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第1章 绪论 1

1.1 红外辐射与红外探测 1

1.2 红外探测器的发展历程 5

1.3 红外探测技术的重要地位 7

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 9

参考文献 10

第2章 红外光子探测器原理 12

2.1 半导体的光吸收 12

2.2 半导体中少数载流子寿命和扩散长度 16

2.3 红外探测器的特性参数 18

2.3.1 响应率 19

2.3.2 噪声 20

2.3.3 噪声等效功率 22

2.3.4 探测率 22

2.3.5 响应时间 24

2.3.6 量子效率 24

2.3.7 其他参数 25

2.4 红外探测器的噪声机构 27

2.4.1 热噪声 27

2.4.2 散粒噪声 28

2.4.3 温度噪声 31

2.4.4 1/f噪声 32

2.4.5 随机电报信号噪声 32

2.5 光电导型红外探测器理论 33

2.5.1 半导体的光电导效应 33

2.5.2 光电导型探测器的性能 34

2.5.3 实际使用条件 39

2.5.4 杂质光电导红外探测器 40

2.6 光生伏特型红外探测器理论 42

2.6.1 半导体的光生伏特效应 42

2.6.2 光生伏特型红外探测器基本结构 46

2.6.3 量子效率和噪声 47

2.6.4 载流子复合机构和少子寿命 52

2.6.5 光伏红外探测器的电流机构和优值因子 55

2.6.6 光伏红外探测器的实际使用条件 58

2.7 红外光子探测器背景限性能和工作温度 60

2.7.1 背景限性能 60

2.7.2 低温工作的必要性 61

2.8 光电导和光生伏特探测器性能特点比较 62

参考文献 63

第3章 红外焦平面阵列概论 65

3.1 从扫描成像到凝视成像 65

3.1.1 红外成像的对比度要求 65

3.1.2 单元探测器光学－机械扫描成像原理和性能描述 65

3.1.3 凝视阵列成像 67

3.1.4 光－机扫描成像和凝视阵列成像的限制性因素 68

3.2 红外焦平面阵列的结构及成像原理 69

3.2.1 单片焦平面器件和混成焦平面器件 70

3.2.2 用于焦平面阵列的探测器类型 72

3.2.3 焦平面阵列成像原理简述 73

3.2.4 凝视焦平面和扫描焦平面 74

3.3 红外焦平面阵列特性参数 75

3.4 红外焦平面阵列的信号读出 79

3.4.1 电压读出和电流读出 79

3.4.2 交流信号读出和直流信号读出 80

3.4.3 红外焦平面读出电路的基本结构 80

3.4.4 红外焦平面读出电路的其他功能单元 92

3.4.5 读出电路的噪声 96

3.5 红外焦平面阵列的热灵敏度表征 102

3.5.1 表征红外焦平面阵列热灵敏度的特性参数 102

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 104

3.5.3 基于光子通量计数的NE△T公式 107

3.5.4 各种性能限制条件下的NE△T表达式 109

3.5.5 实际例子 111

3.5.6 HgCdTe阵列和QWIP阵列读出电路限制NE△T的比较 114

3.5.7 实验室测量方法 115

3.5.8 直观的估计方法 116

3.5.9 最小可分辨温差概念 120

3.5.10 红外焦平面阵列灵敏度的其他表示方式 122

3.6 红外焦平面阵列成像空间分辨率 124

3.6.1 简单红外成像系统的光路 124

3.6.2 红外系统成像空间分辨率 125

3.6.3 调制传递函数 126

3.6.4 Fλ-d参数空间 129

3.6.5 减小探测器光敏面尺寸的好处 131

3.6.6 减小探测器尺寸的工艺技术困难 134

3.6.7 用HDVIP技术制备的5μm阵列 135

3.6.8 空间过采样概念及亚衍射限像元前景 137

3.6.9 焦平面阵列像元的最佳尺寸 138

3.6.10 探测器像元相关MTF的测量 140

3.7 红外焦平面阵列性能非均匀性问题 142

3.7.1 影响红外焦平面阵列性能均匀性的因素 142

3.7.2 焦平面阵列非均匀性的表示方法 145

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 147

3.7.4 焦平面阵列非均匀性校正方法 149

3.7.5 当前商品红外焦平面阵列非均匀性实际水平 152

3.8 红外焦平面阵列的响应速度 153

3.8.1 焦平面阵列成像的帧频 153

3.8.2 关于D＊公式中△f的取值问题 155

参考文献 157

第4章 InSb红外探测器阵列 163

4.1 InSb单晶材料的性质 163

4.1.1 InSb单晶的冶金学与机械性质 163

4.1.2 InSb单晶的电学与光学性质 165

4.1.3 商品InSb单晶片的技术参数 169

4.2 InSb光伏探测器 170

