第7章 致冷型红外成像器件ppt课件.ppt

,第7章 致冷型红外成像器件,红外辐射的发现: 红外辐射是1800年由英国天文学家威廉赫谢尔(Herschel)爵士发现的，他在重复牛顿著名的棱镜实验时，探测到紧邻可见光谱低频端的区域中存在的热量。1900年，普朗克推导出了普朗克辐射定律，并定量地预计出黑体辐射能量与温度和波长的函数关系。,X射线,紫外线,近红外线,红外线短波,红外线中波,红外线长波,微波,波长单位为微米 (m),10-4,10-2,0.28,0.40,0.70,2.00,6.00,8.00,104,15.00,热测量,红外线属于电磁辐射，同样具有光波的性质，在真空中以光速直线传播，遵守同样的反射、折射、衍射和偏振定律，区别只是波长(频率)不同而已。,红外线波长范围： 在0.75m 1000m,红外线波长的短波端与可见光相接，波长的长波端与无线电的微波(毫米波)相连。红外热像仪可以接收红外辐射并将其转换为温度。,红外波段分为短波红外(SWIR)13m波段，中波红外(MWIR)35m波段和长波红外(LWIR)814m波段。,大气红外透射曲线,大气对红外线吸收比较少的波段，也就是透射率比较高的波段，被形象地称为“大气窗口”。对应大气窗口的波段，开发利用比较充分,红外技术用于夜视，是由于其工作原理决定的，它的许多特点使它不只用于夜视，还可用于探测、跟踪、侦察、告警、火控、制导以及工业、农业、医学、科研等各个领域。,红外技术的核心是高灵敏度地接收红外线，并把它转变成电信号输出。,图是热像仪夜间拍摄的热图像，它是景物的热图，不受有无阳光照射的影响。,物体,红外镜头,探测器,红外热图,红外辐射,红外热像仪工作示意图,红外热像仪是全被动接收仪器，依靠接收目标自身辐射的红外信号工作，对于其他精密电子仪器设备没有任何干扰。,电路处理,热成像测量物体表面温度,灵敏度高 空间分辨率高,目前最灵敏的热成像系统能测出0.01的温度变化,例如：点热成像系统1s内可测出20万个点。,红外热像图,红外热像仪接收目标各部位辐射的红外能量，并将其转换为温度值，用不同的颜色标示不同的温度，以热像图方式在液晶屏上显示。,可见光图 红外热像图,红外辐射的应用:红外线存在于自然界的任何角落，一切温度高于绝对零度的有生命体和无生命体时时刻刻都在不停地辐射红外线。太阳是红外线的巨大辐射源，整个星空都是红外线源，地球上，无论高山，还是森林湖泊，冰天雪地，都在日夜不停地放射红外线，特别是，活动在地面、水中和空中的军事装置，如坦克、车辆、军舰、飞机等，由于有高温部位，往往形成强的红外辐射源。红外辐射的探测在军事上和民生上有广泛的应用需求。在二次世界大战开始前后，现代红外成像技术进入了初期阶段，在五十年代和六十年代，使用单元致冷铅盐探测器制作的红外传感器首次用于防空导弹寻的。从此开始了红外在军事上应用.目前，红外技术已经从军事应用，走向民用，在国民经济各领域发挥着巨大的作用。,红外热像仪具有很高的军事应用价值和民用价值。在军事上，红外热像仪可应用于军事夜视侦查、武器瞄具、夜视导引、红外搜索和跟踪、卫星遥感等多个领域；在民用方面，红外热像仪可以用于材料缺陷的检测与评价、建筑节能评价、设备状态热诊断、生产过程监控、自动测试、减灾防灾等诸多方面。这种热像图与物体表面的热分布场相对应；实质上是被测目标物体各部分红外辐射的热像分布图由于信号非常弱，与可见光图像相比，缺少层次和立体感，因此，在实际动作过程中为更有效地判断被测目标的红外热分布场，常采用一些辅助措施来增加仪器的实用功能，如图像亮度、对比度的控制，实标校正，伪色彩描绘等技术。