到“凝视”这个高台阶，从而使热像系统的灵敏度、可靠性、功能容量及实时性等都获得无以伦比的瞩目进步。众所周知，探测器是决定红外系统属性的主要矛盾，基于红外焦平面探测器的问世，它与信号读出处理电路一体化的成功，以及长寿命闭环斯特林致冷器的实用化，使红外焦平面探测器在以下重要领域得到重要应用或正在考虑其应用： ①空间制导武器。如用焦平面探测器导引头拦截卫星； ②红外预警卫星及机载红外预警系统； ③巡航导弹、地地导弹、空地导弹、防空导弹、海防导弹及反舰导弹的红外制导系统的基本组成； ④地基(包括舰艇平台)红外制导站及红外搜索，跟踪系统； ⑤小型导弹制导及夜间瞄准； ④坦克、飞机、舰艇等运载工具的夜间观测、目标瞄准、自动跟踪等。 红外焦平面探测器早期实用的是Pbs，现在的重点是碲镉汞，Si：Pt及半导体量子阱焦平面探测器。其中半导体量子阱焦平面探测器，在五年内接近走完了碲镉汞(MCT)探测器30年的历程，现在虽然在探测度指标上还不如MCT，但经过进一步的攀登，这种完全靠科学家、计算机的，由MBE或MOCND技术制造的新一代焦平面器件可能成为现代国防的复眼。无疑，今后哪个国家能抢占这个高地，这将在各国国防力量的对比方面产生重要的影响。

红外探测技术及红外探测器发展现状

红外探测技术及红外探测器发展现状 中国安防行业网2014/7/25 14:10:00 关键字：红外,探测技术,发展现状浏 览量：6731 一、技术现状 红外探测技术目前主要分为近红外、中红外和远红外三种研究领域。 其中，中红外探测技术由于中红外线的高强度和高穿透性，应用最为广泛，研究也最为成熟，甚至可以分析物质的分子组成； 远红外的主要优点就是其穿透性，可用于探测、加热等，应用也比较广泛。 只有近红外，由于其强度小，穿透力一般，故长期以来没有引起重视，只是近些年来才成为研究热点，因为用近红外技术可以做某些成分的定量检测，最关键的是还不必破坏试样。 （一）技术优势 红外技术有四大优点：环境适应性好，在夜间和恶劣天候下的工作能力优于可见光；隐蔽性好，不易被干扰；由于是靠目标和背景之间、目标各部分的温度和发射率差形成的红外辐射差进行探测，因而识别伪装目标的能力优于可见光；红外系统的体积小，重量轻，功耗低。 （二）制约因素 目标的光谱特性；探测系统的性能；目标和探测口之间的环境和距离——这三大因素是红外技术发展过程中需要解决的主要问题。例如：为充分利用大气窗口，探测器光谱响应从短波红外扩展到长波红外，实现了对室温目标的探测；探测器从单元发展到多元，从多元发展到焦平面，上了两大台阶，相应的系统实现了从点源探测到目标热成象的飞跃；系统从单波段向多波段发展；发展了种类繁多的探测器，为系统应用提供了充分的选择余地。 （三）国内领先技术 红外探测器芯片一直受制于西方政府和供应商。为打破国外技术垄断，2012年4月，高德红外用2.4亿元超募资金实施“红外焦平面探测器产业化项目”。2014年2月25日，高德红外公告，公司“基于非晶硅的非制冷红外探测器”项目成果已获湖北省科技厅鉴定通

红外探测器主要参数定义

红 外 探 测 器 1．量子效率 在某一特定波长上，每秒钟产生的光电子数与入射光子数之比。对理想的探测器，入射一个光子发射一个电子，1)(=λη。当然实际上不是所有的光子都可以被吸收，因此1)(<λη。 探测器对波长为λ处的量子效率可以表示为： hv P e I S //)(=λη 其中S J h .106260755.634-?=，是普朗克常数，e 是元电荷。 2. 响应率 输出信号电压S 与输入红外辐射功率P 之比即： ）或（W A W V P S R /)/(= 3. 响应波长范围 单色响应率与波长的关系，称为光谱响应曲线或响应光谱。热敏型红外 探测器的响应率与波长无关。光电型红外探测器有峰值波长p λ和长波限c λ。 通常取响应率下降到p λ一半所在的波长为c λ。 光电探测器只有在小于c λ范围有响应，因此称为选择性红外探测器。

