产品特色
内容简介
红外光子探测器及以此为基础的红外焦平面成像阵列是当代先进红外技术应用的基础和引领者,也是近三十年来红外物理与技术领域主要的研究方向和*活跃的研究对象之一。《航天红外成像探测器》在着重论述红外焦平面成像阵列一般原理基础上,以航天红外探测应用中重要的HgCdTe、InSb、InGaAs、Si∶X、QWIP和T2SL等探测器为论述主体,详尽介绍其科学原理、技术路线和性能特点。《航天红外成像探测器》密切结合作者及其同事多年经验和研究成果,也尽量反映国际新发展。
《航天红外成像探测器》可供红外光电技术领域从事红外成像探测器材料、器件的研究、制造、应用、开发和管理的专业人员阅读参考,也可供高等学校光电器件和信息类专业的教师、研究生和高年级学生,以及对红外技术感兴趣的读者阅读参考。
作者简介
陈伯良,1943年生,上海市人,九三学社成员。1964年毕业于上海科学技术大学技术物理系,曾任中国科学院上海技术物理研究所研究员、中国电子显微镜学会半导体材料专业组成员、上海市有色金属学会半导体材料专业委员会委员等职。从事红外探测器材料和器件研究、研制、测试和应用四十余年。曾赴德国Max-Planck固体研究所和日本山口大学访问研究。在国际、国内发表学术论文三十余篇,持有中国发明专利4项,曾获中国科学院科技进步三等奖,国防科学技术二等奖。领衔完成国家863计划重点项目——InSb凝视红外焦平面组件研制和应用,并获2005年度国家科技进步奖二等奖。
李向阳,1969年生于山东临清,现任中国科学院上海技术物理研究所研究员,博士生导师。并任中国光学学会会员、上海市传感技术学会理事、上海科技大学特聘教授等职,享受政府特殊津贴。从事HgCdTe红外探测器和AIGaN紫外探测器等研究。曾承担并完成航天红外探测器研制、上海启明星计划、上海光科技专项以及国家863、973项目的专题、自然科学基金等项目。获上海市科技进步一等奖3项、军队科技进步二等奖1项。
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目录
空间遥感与科学实验有效载荷技术系列·序
前言
第1章 绪论
1.1 红外辐射与红外探测
1.2 红外探测器的发展历程
1.3 红外探测技术的重要地位
1.4 应用需求激励和关键技术突破促进红外成像探测器不断发展
参考文献
第2章 红外光子探测器原理
2.1 半导体的光吸收
2.2 半导体中少数载流子寿命和扩散长度
2.3 红外探测器的特性参数
2.3.1 响应率
2.3.2 噪声
2.3.3 噪声等效功率
2.3.4 探测率
2.3.5 响应时间
2.3.6 量子效率
2.3.7 其他参数
2.4 红外探测器的噪声机构
2.4.1 热噪声
2.4.2 散粒噪声
2.4.3 温度噪声
2.4.4 1/f噪声
2.4.5 随机电报信号噪声
2.5 光电导型红外探测器理论
2.5.1 半导体的光电导效应
2.5.2 光电导型探测器的性能
2.5.3 实际使用条件
2.5.4 杂质光电导红外探测器
2.6 光生伏特型红外探测器理论
2.6.1 半导体的光生伏特效应
2.6.2 光生伏特型红外探测器基本结构
2.6.3 量子效率和噪声
2.6.4 载流子复合机构和少子寿命
2.6.5 光伏红外探测器的电流机构和优值因子
2.6.6 光伏红外探测器的实际使用条件
2.7 红外光子探测器背景限性能和工作温度
2.7.1 背景限性能
2.7.2 低温工作的必要性
2.8 光电导和光生伏特探测器性能特点比较
参考文献
第3章 红外焦平面阵列概论
3.1 从扫描成像到凝视成像
3.1.1 红外成像的对比度要求
3.1.2 单元探测器光学一机械扫描成像原理和性能描述
3.1.3 凝视阵列成像
3.1.4 光-机扫描成像和凝视阵列成像的限制性因素
3.2 红外焦平面阵列的结构及成像原理