,红外应用,建筑检测食品警用安防制造业石化预防性维护,造纸科研/测试冶金电力动物医疗军事上,卧室屋顶漏水,建筑检测,办公楼隔热玻璃,BCAM/BCAM SD/B2/B4/B360/B400,食品,冷冻的鸡肉,食品制作过程中控制温度,警用安防,树丛里的嫌疑犯,地毯上的脚印,夜视监视,制造业,芯片和电路板,电器产品,石化,预防性维护,电器维护,机械维护,造纸,温度不同,生产,科研/测试,飞机机翼,冰箱保鲜,冶金,电力,动物医疗,红外武器装备包括红外夜视、前视红外、侦察、告警、火控、跟踪、定位、精确制导和光电对抗等先进技术装备，对取得战场主动权和进行夜战，发挥了突出作用。,有人统计从19751985年，马岛战争至两伊战争期间，被红外制导导弹击落的飞机，占飞机损失总数的95。红外搜索跟踪仪的跟踪精度可以在10以内，对超低空目标和掠海飞行目标的抗干扰能力以及对多目标的选择跟踪能力，都是已有手段中最好的；,“阿帕奇”武装直升机的红外侦察图像,军事上的应用,预警卫星装有高精度的探测器。始终指向敌对方的地区。一旦敌方发射导弹，卫星就可以探测出来，同时通过对飞行弹道进行计算，可以确定它的落点和攻击目标，并马上把信息传到本部指挥中心，提醒作好反击准备。,一般的洲际导弹要飞行几十分种的时间，中程导弹也要飞行几分种到十几分种的时间。预警卫星的报警就为自己一方赢得了宝贵的时间。,美军近日在导弹防御上可谓不惜血本，对导弹防御系统的资金投入，到2016年，其年度费用将达150亿美元。2012年7月，朝鲜进行导弹试射时，美军的反导预警系统对朝鲜导弹试射情况掌握得一清二楚。,卫星红外侦察、预警，可以在数十秒内探测到弹道导弹助推段火箭的发射。,预警卫星的红外望远镜，可以全天候探测“飞毛腿”导弹发射，30s内就可探测到发动机喷射的尾焰，为“反导”赢得了时间；,长波红外热像仪在夜间可看清战场目标，提高了飞机、坦克、战车的夜间作战能力和识别伪装目标的能力，海湾战争中飞机轰炸主要是在夜间进行的。,从常规的夜间红外瞄准具到空间的卫星拦截器都使用了红外技术。,红外成像装备及观察到的F117图像,红外探测有两种主要形式： 第一类器件 :需要致冷型的红外光量子型探测器件，这类器件是通过光致激发将光子直接转换成半导体中的自由载流子。 第二类器件: 非致冷的量热型红外探测器件，在这类器件中，入射辐射被晶格吸收，由此而增加了晶格的温度并改变了探测器的电特性。,许多常温下物体的辐射光谱峰值都在10m左右.军事目标辐射的峰值在814m波段范围，这个波段是军事探测、红外遥感的主要工作波段.也是大功率CO2激光器的工作波段，而且大气在这个波段的透过率高，常称为大气第三个透过窗口。人们希望有工作于常温或不很低的低温而且D*又高的本征型光电导器件。根据本征光电效应工作原理，适合于814m的波段的半导体材料，其禁带宽度应为0.090.15eV.但是已知所有单晶和化合物半导体材料中都不具备这么小的禁带宽度。人们用多元化合物达到了这一目的。碲镉汞（Hg1-xCdxTe，HgCdTe），简写为MCT或CMT，是最常用的长波红外（LWIR ，8-14m）和中波红外（MWIR，3-5m ）的探测器材料。,7.1 SPRITE红外探测器,7.1.1 碲镉汞的性质,Hg1-xCdxTe是由二元CdTe和HgTe构成的固溶体。CdTe的禁带宽度较宽，HgTe是半金属。通过不同的配比x（按摩尔数比），以及在不同的工作温度T，可以得到不同的带隙的MCT。研究指出，Hg1-xCdxTe的禁带宽度Eg可用经验公式表示：,1.禁带宽度随组分和温度而改变,在0.1777K时，计算结果同实验值相当一致。在x较小时，Eg同x可视为呈直线关系，Eg变为：,所以Eg对T的变化率为：,从式（7-3）可以看出，在x0.48时，随T升高，Eg线性增大，如图7-1所示。当x=0.48时，Eg不随T而变化，且有Eg= 0。,通过控制配比x和工作温度T，可以得到所需的禁带宽度。