对于光子探测器，仅当入射光子的能量大于某一极小值时才能产生光电效应。就是说，探测器仅对波长小于cλ，或者频率大于的光子才有响应。因此，光子探测器的响应随波长线性上升，然后到某一截止波长cλ突然下降为零。 而热型探测器响应波长无选择性，对可见光到远红外的各种波长的辐射同样敏感，在室温工作。灵敏度低、响应时间偏长，最快的响应时间也在毫秒量级。热释电探测器主要应用于被动式的传感器中，主要应用于防盗报警、来客告知等被动探测以及石油化工、电力等行业的温度测量、温度检测等灵敏度不是很高的场合。此外，热释电材料是还是制备非制冷红外成像设备的重要材料。 常见红外光子探测器及响应波段 4.噪声 如果测量探测器输出的电子系统有足够大的放大倍数，即使没有入射辐射。也可以看到一些毫无规律的电压起伏,它的均方根称为噪声电压N，此噪声来源于探测器中的某些基本的物理过程。探测器的噪声主要有以下几个来源：f/1噪声(闪烁噪声)，暗电流噪声(热噪声)以及光电流噪声。 f/1噪声为低频噪声，在AlGaAs GaAs/QWIP中的影响很小，不是主要的制约因素。制约器件性能的主要因素是暗电流噪声和光子噪声，即载流子

量子阱的应用

3 量子阱器件的应用 3 . 1 量子阱红外探测器 量子阱红外探测器(QWIP)是20世纪90年代収展起来的高新技术。与其他红外技术相比,QWIP具有响应速度快、探测率与HgCdTe探测器相近、探测波长可通过量子阱参数加以调节等优点。而且,利用MBE 和MOCVD等先迚工艺可生长出高品质、大面积和均匀的量子阱材料, 容易做出大面积的探测器阵列。正因为如此,量子阱光探测器,尤其是红外探测器受到了广泛关注。QWIP是利用掺杂量子阱的导带中形成的子带间跃迁, 幵将从基态激収到第一激収态的电子通过电场作用 形成光电流这一物理过程,实现对红外辐射的探测。通过调节阱宽、垒宽以及AlGaAs中Al组分含量等参数, 使量子阱子带输运的激収态 被设计在阱内(束缚态) 、阱外(连续态)或者在势垒的边缘或者稍低于势垒顶(准束缚态),以便满足不同的探测需要,获得最优化的探测灵敏度。 因此,量子阱结构设计又称为“能带工程”是QWIP最关键的一步。另外,由于探测器只吸收辐射垂直与阱层面的分量,因此光耦合也是QWIP的重要组成部分。基于QWIP焦平面阵列研制出的成像系统, 已经被广泛地应用于军事、工业、消防等领域,其小型化、便捷化的特点受到了人们的青睐。 (1)军事方面,QWIP在武器精确制导、战场监视与侦察、搜索和自动跟踪、探测地雷等方面都有广泛的应用。(2)工业方面,QWIP可要用于各种设备的故障检测和产品的质量检测。例如高压输电线路故障的检测十分困难, 可以利用量子阱红外探测器阵列制成的红外相机,从直升 机上对故障収生的位置迚行准确定位。产品的无损探伤及质量鉴定可以借助 QWIP,这主要是指金属、非金属材料及其加工部件。另外,在金属焊接部件的质量鉴定方面,无需对样品迚行解剖和取样,就可以方便地查出