3.2.1 单片焦平面器件和混成焦平面器件
3.2.2 用于焦平面阵列的探测器类型
3.2.3 焦平面阵列成像原理简述
3.2.4 凝视焦平面和扫描焦平面
3.3 红外焦平面阵列特性参数
3.4 红外焦平面阵列的信号读出
3.4.1 电压读出和电流读出
3.4.2 交流信号读出和直流信号读出
3.4.3 红外焦平面读出电路的基本结构
3.4.4 红外焦平面读出电路的其他功能单元
3.4.5 读出电路的噪声
3.5 红外焦平面阵列的热灵敏度表征
3.5.1 表征红外焦平面阵列热灵敏度的特性参数
3.5.2 红外成像系统和红外焦平面阵列NE△T表达式的导出
3.5.3 基于光子通量计数的NE△T公式
3.5.4 各种性能限制条件下的NE△T表达式
3.5.5 实际例子
3.5.6 HgCdTe阵列和QWIP阵列读出电路限制NE△T的比较
3.5.7 实验室测量方法
3.5.8 直观的估计方法
3.5.9 最小可分辨温差概念
3.5.1 0 红外焦平面阵列灵敏度的其他表示方式
3.6 红外焦平面阵列成像空间分辨率
3.6.1 简单红外成像系统的光路
3.6.2 红外系统成像空间分辨率
3.6.3 调制传递函数
3.6.4 Fλ-d参数空间
3.6.5 减小探测器光敏面尺寸的好处
3.6.6 减小探测器尺寸的工艺技术困难
3.6.7 用HDVIP技术制备的5μm阵列
3.6.8 空间过采样概念及亚衍射限像元前景
3.6.9 焦平面阵列像元的最佳尺寸
3.6.1 0 探测器像元相关MTF的测量
3.7 红外焦平面阵列性能非均匀性问题
3.7.1 影响红外焦平面阵列性能均匀性的因素
3.7.2 焦平面阵列非均匀性的表示方法
3.7.3 非均匀性对凝视红外焦平面灵敏度和热成像的影响
3.7.4 焦平面阵列非均匀性校正方法
3.7.5 当前商品红外焦平面阵列非均匀性实际水平
3.8 红外焦平面阵列的响应速度
3.8.1 焦平面阵列成像的帧频
3.8.2 关于D*公式中△f的取值问题
参考文献
第4章 InSb红外探测器阵列
4.1 InSb单晶材料的性质
4.1.1 InSb单晶的冶金学与机械性质
4.1.2 InSb单晶的电学与光学性质
4.1.3 商品InSb单晶片的技术参数
4.2 InSb光伏探测器
4.2.1 InSb光伏探测器的制备技术
4.2.2 InSb光伏探测器的电流机构
4.2.3 InSb光伏探测器性能
4.3 InSb红外焦平面阵列的制备
4.3.1 工艺技术路线
4.3.2 InSb二极管阵列和读出结构参数设计
4.3.3 台面结构和平面结构的优缺点
4.4 InSb红外焦平面阵列性能与应用
4.4.1 战术应用InSb焦平面阵列
4.4.2 空间和战略应用InSb焦平面阵列
4.5 InSb焦平面阵列制备的替代技术路线
4.6 势垒InSb焦平面阵列
4.6.1 AlInSb-InSb焦平面阵列
4.6.2 AlAsSb/InAsSb势垒二极管
4.6.3 AlInSb-InSb光伏串
参考文献
第5章 Hg1-xCdxTe红外探测器
5.1 碲镉汞(Hg1-xCdxTe)概述
5.2 Hg1-xCdxTe材料的性质
5.2.1 Hg1-xCdxTe组分在材料基本的物理化学性质中的重要性表现
5.2.2 Hg1-xCdxTe的光学性质
5.2.3 Hg1-xCdxTe基本电学性质
5.3 航天应用Hg1-xCdxTe光电导探测器
5.3.1 碲镉汞光电导探测器的基本设计考虑的问题
5.3.2 Hg1-xCdxTe光电导探测器的响应光谱形状的深入理解和优化设计技术
5.3.3 航天Hg1-xCdxTe光电导探测器芯片照片和性能参数
5.4 Hg1-xCdxTe光伏探测器
5.4.1 Hg1-xCdxTe光伏探测器的制备技术
5.4.2 关于Hg1-xCdxTe光伏探测器的结构:n+-p还是p+-n?