但是，到目前为止，几乎所有的本征碲镉汞，其x值均在0.18-0.4之间。这相当于截止波长为330m。而重点研究是x=0.2的合金，即Hg0.8Cd0.2Te。这种材料正好迎合于814m的大气窗口。对于高x值Hg1-xCdxTe,也正在研究之中。,SPRITE (Signal Processing In the Element)探测器是英国皇家信号与雷达研究所的埃略特(Elliott)等人于1974年首先研制成功的一种新型红外探测器，它实现了在器件内部进行信号处理。,这种器件利用红外图像扫描速度等于光生载流子双极漂移速度这一原理实现了在探测器内进行信号延迟、叠加，从而简化了信息处理电路。,7.1.2 SPRITE探测器的工作原理与结构,目前国内外研制的SPRITE探测器，其材料是N型MCT材料。 Hg1-xCdxTe。工作温度为77K、工作波段为814m;工作温度为200K左右、工作波段为35m两种。将它用于热成像系统中，既完成探测辐射信号的功能，又完成信号的延迟、积分功能，大大简化了信息处理电路，有利于探测器的密集封装和整机体积的缩小。,目前具有代表性的SPRITE探测器是由多条细长条Hg1-xCdxTe组成，每条长700m、宽62.5m，厚10m，长条间彼此间隔12.5m。将n型Hg1-xCdxTe材料按要求进行切、磨、抛后粘贴于衬底上，经精细加工、镀制电极，刻蚀成小条，再经适当处理就成了SPRITE探测器的芯片。每一长条相当于N个分立的单元探测器。N的数目由长条的长度和扫描光斑的大小决定。对于上述结构，每条相当于1114个单元件，所以8条SPRITE相当于100个单元探测器。每一长条有三个电极，其中两个用于加电场，另一个为信号读出电极。读出电极非常靠近负端电极，读出区的长度约为50m、宽度约为35m。,SPRITE探测器原理,有一稳定的非常窄的小的光信号照射在样品上，x=0处样品中产生的非平衡载流子在样品两端加电压作用下，光生载流子要经过产生、复合、扩散、漂移等过程，其浓度变化遵循连续性方程,（7-1）,（7-2）,在场强为均匀场时，,（7-3）,（7-4）,（7-3）,+（7-4）,并且,，,（7-5）,（7-6）,（7-7）,D和为双极扩散系数及双极迁移率，D、已不是原来的量，仅表示非平衡载流子浓度分布的扩散和漂移运动。如图7-2。,图7-2 p 与n的漂移过程,在外加电场比较强的情况下，可以忽略扩散项。得,如漂移长度大于样品长度L，即LdL，则在时间内p完全移出体外；,如漂移长度小于样品长度L，即LdL，则在时间内部分p移出体外；,产生的空穴以E的漂移速度运动，p的漂移速度vd=E,产生的空穴在寿命期间漂移的长度，p的漂移长度Ld=E,即 全部扫出条件之一，E=L,即 临界扫出电压 UL2/,如果Ld=L，则样品中的p在时间内正好完全移出体外。,实现SPRITE探测器信号延迟和叠加的必要条件是红外图像扫描速度vs等于非平衡少数载流子空穴的双极漂移速度。这可以认为是全扫出的条件之二,即 vs=vd，双极漂移速度vd与n型Hg1-xCdxTe材料少数载流子的迁移率p和加于长条的电场强度Ex有关。对于一定的材料，p是一定的，唯有外加电场强度可以调节。如果在器件允许的条件下所加电场强度足够高，非平衡少数载流子被电场全部或大部分扫出，这样就能实现信号的延迟和叠加；,SPRITE探测器的结构,图7-3 SPRITE探测器实际结构,典型的扫积型探测器8块N型MCT的细长条组成。每条长宽高=70062.510m3。条间距12.5m，读出区长为50m，宽为35m。,每个细条有三个电极。一个电极为信号探针或读出端，另两端是欧姆接触的电源电极。读出电极结构有音叉、平角、楔形一平角形。如图7-4。