红外报警器知识

一红外报警器的分类 1、红外报警系统一般分为主动式和被动式: 主动红外报警系统主要由投光器（红外发射机）、受光器（红外接收机）和报警主机组成。分别置于收、发端的光学系统一般采用的是光学透镜，起到将红外光束聚焦成较细的平行光束的作用，以使红外光的能量能集中传送。红外光在人眼看不见的光谱范围，有人经过时，必然全部或部分遮挡红外光束。接收端输出的电信号的强度会因此产生变化，从而启动报警控制器发出报警信号。 被动式红外报警器不需要附加红外辐射光源，本身不向外界发射任何能量，而是由红外探测器直接探测来自移动目标的红外辐射。 主动式报警器比较适合户外，例如公司，安装和布线比较复杂，我们公司围墙上用的是主动式红外线报警器；被动式报警器一般适用于室内，例如家庭，商场，安装方便，总部财务中心用的就是被动式的报警器。 2、红外线报警按接线方式不同，可分为分线式和总线式 分线式报警主机是前端探测设备开关信号直接接在主机防区上，从而触发报警主机报警，而这些开关信号必须通过两条线缆连接报警主机的防区端口，每一个信号都需要两条独立的线缆连接，也就是说，有多少个防区就需要多少对线缆。 而总线式报警主机不同，它是把前端探测设备开关信号接在地址模块（或叫报警模块、防区扩展模块）上，当某个防区的探测设备发现有人非法进入时，探测器发出报警信号，由地址模块通过数据总线传送给报警主机，实时的将本防范区域的报警信号、警情类型显示到报警主机键盘上，并触发声光报警，使操作人员能及时、准确地掌握警情，及时调动保安人员进行处理。 这样的话，就不需要每一对探头就拉一对信号线到主机了，只要接地址模块就行了，地址模块到主机的距离可以达到1200米，而一对信号总线最多可以接到248个地址模块（或叫报警模块、防区扩展模块），大大节省了线材和人力等成本，施工方便。 二报警器报警主机的讲解（以下说的都是主动式红外报警器） 1、报警主机 报警主机是报警系统的“大脑”部分，处理探测器的信号，并且通过键盘等设备提供布撤防操作来控制报警系统。在报警时可以提供声/光提示，同时还可以通过电话线将警情传送到报警中心。 报警主机主要包括以下几个部分： （1）主板：包括控制器、存储芯片、集成电路等。 （2）变压器：将220V交流电转变成16.5V的交流电压，为主机供电。（附带说一下：交流电简称AC，直流电简称DC，一般电源或设备上都有标识，。）（3）配线端子：用于配线，连接键盘，警灯，报警器等

红外探测器原理

红外探测器原理 安防2007-10-16 10:17:07 阅读888 评论3 字号：大中小订阅 被动红外探测器 凡是温度超过绝对0℃的物体都能产生热辐射，而温度低于1725℃的物体产生的热辐射光谱集中在红外光区域，因此自然界的所有物体都能向外辐射红外热。而任 何物体由于本身的物理和化学性质的不同、本身温度不同所产生的红外辐射的波 长和距离也不尽相同，通常分为三个波段。 近红外：波长范围0.75～3μm 中红外：波长范围3～25μm 远红外：波长范围25～1000μm 人体辐射的红外光波长3～50μm，其中8～14μm占46%，峰值波长在9.5μm。㈠被动红外报警探测器 在室温条件下，任何物品均有辐射。温度越高的物体，红外辐射越强。人是恒温动物，红外辐射也最为稳定。我们之所以称为被动红外，即探测器本身不发 射任何能量而只被动接收、探测来自环境的红外辐射。探测器安装后数秒种已适 应环境，在无人或动物进入探测区域时，现场的红外辐射稳定不变，一旦有人体 红外线辐射进来，经光学系统聚焦就使热释电器件产生突变电信号，而发出警报 。被动红外入侵探测器形成的警戒线一般可以达到数十米。 被动式红外探测器主要由光学系统、热传感器（或称为红外传感器）及报警 控制器等部分组成。其核心是不见是红外探测器件，通过关学系统的配合作用可 以探测到某个立体防范空间内的热辐射的变化。红外传感器的探测波长范围是8～14μm，人体辐射的红外峰值波长约为10μm，正好在范围以内． 被动式红外探测器（Passive Infared Detector，PIR）根据其结构不同、警 戒范围及探测距离也有所不同，大致可以分为单波束型和多波束型两种。单波束PIR采用反射聚焦式光学系统，利用曲面反射镜将来自目标的红外辐射汇聚在红外传感器上。这种方式的探测器境界视场角较窄，一般在5°以下，但作用距离较远，可长达百米。因此又称为直线远距离控制型被动红探测器，适合保护狭长的走廊、通道以及封锁门窗和围墙。多波束型采用透镜聚焦式光学系统，目前大都采 用红外塑料透镜——多层光束结构的菲涅尔透镜。这种透镜是用特殊塑料一次成