5.4.3 关于台面结和平面结、环孔结的讨论
5.5 多色碲镉汞红外焦平面探测器
5.6 Hg1-xCdxTe雪崩光电二极管
5.7 Hg1-xCdxTe高工作温度的红外探测器
5.8 碲镉汞红外焦平面探测器在航天中的应用
参考文献
第6章 InGaAs和Si∶X红外焦平面阵列
6.1 InGaAs红外焦平面阵列
6.1.1 InGaAs材料性质
6.1.2 InGaAs光子探测器
6.1.3 NIR-SWIR InGaAs焦平面阵列
6.2 非本征硅和锗焦平面阵列
6.2.1 Ge∶Hg探测器
6.2.2 阻挡杂质带光电导探测器原理
6.2.3 Si∶As BIB和Si∶Sb BIB焦平面阵列
6.2.4 航天应用低背景和高背景Si∶As BIB焦平面阵列简介
6.2.5 Ge∶Ga焦平面阵列
参考文献
第7章 量子阱和超晶格红外探测器阵列
7.1 QWIP光电探测器阵列
7.1.1 GaAs-AlGaAs量子阱光电探测器工作原理
7.1.2 QWIP的制作和性能
7.1.3 QWIP成像焦平面阵列的热灵敏度
7.1.4 兆元级MWIR和LWIR QWIP FPA简介
7.1.5 双波段(中波/长波)QWIP FPA
7.1.6 QWIP FPA的航天应用举例
7.2 InAs/GaSbⅡ类超晶格探测器
7.2.1 InAs/GaSbⅡ类超晶格的能带结构特点
7.2.2 InAs/GaSbⅡ类超晶格探测器
7.2.3 InAs/GaSbⅡ类超晶格探测器的暗电流
7.2.4 InAs/GaSbⅡ类超晶格焦平面阵列
参考文献
第8章 红外焦平面阵列若干关键制造技术
8.1 铟柱互连技术
8.1.1 高密度铟柱阵列制备工艺
8.1.2 互连技术
8.1.3 三维互连
8.2 焦平面阵列芯片减薄
8.2.1 红外焦平面阵列芯片(衬底)减薄的目的和作用
8.2.2 焦平面芯片的CMP加工
8.2.3 焦平面芯片的金刚石车削加工
8.3 航天红外焦平面组件结构和可靠性组装
8.3.1 冷却型红外探测器组件的一般结构
8.3.2 军用红外探测器组件
8.3.3 航天红外探测器组件结构
8.3.4 航天红外焦平面阵列的结构优化和封装可靠性
参考文献
第9章 红外探测器的数值仿真
9.1 数值仿真概述
9.2 光电子器件数值仿真的基本原理和方法
9.3 HgCdTe红外探测器数值仿真计算进展
9.4 热敏探测器件的热力学有限元仿真分析简介
9.4.1 有限元法热学分析引言
9.4.2 热敏电阻红外探测器的热学仿真实例
9.5 结论
参考文献
星际之眼:探索宇宙奥秘的精密探测器 本书将带领读者踏上一段激动人心的旅程,深入了解那些潜藏于浩瀚宇宙深处、利用最先进技术进行观测的精密仪器——星载红外探测器。我们将揭示这些“星际之眼”如何捕捉肉眼无法看见的宇宙光辉,如何将遥远的星系、炽热的恒星、孕育生命的星云以及隐藏的暗物质描绘出来。本书并非聚焦于单一技术或应用,而是以一种宏观的视角,全面展现红外探测技术在航天探测领域的广阔图景及其重要意义。 宇宙的红外语言:为何探测红外? 宇宙并非仅以可见光的形式存在。事实上,宇宙中的大部分能量和信息是以我们肉眼无法直接感知的电磁波形式辐射出来的,其中红外线扮演着至关重要的角色。从遥远星系发出的微弱红外信号,到年轻恒星周围尘埃盘的加热,再到行星大气层的化学组成,红外波段为我们揭示了许多可见光无法触及的秘密。 穿越尘埃的帷幕: 宇宙中弥漫着大量的尘埃和气体,它们会遮挡可见光,使得我们难以直接观测到被它们隐藏的恒星形成区、行星系统以及星系的中心。红外线能够穿透这些尘埃,让我们得以窥视宇宙深处隐藏的奥秘,例如恒星诞生时的“摇篮”——原行星盘,以及星系碰撞时喷发的物质。 温度的印记: 任何有温度的物体都会辐射红外线。从炽热的恒星到冰冷的行星,再到宇宙微波背景辐射,红外探测器能够精确测量天体的温度,从而推断出它们的物理性质、年龄和演化状态。这使得我们能够绘制出宇宙的温度图谱,理解不同天体的能量平衡。 分子世界的低语: 许多重要的分子,例如水、二氧化碳、甲烷等,在红外波段都有其独特的吸收和发射光谱。通过分析这些光谱,我们可以了解行星大气层的组成、寻找系外行星上可能存在的生命迹象,甚至研究星际分子云的化学演化。 暗物质与暗能量的线索: 尽管我们对暗物质和暗能量的本质知之甚少,但它们对宇宙结构和演化的影响可以通过它们对普通物质的引力作用间接观测到。红外巡天任务,通过精确测量星系的位置和运动,为揭示这些宇宙最神秘组成部分的存在提供了关键证据。 