,图7-4 SPRITE探测器读出电极结构,7.2 红外焦平面阵列的结构和工作原理,与SPRITE探测器相比，阵列型红外成像器件由阵列元组成，并处于红外成像系统的焦平面上，常称为红外焦平面阵列（Infrared Focus Plane Array，IRFPA）。红外焦平面阵列要求将高达106甚至更多的探测器单元紧凑地封装在焦平面上。红外焦平面器件已用于夜视、跟踪、空间技术、无损探伤、温度监测、天文、医学等广泛的领域，是新一代高性能的红外探测器，世界上许多国家在这方面开展研究，已经在军事上获得了应用。,7.2.1 红外探测的工作原理,无论是直接的还是间接的，红外探测器都是用来把入射辐射转换成电信号。如前所述，光子探测器，是通过光致激发将光子直接转换成半导体中的自由载流子。目前有四种主要类型的光子探测器，即光电导、光伏、MIS结构和肖特基势垒型。,图 7-8 四种常用的红外探测器结构和与其有关的能带围。(a)光电导(b)光伏(c)金属-绝缘体-半导体(d)肖特基势垒,7.2.2 红外焦平面阵列特点,红外焦平面阵列(IRFPA，InfraRed Focus Plane Array)，其方法是将两维红外探测阵列集成在带有多路传输读出电路的器件上,该器件位于红外系统的焦平面上。属于凝视性器件。,何为焦平面? CCD,CMOS在焦面上. Sprite探测器不在焦面上.为何特别叫”红外焦平面”? 相对于红外Sprite探测器.,它不位于红外系统的焦平面上.何为阵列? 相对于分离的Sprite探测器,它不是阵列.何为凝视? 相对于扫描型的红外Sprite探测器.,(1) 可见光CCD的探测器和多路传输器都是用硅材料来制做的，而工作于35m和812m大气窗口的高灵敏度IRFPA，则要求探测器的禁带宽度为0.1到0.25eV。因此，IRFPA一般是用窄禁带半导体作探测器，硅作多路传输器和处理器来制造，由此将产生很复杂的互连问题和材料问题。(2) 一般的大地红外景物的红外图像对比度很低(与可见光不同)，而背景很强，这使其主要受限于光子噪声。由于使用了窄禁带半导体材料，需要得到最低的电子噪声使之尽可能达到光子噪声限，必须对IRFPA进行低温冷却。因此，这种IRFPA器件都必须涉及到一些与低温高性能模拟电路的电子设计有关的附加问题。如机械封装，以及与低温致冷器接口的杜瓦瓶的电气连接问题。,1. IRFPA和可见光CCD成像器件之间有几个主要的差别：,杜瓦瓶,（3）由于入射在MWIR（中波红外）和LWIR（长波红外）成像系统焦平面上的红外辐射的主要特点在于具有很大的、占主要份量的环境背景辐射，因此大多数的红外图像的特点是高背景本底和低对比度。这与背景辐射很小且对比度很高的近红外和可见光CCD图像正好相反。因此，理想条件下的红外成像就受限于背景光子到达速率的涨落(光子噪声)。光子噪声通常被用作比较探测器噪声的参考点。,CCD图象特征:背景辐射很小且对比度很高,红外图象特征:高背景本底和低对比度。,特征: 高背景本底和低对比度。,致冷型,非致冷型(下章论述),实质上是被测目标物体各部分红外辐射的热像分布图由于信号非常弱，与可见光图像相比，缺少层次和立体感，因此，在实际动作过程中为更有效地判断被测目标的红外热分布场，常采用一些辅助措施来增加仪器的实用功能，如图像亮度、对比度的控制，实标校正，伪色彩描绘等技术。,2. IRFPA有几个明显的优点：,第一，探测器整体结构高密度封装，实用方便、体积小、重量轻、简单、可靠和低成本；,第二，IRFPA信号处理过程在焦平面器件上进行；,第三，允许优化设计系统参数，如较小的光学孔径，缩小的光谱带宽和较高的帧速等；,与SPRITE红外探测器件相比，,第四，可以去掉现有系统中的一些处理电路(主要是附属于分立探测器的前置放大器和多路传输器)和减少穿过杜瓦瓶信号线的数目。