红外探测器简介

红外探测器 设计研发部-平 一、红外探测器市场以及应用领域 红外探测技术目前主要分为近红外、中红外和远红外三种研究领域。其中，中红外探测技术由于中红外线的高强度和高穿透性，应用最为广泛，研究也最为成熟；远红外的主要优点就是其穿透性，可用于探测、加热等，应用也比较广泛。近红外，由于其包含氢氧键、碳氢键、碳氧键等功能键的特征吸收线。大气中的水气、二氧化碳、大气辉光等也集中在这个波段。特有的光谱特性使得短波红外探测器可以在全球气候监测、国土资源监测、天文观测、空间遥感和国防等领域发挥重大作用。红外探测器广泛应用于军事、科学、工农业生产和医疗卫生等各个领域，尤其在军事领域，红外探测器在精确制导、瞄准系统、侦察夜视等方面具有不可替代的作用。随着红外探测技术的飞速发展，红外探测器在军事、民用等诸多领域都有着日益广泛的应用。作为高新技术的红外探测技术在未来的应用将更加广泛，地位更加重要。 小型红外探测器是受价格驱动的商品市场，而中型和大型阵列探测器则是受成本和性能驱动的市场，并且为新产品提供了差异化的空间。但是在每种红外探测器技术（如热电/热电偶/微测辐射热计）之间存在着巨大的障碍。由于这些技术都是基于不同的制造工艺，如果没有企业合并或收购，很难从一种技术转换到另外一种技术。 红外探测器已进入居民日常安防中，其中主动式红外探测器遇到树叶、雨、小动物、雪、沙尘、雾遮挡则不应报警，人或相当体积的物品遮挡将发生报警。主动红外探测器技术主要采用一发一收，属于线形防，现在

已经从最初的单光束发展到多光束，而且还可以双发双收，最大限度地降低误报率，从而增强该产品的稳定性，可靠性。据美国相关公司市场调研分析师预测，全球军用红外探测器需求额有望在2020年达到163. 5亿美元，复合年均增长率为7. 71%。 红外探测器按探测机理可分为热探测器和光子探测器，按其工作中载流子类型可以分为多数载流子器件和少数载流子器件两大类，按照探测器是否需要致冷，分为致冷型探测器和非致冷型探测器。非致冷探测器目前主要是非晶硅、氧化钒和InGaAs等探测器，致冷型探测器主要包括碲镉汞三元化合物、量子阱红外光探测器H类超晶格等。 在过去的几十年里，大量的新型材料、新颖器件不断涌现，红外光电探测器完成了第一代的单元、多元光导器件向第二代红外焦平面器件的跨越，目前正朝着以大规模、高分辨力、多波段、高集成、轻型化和低成本为特征的第三代红外焦平面技术的方向发展。 二、焦平面红外探测器应用现状 热探测器的应用早于光子探测器。热探测器包括热释电探测器、温差电偶探测器、电阻测辐射热计等。热探测器具有宽谱响应、室温工作的优点，但是它响应时间较慢、高频时探测率低，目前主要应用于民用领域。光子探测器是基于光电效应制备的探测器，通过配备致冷系统，具有高量子效率、高灵敏度、低噪声等效温差、快速响应等优点。在军事领域，光子探测器占据主导地位。常用的光子探测器有