4.2.1 InSb光伏探测器的制备技术 170

4.2.2 InSb光伏探测器的电流机构 172

4.2.3 InSb光伏探测器性能 177

4.3 InSb红外焦平面阵列的制备 179

4.3.1 工艺技术路线 179

4.3.2 InSb二极管阵列和读出结构参数设计 180

4.3.3 台面结构和平面结构的优缺点 186

4.4 InSb红外焦平面阵列性能与应用 186

4.4.1 战术应用InSb焦平面阵列 186

4.4.2 空间和战略应用InSb焦平面阵列 189

4.5 InSb焦平面阵列制备的替代技术路线 191

4.6 势垒InSb焦平面阵列 193

4.6.1 AlInSb-InSb焦平面阵列 193

4.6.2 AlAsSb/InAsSb势垒二极管 194

4.6.3 AlInSb-InSb光伏串 195

参考文献 196

第5章 Hg1-xCdxTe红外探测器 200

5.1 碲镉汞（Hg1-xCdxTe）概述 200

5.2 Hg1-xCdxTe材料的性质 202

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 202

5.2.2 Hg1-xCdxTe的光学性质 205

5.2.3 Hg1-xCdxTe基本电学性质 207

5.3 航天应用Hg1-xCdxTe光电导探测器 210

5.3.1 碲镉汞光电导探测器的基本设计考虑的问题 211

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 215

5.3.3 航天Hg1-xCdxTe光电导探测器芯片照片和性能参数 219

5.4 Hg1-xCdxTe光伏探测器 221

5.4.1 Hg1-xCdxTe光伏探测器的制备技术 223

5.4.2 关于Hg1-xCdxTe光伏探测器的结构：n＋-p还是p＋-n？ 234

5.4.3 关于台面结和平面结、环孔结的讨论 238

5.5 多色碲镉汞红外焦平面探测器 239

5.6 Hg1-xCdxTe雪崩光电二极管 241

5.7 Hg1-xCdxTe高工作温度的红外探测器 243

5.8 碲镉汞红外焦平面探测器在航天中的应用 245

参考文献 247

第6章 InGaAs和Si：X红外焦平面阵列 252

6.1 InGaAs红外焦平面阵列 252

6.1.1 InGaAs材料性质 252

6.1.2 InGaAs光子探测器 254

6.1.3 NIR-SWIR InGaAs焦平面阵列 261

6.2 非本征硅和锗焦平面阵列 264

6.2.1 Ge:Hg探测器 264

6.2.2 阻挡杂质带光电导探测器原理 265

6.2.3 Si:As BIB和Si:Sb BIB焦平面阵列 268

6.2.4 航天应用低背景和高背景Si:As BIB焦平面阵列简介 272

6.2.5 Ge:Ga焦平面阵列 275

参考文献 276

第7章 量子阱和超晶格红外探测器阵列 279

7.1 QWIP光电探测器阵列 279

7.1.1 GaAs-AlGaAs量子阱光电探测器工作原理 279

7.1.2 QWIP的制作和性能 288

7.1.3 QWIP成像焦平面阵列的热灵敏度 292

7.1.4 兆元级MWIR和LWIR QWIP FPA简介 293

7.1.5 双波段（中波／长波）QWIP FPA 295

7.1.6 QWIP FPA的航天应用举例 297

7.2 InAs/GaSbⅡ类超晶格探测器 298

7.2.1 InAs/GaSbⅡ类超晶格的能带结构特点 298

7.2.2 InAs/GaSbⅡ类超晶格探测器 300

7.2.3 InAs/GaSbⅡ类超晶格探测器的暗电流 303

7.2.4 InAs/GaSbⅡ类超晶格焦平面阵列 306

参考文献 308

第8章 红外焦平面阵列若干关键制造技术 313

8.1 铟柱互连技术 313

8.1.1 高密度铟柱阵列制备工艺 314

8.1.2 互连技术 317

8.1.3 三维互连 323

8.2 焦平面阵列芯片减薄 325

8.2.1 红外焦平面阵列芯片（衬底）减薄的目的和作用 325

8.2.2 焦平面芯片的CMP加工 328

8.2.3 焦平面芯片的金刚石车削加工 331

8.3 航天红外焦平面组件结构和可靠性组装 333

8.3.1 冷却型红外探测器组件的一般结构 333

8.3.2 军用红外探测器组件 337

8.3.3 航天红外探测器组件结构 341

8.3.4 航天红外焦平面阵列的结构优化和封装可靠性 343

参考文献 351

第9章 红外探测器的数值仿真 356

9.1 数值仿真概述 356

9.2 光电子器件数值仿真的基本原理和方法 359

9.3 HgCdTe红外探测器数值仿真计算进展 365

9.4 热敏探测器件的热力学有限元仿真分析简介 368

9.4.1 有限元法热学分析引言 368

9.4.2 热敏电阻红外探测器的热学仿真实例 369

9.5 结论 372

参考文献 373