星际探测的挑战与机遇 将先进的红外探测器送入太空,并使其在极端环境下稳定运行,是一项充满挑战但又意义非凡的工程。 极端的宇宙环境: 太空是一个极其严酷的环境,充斥着高能粒子辐射、真空、极端的温度变化以及微重力。这些因素都会对探测器的性能造成严重影响。因此,星载红外探测器需要具备极高的可靠性和抗辐射能力,其材料和设计必须能够承受这些严苛的考验。 微弱信号的捕捉: 宇宙中的许多红外信号都极其微弱,尤其是在探测遥远的星系或低温度的天体时。为了能够捕捉到这些微弱的光线,探测器需要具备极高的灵敏度和低噪声的特性。这通常需要采用先进的冷却技术,将探测器的工作温度降至接近绝对零度,以最大限度地减少自身热噪声的干扰。 精确的指向与稳定: 观测遥远的宇宙目标需要极其精确的指向和稳定。即使是微小的晃动也可能导致目标从视野中消失,或者引入不必要的背景噪声。因此,星载探测器需要配备高精度的指向系统和稳定的平台,以确保每一次观测都精准无误。 数据传输与处理: 探测器收集到的海量数据需要通过可靠的通信系统传输回地面,并经过复杂的分析处理才能转化为有意义的科学成果。这需要高效的数据压缩、传输协议以及强大的地面数据处理能力。 从地球到星辰:红外探测器的技术演进 纵观航天探测的历史,红外探测器的发展一直是推动我们认识宇宙进步的重要力量。从早期的单像素探测器到如今的超大规模集成芯片,技术的进步不断刷新着我们观测的极限。 探测器的类型与原理: 本部分将简要介绍不同类型的红外探测器,例如光子型探测器(如碲镉汞、量子阱)和热型探测器(如氧化钒、热敏电阻)。我们将探讨它们的工作原理,包括光电效应、热电效应等,以及它们各自的优缺点和适用场景。 制冷技术的进步: 为了实现极低的探测温度,各种先进的制冷技术应运而生,包括斯特林制冷机、脉冲管制冷机、以及液体氦制冷等。这些制冷技术的发展,极大地提升了探测器的灵敏度和性能,使得我们能够探测到更微弱、更低温的宇宙信号。 集成与小型化: 随着半导体技术的发展,红外探测器正朝着集成化和小型化的方向发展。将多个探测单元集成到一块芯片上,可以显著提高探测器的空间分辨率和数据采集效率。同时,小型化也有助于减小航天器的体积和重量,降低发射成本。 先进的信号处理: 现代红外探测器不仅仅是收集光信号的“眼睛”,更是集成了复杂的信号处理单元。这些单元能够对原始信号进行降噪、校准、以及初步的数据分析,大大减轻了地面数据处理的负担,并提高了观测效率。 探索的足迹:代表性的星载红外探测器任务 无数星载红外探测器任务,如同人类探索宇宙的火炬,点亮了我们认知的边界。 哈勃空间望远镜(Hubble Space Telescope)的红外能力: 虽然哈勃以其惊人的可见光图像闻名,但其红外探测能力同样不可忽视,它让我们能够穿透星际尘埃,观测到更遥远的宇宙。 斯皮策空间望远镜(Spitzer Space Telescope): 作为专门的红外空间望远镜,斯皮策极大地拓展了我们对行星形成、系外行星以及宇宙早期星系的理解,其数据至今仍是研究的重要来源。 詹姆斯·韦伯空间望远镜(James Webb Space Telescope): 作为当今最强大的太空红外望远镜,韦伯望远镜正以前所未有的分辨率和灵敏度,以前所未有的方式观测宇宙,揭示宇宙最早期星系的形成、恒星和行星系统的演化,以及系外行星大气层的组成。 欧空局的赫歇尔空间天文台(Herschel Space Observatory)与普朗克(Planck)卫星: 这些任务在研究宇宙的寒冷部分,如早期宇宙的尘埃、星际分子云等方面发挥了关键作用,为我们理解宇宙的演化提供了宝贵数据。 未来展望:更广阔的宇宙图景 随着技术的不断进步,未来的星载红外探测器将更加先进,将带领我们探索更广阔、更深邃的宇宙。 更高的分辨率与灵敏度: 未来的探测器将拥有更高的空间分辨率和灵敏度,能够捕捉到更微弱的信号,观测到更遥远、更细微的宇宙结构。 更宽广的观测波段: 探测器将覆盖更宽广的红外波段,从近红外到远红外,甚至太赫兹波段,从而获得更全面的宇宙信息。 更智能化的数据处理: 集成的人工智能与机器学习技术将应用于数据处理,实现更快速、更准确的科学分析,从而加速科学发现的进程。 新型探测器技术的涌现: 新型探测器材料和设计(如超导纳米线单光子探测器)的研发,将有望突破现有技术的瓶颈,带来革命性的观测能力。 本书将通过深入浅出的方式,为读者展现星载红外探测器在揭示宇宙奥秘方面所扮演的关键角色,以及这项充满挑战与希望的科学技术。它不仅是对当前技术的梳理,更是对未来探索宇宙的憧憬,鼓励读者一同仰望星空,感受宇宙的壮丽与神秘。