红外探测器

8.2红外探测器8.2.1 热探测器 8.2.2 光子探测器

8.2 红外探测器的分类 ?红外探测器是能将红外辐射能转换成电能的一种光敏器件，是红外探测系统的关键部分，常常也被称为红外传感器。它的性能好坏，直接影响系统性能的优劣。因 此，选择合适的、性能良好的红外探测 器，对红外探测系统相当的重要。 ?常见的红外探测器分为两种：热探测器和光子探测器。

8.2.1 热探测器 ?工作原理：热探测器利用探测元件吸收红外辐射后产生温升，然后伴随发生某些物理性能的变化。测量这些物理性能的变化就可以测量出它吸收的能量或功率。?过程：第一步是热探测器吸收红外辐射引起温升；第二步是利用热探测器某些温度效应吧温升转变成电量的变化。 ?常见类型：常利用的物理性能变化有下列四种，热敏电阻型，热电偶型，热释电 型，高莱气动型。

热敏电阻型探测器 ?热敏物质吸收红外辐射后，温度升高，阻值发生变化。阻值变化的大小与吸收的红外辐射能量成正比。利用物质吸收红外辐射后电阻发生变化而制成的红外探测器叫做热敏电阻。 热敏电阻常用来测量热辐射。 ?热敏电阻有金属和半导体两种。 ?热敏电阻的电阻与温度的关系： ?R(T)--电阻值 ? T--温度 ?A,C,D--随材料而变化的常数 T D C e AT T R/ ) (? =

?金属热敏电阻，电阻温度 系数为正，绝对值比半导 体小，电阻与温度的关系 基本上是线性的，耐高温 能力较强，多用于温度的 模拟测量。 ?半导体热敏电阻恰恰相反，用于辐射探测，如报 警、防火系统、热辐射体 搜索和跟踪。 ?常见的是NTC型热敏电阻.

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量子阱红外探测器（ QWIP ）调研报告 信息战略中心（） 引言 ............................................................................................... 错误 ! 未定义书签。 1、量子阱红外探测器的原理 ..................................................... 错误 ! 未定义书签。 量子阱红外探测器基本原理简介 .......................................... 错误 ! 未定义书签。QWIP 的几种跃迁模式 ........................................................... 错误 ! 未定义书签。量子阱结构的选择 .................................................................. 错误 ! 未定义书签。QWIP 的材料选择 ................................................................... 错误 ! 未定义书签。 入射光的耦合 ......................................................................... 错误 ! 未定义书签。QWIP 的性能参数 ................................................................... 错误 ! 未定义书签。 量子阱周期数对器件性能的影响 [9] ................................. 错误 ! 未定义书签。 QWIP 的抗辐射机理与方法 .................................................. 错误 ! 未定义书签。参考文献： ................................................................................ 错误 ! 未定义书签。 2、量子阱红外探测器的制备方法 ............................................. 错误 ! 未定义书签。 直接混杂法制备红外探测器焦平面阵列像元 ...................... 错误 ! 未定义书签。 3、量子阱红外探测器的国内外主要应用 ................................. 错误 ! 未定义书签。 红外探测器分类 ...................................................................... 错误 ! 未定义书签。 红外探测器发展历程 .............................................................. 错误 ! 未定义书签。 红外探测器基本性能参数 ..................................................... 错误 ! 未定义书签。 各种焦平面阵列（ FPA ）的性能比较 .................................. 错误 ! 未定义书签。 S 红外成像系统的完整结构 ...................................................... 错误 ! 未定义书签。 焦平面结构 ........................................................................... 错误 ! 未定义书签。 读出电路 ............................................................................... 错误 ! 未定义书签。QWIP 探测器实例分析 ........................................................... 错误 ! 未定义书签。 QWIP 的应用领域及前景分析 .............................................. 错误 ! 未定义书签。参考文献： ................................................................................ 错误 ! 未定义书签。