,在IR FPA出现之前，如用SPRITE，制做大面阵的唯一方法是将每个探测器连接到一根引线上(也许是一个前置放大器上)，而这些引线都必须封装在同一个小杜瓦瓶内.在探测器引线数很大时，很明显这将产生一个无法处理的导线和电子元件的迷宫，要求一个大得无法接受的致冷器。焦平面阵列技术的目的是采用集成电路技术来满足制作非常大的探测器阵列。目前，有三种主要的结构形式：混合式IRFPA、全单片式IRFPA、准单片式IRFPA。 IRFPA的出现已经为红外系统在增加灵敏度和空间分辨率方面带来了许多新的可能性.,7.2.3 红外焦平面阵列的材料,当前，用于IRFPA的材料有:硅化铂(PtSi)锑化铟(InSb)碲镉汞（HgCdTe）GaAsAlGaAs多量子阱等。,1.硅化铂(PtSi),Si肖特基势垒器件IRFPA以工作于35m波段的PtSi IRFPA的发展最快，已制成高于1000万像素(40964096)器件，被认为是目前制作高密度IRFPA最先进的方法。优点:关键在于PtSi 具有良好的红外响应均匀性与硅大规模集成电路工艺兼容的突出优点。高像素点,高集程度.PtSi IRFPA的主要缺点: 量子效率低。为了提高量子效率，目前国内外在探测器结构上采用了：(1)薄PtSi膜(2l0nm)；(2)光学共振腔；(3)P型硅衬底背面加抗反射层(器件采用背面进光模式)。实践证明，上述改进措施使量子效率得到了大幅度提高。后面将详述,量子型InSb IRFPA对于35um波段的红外辐射非常敏感。InSb是一种直接带隙半导体，其带隙Eg很小。如图7-9.在室温300K时，Eg为0.17eV，长波限和峰值响应波长分别为7um和6um，响应率为2109cmHz1/2/W。当用液氮冷却至77K时，带隙增加到0.23eV，长波限为5.4um，峰值响主波长为5um，响应率为6.51010cmHz1/2/W。InSb是通过改变器件工作温度来改变其光谱响应特性的。,2.锑化铟(InSb),常温下，InSb的电子迁移率为60000cm2/V.s，77K时InSb的电子迁移率为 300000 cm2/V.s。作为InSb材料，因为能廉价地制作大面积、缺陷少的单晶，故容易解决一些制作技术上的难点，制成电学性能好的二极管。因为InSb和单晶硅不一样，还得不到良好的MOS特性，因此采用折衷方法，即探测器采用InSb光电二极管阵列，信号处理器采用Si-CCD构成，再用铟（In）丘将两者进行机械、电学结合，形成混合型IRFPA。因InSb材料较成熟，在35um波段前景看好。,3.碲镉汞（HgCdTe）(前面已论述),窄禁带半导体混晶碲镉汞（Hg1-xCdxTe）是目前最重要的红外光电子材料，通过调节混晶组份，可以获得适用于不同波段的高性能IRFPA。由于Hg-Te键的脆弱及其与Cd-Te键之间的巨大差别，导致这种材料较高的本征缺陷密度和较高温度下和辐射作用下的不稳定性。这些问题长期困扰着碲镉汞的研究者们。近年来的大量研究已经对最终认识这种本征缺陷态成分和结构以及电子态等提供了大量的信息，并对降低这类缺陷密度的途径提供了各种可能性和尝试机会。,4.半导体超晶格和量子阱,半导体超晶格和量子阱结构的红外光电探测研究，是近年来红外物理和量子阱物理研究的一个共同热点。这些研究正促使半导体超晶格和量子阱结构成为新一类重要的红外光电子材料。人们在实验中证实量子阱子带间电子跃迁可以和红外辐射有强的耦合，因而可以用于红外辐射探测。调节超晶格、量子阱结构的周期和势垒高度等能带工程手段，起着碲镉汞混晶中调节组份相似的作用，能实现不同波段红外辐射的探测。据介绍，美国洛克威尔公司已制成截止波长为7.7um的128128元GaAsCaAlAs超晶格多量子阱探测器混合式焦平面阵列。,每种IR FPA的设计必须考虑几种主要的功能：光子探测，电荷存储和多路传输读出。 