红外探测器概述

第二章红外探测器概述 Chapter 1. Outlines of infrared detector 1.1红外探测器的物理基础 Physical basis of infrared detector 本讲的主要内容: 1.了解红外探测器的分类； 2.了解大气窗口的基本知识； 3.理解各类红外探测器的基本原理； 4.掌握光子探测器和热探测器的特点。 红外探测器是将入射的红外辐射信号转变成电信号输出的器件，是红外系统的核心部分。红外辐射是波长介于可见光与微波之间的电磁波（电磁辐射），其短波方面的界限决定于人眼的视感，一般定为0.75微米；长波方面的界限，尚无定论。人眼察觉不到。要察觉这种辐射的存在并测量其强弱，必须把它转变成可以察觉和测量的其他物理量。一般说来，红外辐射照射物体所引起的任何效应，只要效果可以测量而且足够灵敏，均可用来度量红外辐射的强弱。现代红外探测器所利用的主要是红外热效应和光电效应。这些效应的输出大都是电量，或者可用适当的方法转变成电量。一个红外探测器至少有一个对红外辐射产生敏感效应的物体，称为响应元。此外，还包括响应元的支架、密封外壳和透红外辐射的窗口。有时还包括致冷部件、光学部件和电子部件等。 按所利用的效应，红外探测器可分成三大类： 热敏（型）红外探测器，光子（型）（或光电型）红外探测器和整流(型)红外探测器。 1. 简史（History） 1800年，F.W.赫歇耳在太阳光谱中发现了红外辐射的存在。当时，他使用的是水银温度计，即最原始的热敏型红外探测器。1830年，L.诺比利利用当时新发现的温差电效应(也称塞贝克效应)，制成了一种以半金属铋和锑为温差电偶的热敏型探测器。称作温差电型红外探测器(也称真空温差电偶)。其后，又从单个温差电偶发展成多个电偶串联的温差电堆。1880年，S.P.兰利利用金属细丝的电阻随温度变化的特性制成另一种热敏型红外探测器,称为测辐射热计。1947年,M.J.E.高莱发明一种利用气体热膨胀制成的气动型红外探测器（又称高莱管）。在40年代，又用半导体材料制作温差电型红外探测器和测辐射热计，使这两种探测器的性能比原来使用半金属或金属时得到很大的改进。半导体的测辐射热计又称热敏电阻型红外探测器。 60年代中期，出现了热释电型探测器。它也是一种热敏型探测器，但其工作原理与前三种热敏型红外探测器有根本的区别。最早的光电型红外探测器是利用光电子发射效应即外光电效应制成的。以Cs-O-Ag为阴极材料的光电管（1943年出现）可以探测到 1.3微米。外光电效应的响应波长难以延伸，因此，它的发展主要是近红外成像器件，如变像管。 利用半导体的内光电效应制成的红外探测器，对红外技术的发展起了重要的作用。内光电效应分光电导和光生伏打两种效应。利用这些效应制成的探测器分别称为光导型红外探测器和光伏型红外探测器（见光子型探测器）。 在半导体中引起电导改变或产生电动势是一个激活过程，需要有一定的能量。因此，