IR FPA 的两种结构:混合型和单片型.混合式器件：有两种:倒装式,Z平面结构一般是在窄禁带半导体材料(探测器阵列)完成光子探测过程，然后将信号转移到硅多路传输器上(每个探测器有一个接触点)。混合式器件具有在常规模拟硅器件上存储电荷和完成多路传输功能的特殊优点。单片式器件：有四种:PtSi肖特基势垒型、异质结型、MIS像元型、准单片式。在同一个芯片上完成光子探测、信号转移、传输等功能，这就要求使用类似加工硅晶片的工艺来制作，而且最终得到造价很低的器件.,7.2.4 混合式结构之-倒装式结构,该结构是在探测器阵列和硅多路传输器上分别预先做上铟柱，然后通过两边的铟柱将探测器阵列正面的每个探测器与多路传输器一对一地对准配接起来。,倒装式结构,7.2.5 混合式结构之-Z平面结构,混合式结构还可用同样类型的背照式探测器阵列制成如图7-9(b)所示的Z平面结构。其工艺过程是将许多集成电路芯片一个一个地层叠起来以形成一个三维的“电子楼房”，因此将其命名为z平面结构。,探测器阵列被置于层叠集成电路芯片的侧缘，每个探测器具有一个通道。由于附加了许多集成电路芯片，所以在焦平面上可以完成许多信号处理功能，如前置放大、带通滤波、增益和偏移修正、模数转换以及某些图像处理功能。然而，为了把探测器做得很小，就必须把硅集成电路芯片减得很薄，而目前减薄技术只能达到5075m，因此限制了IRFPA最终的分辩率。,混合式结构有两种互连技术.,1. 对接技术-冷焊铟柱,采用这种结构时，探测器阵列既可用前照式(光子穿过透明的硅多路传输器)，也可用背照式(光子穿过透明的探测器阵列衬底)。一般来讲，背照式更为优越，因为多路传输器一般都有一定的金属化区域和其他不透明的区域，这将缩小有效透光面积。,此外，从多路传输器这一面照明还意味着光子必须三次通过半导体表面，而这三个面中只有两个面可以镀以适当的增透(AR)膜。从探测器阵列的背面照明时，仅有一个表面需要镀增透膜，而且这个表面不含有任何微电子器件，不需要任何特殊处理。实际上，探测器阵列的背面能减薄到几个微米以改善瞬时抗辐射能力。,在混合工艺过程中，铟凸点技术,由于冷焊铟柱时需要一定的压力，在探测器上可能造成机械损坏。在混合完成后，硅多路传输器与探测器阵列材料(如InSb和HgCdTe)之间热膨胀系数的失配,将在探测器阵列被冷却到低温时引起铟对接处的剪切机械变形。,对铟柱采用专门的设计和严格控制的工艺，同时选择与多路传输器能很好地进行热膨胀特性匹配的探测器衬底材料将会大大减小这些问题的影响。如果探测器衬底与读出电路(Si材料)两者的热膨胀系数很接近的话，铟对接技术可以用来制做12英寸的阵列，并可承受几百次的热循环变化。尽管如此，单元尺寸很难缩小到25m以下，而且混合式的工艺用于实际生产时成本较高。,可以替代铟凸点技术的是图7-11(b)所示的环孔(或穿导孔)技术。其工艺要求：将探测器芯片和硅读出芯片的表面抛光到具有很高的平直度和平行度(容差小于lm)，然后将它们粘接在一起形成一个可象硅片一样来处理的单个芯片乃至晶片。接着，用离子注入或扩散的方法在探测器阵列上形成光伏二极管(与硅读出芯片的多路传输单元相对准)。,2.对接技术-环孔(或穿导孔)技术,然后，再用离子研磨或激光的方法在每个探测器的中心钻出环孔，然后在每个洞壁暴露的探测器材料上进行掺杂并用金属回填，这样就将探测器和多路传输器连接在一起了。 最后一步是将处理过的探测器表面进行钝化。用此技术制成的器件在机械性能和热性能稳定方面的情况已有较大的改进，其单元尺寸可以小到40m. 所存在的问题是:穿导孔减小了占空因数。环孔技术被认为是属于混合式结构范围，却保留了类似硅工艺的某些优点。,7.2.6 单片式阵列之-肖特基势垒型 1.工作原理,结构和原理图,目前,常采用了PtSi来制造全单片式的IRFPA，这些类型的探测器实质上是采用了硅基底，将探测器阵列和硅多路传输器及衬底做在一起。