一种可吸收垂直入射光的管状量子阱红外探测器-Fudan

一种可吸收垂直入射光的管状量子阱红外探测器 王晗1,2，李世龙1，甄红楼1，李梦瑶1,2，聂晓飞1,2，黄高山3，梅永丰3*，陆卫1* (1.中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室，上海200083； 2.中国科学院大学，北京100049； 3.复旦大学材料科学系，上海200433) 摘要：基于传统的光刻和化学湿法腐蚀工艺，通过卷曲技术，提出一种三维管状量子阱红外探测器。该管状器件相比于未卷曲的平面器件，在垂直入射光照下，展现了优良的暗电流、黑体响应和光电流响应率特性曲线。当工作温度60 K，偏置电压0.45 V时，管状器件峰值响应率为20.6 mA/W，峰值波长3.62 μm，最大量子效率2.3%。从几何光学的角度分析了管状器件的垂直光吸收原理，进而揭示了一种特殊的光耦合方式。最后，进一步测试了不同角度入射光照射下的光电流响应率谱。由于微管的近似圆形对称性，器件具有很宽的视角，有助于红外探测系统的设计。 关键词：卷曲微管；红外探测器；量子阱；光耦合 中图法分类号：TN362 文献标示码：A 引言 量子阱红外探测器(quantum well infrared photodetector, QWIP)作为20世纪90年代发展起来的第三代红外探测器，具有材料生长工艺成熟、器件均匀性好、光响应速度快及波长连续可调等优点[1-2]，在国防、航空航天、天文观测和民用领域等有广阔的应用前景[3]。QWIP 基于量子阱的子带跃迁，即在吸收外界光子后电子从阱内的基态跃迁到第一激发态进而形成光电流来实现红外探测。由于量子阱的一维限制结构（电子在材料生长方向上受限），只有电场分量沿着量子阱生长方向的入射光才能被其吸收[4]。因此，QWIP存在着如何耦合外界光的问题。图1(a)为最简单的光耦合方式——布儒斯特角耦合[5]，器件响应和量子效率非常低；图1(b)为45o边耦合[6-7]，即入射光从器件边缘打磨出的45o斜面入射，这种方式不适用于大规模的焦平面阵列；此外，在器件表面制作出金属或介质光栅、随机发射层或波纹层后，器件可以实现光栅耦合[8-10]、随机反射耦合[11]或波纹耦合[12]，如图1(c)、1(d)和1(e)所示。由于QWIP的子带跃迁工作模式，其量子效率较带间跃迁红外探测器偏小。因此，为提高QWIP的量子效率，一些具有电磁共振效果的光耦合结构被广泛采用。图1(f)展示了一种光子晶体耦合结构[13]，它可以实现器件的窄带增强响应；图1(g)和1(h)分别为金属二维孔洞阵列耦合结构[14]和金属-绝缘体-金属微腔耦合结构[15]，同样可以提高器件的量子效率。值得指出的是，由于利用耦合结构的共振模式，这些QWIP只能实现窄带的响应增强。我们提出一种管状的量子阱红外探测器(tubular QWIP)，其无需额外的结构就能直接吸收垂直入射光，并具有宽视角和宽频率的响应特点[16]。 本工作介绍了三维管状量子阱红外探测器件的设计和制备，给出了该器件在60 K温度下的暗电流、黑体响应和光电流响应等电学测试结果，并从几何光学的角度理解了器件吸收垂直入射光的基本原理，最后探索了器件在不同入射角下的光电流谱。 ____________________________ 基金项目: 国家自然科学基金(51322201, 61575213), 上海市科学技术委员会(14JC1400200) Foundation items: Natural Science Foundation of China (51322201, 61575213), Shanghai Municipal Science and Technology Commission (14JC1400200) 作者简介(Biography):王晗(1986-), 男, 湖北随州人, 博士研究生, 主要研究领域为三维量子阱红外探测器. E-mail:

(仅供参考)红外焦平面探测器普及知识

红外焦平面探测器普及知识 红外焦平面阵列（IR FPA）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。 国内外现状和发展趋势 自然界的一切物体，只要其温度高于绝对零度，总是在不断地辐射能量。红外热成像技术就是把这种红外热辐射转换为可见光，利用景物本身各部分温度辐射与发射率的差异获得图像细节，将红外图像转化为可见图像。利用这项技术研制成的装置称为红外成像系统或热像仪。用热像仪摄取景物的热图像来搜索、捕获和跟踪目标，具有隐蔽性好、抗干扰、易识别伪装、获取信息丰富等优点。因此，红外热成像技术在海上救援、天文探测、遥感、医学等各领域得到广泛应用。 红外热成像系统可以分为制冷和非制冷两种类型，制冷型有第一代和第二代之分，非制冷型可分为热释电摄像管和热电探测器阵列。第一代热成像系统主要由红外探测器、光机扫描器、信号处理电路和视频显示器组成，其中红外探测器是系统的核心器件，一般是分离式探测器。这种