其设计与可见光CCD是兼容的。PtSi肖特基势垒器件IRFPA的发展最快，已制成1000万像素(40964096)器件，被认为是目前制作高密度IRFPA最先进的方法。优点:PtSi IRFPA具有良好的红外响应均匀性硅大规模集成电路工艺兼容。缺点:PtSi IRFPA的主要是量子效率低。,SBD（肖特基势垒器件）的金属硅化物（PtSi）和半导体Si相接触，如图7-12(c)，因功函数不同，故接触时要发生电荷的流动，形成势垒，最后使费米能级在各处都达到同一水平，如图7-12(d) .该器件采用背面光照工作模式。入射的红外辐射先照到硅衬底，光子能量小于硅能带间隙(Eg=1.1eV)的红外辐射透过硅衬底，到达很薄的PtSi层。在PtSi中的感光是通过所谓内光电发射过程来完成的。,此过程分为两步：（1）红外辐射在PtSi中被吸收或部分吸收，激发产生电子-空穴对，电子在费米能级以上，留下空穴；（2）到达PtSi硅界面的空穴越过肖特基势垒，进入硅衬底。因此，净的负电荷(电子)将存贮在PtSi中。通过电子转移从PtSi中进入BCCD，如图7-12(b)，完成红外辐射信号的探测。在第二步中硅中增加的空穴效，称为“热空穴发射”。所谓热空穴是指其能量高于势垒高度，冷空穴是指其能量低于势垒高度。显然，只有热空穴才能越过势垒，即是说，要使入射的红外辐射产生内光电发射，SB探测器的光谱能量窗口必须满足下式：,为金属-半导体肖特基势垒高度；h为光子能量；Eg为硅带隙能量。,SB探测器的截止波长取决于SB高度，长波阈值有下式： 由半导体材料和金属硅化物的性质决定。由于PtSi/P-Si系统使接触界面深入到硅材料内部，避免了表面沾污和中间层的影响，保证了的均匀性和工艺的重复性，尤其是极好的光响应均匀性，保证了热成像的质量。,最早的肖特基势垒FPA采用厚的Pd2Si和PtSi探测器制成，淀积了大约60nm的钯和铂。这些器件的光响应很弱。 为了提高PtSiSBD FPA的量子效率，SBD结构采用了：（1）薄PtSi膜；(2)光腔结构Al-介质-PtSi；(3)硅衬底背面加抗反射层SiO，如图7-13(a)所示。,2.结构,SBD由抗反射层(SiO)、硅衬底、硅化铂层、介质层(SiO2、SiO、Si3N4、或SixOyNz)以及铝反射镜共五部分组成，其中硅化铂、介质和铝镜构成光腔。这种器件结构设计的优点是：(1)减薄了PtSi层的厚度，使之远小于空穴在PtSi中的平均自由程(约43nm)，使产生的热载流子几乎可全部到达界面；(2)增加了绝缘层，提供了一个反射界面，增加热载流子在PtSi介质界面的反射，从而增加了光学吸收比，提高了热空穴到衬底的注入效率。热空穴运动如图7-13(b)所示。注入效率的提高，将被称之为内部量子效率增益。,(3) 抗反射涂层SiO 。FPA输出信号的强弱与其量子效率及投射到探测器表面的红外辐射量成正比。抗反射涂层SiO，淀积在已减薄到200250um的硅衬底背面，将耦合到SBD的红外辐射量提高了约30，从而使光腔结构探测器的光学吸收比最佳化。在PtSi层与铝镜之间引入最佳光学厚度的介质层，器件的量子效率可进一步提高。,从理论上讲，PtSi膜越薄，内光电发射几率越高。但实验发现，当PtSi膜厚度小于1.4nm时，PtSi膜不连续。因此，目前在该器件制作中，选取的最佳PtSi膜厚为2.0nm。据介绍，薄层PtSi-SBD的量子效率比厚PtSi-SBD高出32倍多，其中3.46倍归因于光学吸收比的提高，9.25倍是因为增益系数G，即是说，这种提高是由于热空穴在PtSi介质界面反射的结果。,3. PtSi阵列 ITCCD读出电路,行间转移CCD（ITCCD）是迄今PtSi FPA用得最多的读出结构，因ITCCD的结构设计和工艺制作趋于成熟，且具有结构简单，读出噪声低、信号处理能力强的优点。采用ITCCD结构的PtSi FPA要获得最佳性能，必须考虑垂直CCD移位寄存器的电荷处理容量与SBD的电荷存储容量之间的平衡。使这两个参数最大化的ITCCD采用2：1垂直隔行扫描，即两个SBD光敏元对应一个垂直CCD单元。,因为要考虑垂直CCD的电荷处理容量与SBD的电荷存贮容量之间的平衡，故采用ITCCD结构，这种结构的缺点:很难设计出填充系数高、而象元尺寸又小的列阵。因此,在有限的象元尺寸（为了提高空间分辨率，象元尺寸设计得很小）确定后，为了追求高填充系数，在器件结构设计上必须另辟蹊径。,4PtSi阵列MOS读出电路,具有MOS读出多路传输器的PtSi FPA可以设计成列(Column)读出工作方式或行(row)读出工作方式.,图7-15 列读出MOS多路传输器FPA,图7-16 行读出MOS多路传输器FPA,硅多路传输器的电荷存储容量,采用行读出的MOS FPA比采用列读出的MOS FPA有更低的读出噪声。 MOS读出电路的FPA的优点：高填充系数，大电荷处理量(受限于SBD电压和电容)，适于制作高分辨率摄像器件。可以在比埋沟CCD寄存器SBD FPA低得多的温度(低至40K)下工作。MOS FPA的主要缺点:是其读出噪声比埋沟CCD寄存器SBD FPA高。,7.2.7 单片式阵列之异质结探测元IRFPA,异质结探测元的单片式IRFPA如图7-17所示，它是将窄禁带探测器材料用异质外延的方法生长在含有多路传输器的硅衬底上。这种方法是将硅集成电路技术和高量子效率的窄禁带半导体的优点结合在一起的一种全单片式设计。虽然能使这种设计实现的异质外延技术目前还不太成熟，但该技术正在取得很快的进展。另外的可能性就是采用砷化镓代替硅来做衬底和高速多路传输器。,7.2.8 单片式阵列之MIS像元IRFPA,如通常CCD成像器件一样，可以用HgCdTe或InSb这类窄禁带半导体材料来制做CCD结构形式的全单片式阵列。当把MIS栅用作电荷转移器件(象CCD一样)时，它也存在几个基本的限制问题:对于大多数红外成像应用来讲，要求在单位像元上有较高的电荷处理能力，而用窄禁带半导体材料制做的MIS栅由于其击穿电压较低因而限制了其电荷容量。更严重的问题是当电荷沿窄禁带CCD转移以完成读出功能时，会产生噪声和电荷俘获。,金属绝缘体半导体(MIS)结构,通常，MIS探测器与光伏探测器相比，其材料要求更为苛刻。CdTe由于其化学组分、晶格常数、晶体结构等均与HgCdTe很接近，完全耗尽的CdTe具有好的绝缘性，在HgCdTe/CdTe界面上，具有和成熟的自身氧化物膜/HgCdTe界面一样低的界面态密度、界面陷阱密度。由于其光学常数适当而被认为是HgCdTe FPA器件芯片的表面钝化材料。而ZnS由于其光学常数适当，被用作器件的表面抗反射层材料。,7.2.9 准单片式阵列结构,在混合式IRFPA阵列中，MN的凝视阵列将需要MN个接触点，将每一个像元的数据转移到Si读出电路中。在准单片式阵列结构中，阵列的一行或一列数据在探测器材料中传输，输出的数据再与Si行扫描或列扫描电路连接，如图7-19所示。,准单片式,为避免使用CCD所固有的多位数的寄存器。有两种读出电路(CID和CIM)可以达到窄禁带半导体所要求的最少电荷转移次数。在这两种读出电路中，两维阵列要对每一行与每一列的接触点进行寻址，,在大多数这些被称为X-Y寻址的结构中，电荷存储全部在窄禁带半导体材料上进行，而部分多路传输功能和全部前置放大功能在辅助的硅芯片中完成，辅助的硅芯片与探测器阵列相邻地安装在一个陶瓷基片上。因此，MN的疑视阵列将需要最少为M+N个接触点。 如图7-16所示，又称这种结构为准单片式结构。,