红外探测器分类及应用

红外探测器分类及应用 红外探测器是能对外界红外光辐射产生响应的光电传感器，是目前传感器领域发展的重点之一。利用它制成的探测器是军事、气象、农业、工业、医学等方面需要的设备，它涉及物理、材料等基础科学和光学、机械、微电子和计算机等多学科领域的综合科学技术。 按照工作机理分类： 热探测器和光子探测器的分类和特点 ·光子探测器：光子探测器的工作机理是利用入射光辐射的光子流与探测器材料中的电子互相作用，从而改变电子的能量状态，引起各种电学现象，这种现象称为光子效应。光子探测器有内光电和外光电探测器两种，后者又分为光电导，光生伏特，光电发射型，光磁电型等四种。 ·热探测器：红外热探测器的工作原理是利用辐射热效应。探测器件接收辐射能量后引起温度升高，再由接触型测温元件测量温度改变量，从而输出点型号。热探测器主要有四类：热电堆，热释电型，和气体型。

光子探测器和热探测器的分类和特点 类型 典型敏感材料 特点 光子 探测器 光导型（光敏电阻） MCT,PbS,PbSe 灵敏度高，响应速度 快，具有较高的响应频 率，一般需在低温下工 作，探测波段较窄 光伏型 MCT,InSb,PbSnTe 光电发射型 PiSi/Si, IrSi/Si 光磁电型 PEM 热探 测器 热敏电阻 Mn，Ni,Co的氧化物材料 响应时间较长，灵敏度 较低，响应波段宽，可 以在室温下工作，使用 简单。 热释电 LiTaO3晶体，压电陶瓷PZT， 高分子薄膜PVFZ 气体型 高莱气动传感器 热电堆和热电偶 金铁镍铬合金，钨-铼合金 光子探测器和热探测器的性能特点比较 性能 光子探测器 热探测器 灵敏度 高 较低 响应时间 短（us量级） 长（通常ms量级） 光谱响应范围 特定波长灵敏 理论上与波长分布无关 D*值 高 低 工作条件 室温或制冷 一般为室温 成本 高 低 光子探测器的介绍和应用 1. 光导型探测器： 当红外辐射照射在某些半导体材料表面上时，半导体材料中有些电子和空穴可 以从原来不导电的束缚状态变为能导电的自由状态，使半导体的导电率增加， 这种现象叫光电导现象，利用光电导现象制成的探测器成为光电导探测器。 应用：水分分析，火焰探测，红外光谱仪，火车轴温检测，安防，军事等， 2. 光伏型探测器：

量子阱红外探测器QWIP调研报告

量子阱红外探测器Q W I P 调研报告 WTD standardization office【WTD 5AB- WTDK 08- WTD 2C】

量子阱红外探测器（Q W I P）调研报告 信息战略中心 引言 ............................................................................................................................................. 1、量子阱红外探测器的原理................................................................................................ 量子阱红外探测器基本原理简介........................................................................................ QWIP的几种跃迁模式........................................................................................................... 量子阱结构的选择 ................................................................................................................... QWIP的材料选择 .................................................................................................................... 入射光的耦合............................................................................................................................ QWIP的性能参数 .................................................................................................................... 量子阱周期数对器件性能的影响[9] ............................................................................... QWIP的抗辐射机理与方法................................................................................................. 参考文献：.................................................................................................................................. 2、量子阱红外探测器的制备方法....................................................................................... 直接混杂法制备红外探测器焦平面阵列像元 ................................................................. 3、量子阱红外探测器的国内外主要应用.......................................................................... 红外探测器分类........................................................................................................................ 红外探测器发展历程............................................................................................................... 红外探测器基本性能参数..................................................................................................... 各种焦平面阵列（FPA S）的性能比较 ..............................................................................