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第Ⅰ部分 红外探测技术的基础知识 2

第1章 辐射度学 2

1.1辐射度学和光度学的相关量和单位 3

1.2辐射度学物理量的定义 5

1.3辐射率 6

1.4黑体辐射 9

1.5发射率（比辐射率） 12

1.6红外光学系统 13

1.7红外系统辐射度学的相关概念 16

1.7.1夜视系统 16

1.7.2大气透射和红外光谱 19

1.7.3景物辐射和对比度 20

参考文献 21

第2章 红外探测器的性质 22

2.1现代红外技术的发展史 24

2.2红外探测器分类 28

2.3红外探测器制冷 31

2.3.1低温杜瓦瓶 31

2.3.2焦耳-汤普森制冷器 32

2.3.3斯特林循环制冷技术 32

2.3.4珀耳帖制冷器 33

2.4探测器的品质因数 33

2.4.1响应度 34

2.4.2噪声等效功率 34

2.4.3探测率 34

2.5基本的探测率极限 35

参考文献 40

第3章 红外探测器的基本性能极限 44

3.1热探测器 44

3.1.1工作原理 44

3.1.2噪声机理 47

3.1.3比探测率和基本极限 48

3.2光子探测器 52

3.2.1光子探测过程 52

3.2.2光子探测器的理论模型 55

3.2.2.1光学生成噪声 56

3.2.2.2热生成和复合噪声 57

3.2.3光电探测器的最佳厚度 58

3.2.4探测器材料的品质因数 58

3.2.5减小器件体积以提高性能 60

3.3光子和热探测器基本限制的比较 62

3.4光电探测器的建模 66

参考文献 68

第4章 外差式探测技术 72

参考文献 80

第Ⅱ部分 红外热探测器 84

第5章 温差电堆 84

5.1温差电堆的基本工作原理 84

5.2品质因数 87

5.3热电材料 89

5.4利用微机械技术制造温差电堆 93

5.4.1设计优化 93

5.4.2温差电堆的结构布局 94

5.4.3微温差电堆技术 95

参考文献 97

第6章 测辐射热计 100

6.1测辐射热计的基本工作原理 100

6.2测辐射热计类型 102

6.2.1金属测辐射热计 102

6.2.2热敏电阻 103

6.2.3半导体测辐射热计 104

6.2.4微型室温硅测辐射热计 107

6.2.4.1测辐射热计的传感材料 109

6.2.4.2氧化钒 109

6.2.4.3非晶硅 110

6.2.4.4硅二极管 111

6.2.4.5其它材料 111

6.2.5超导测辐射热计 112

6.2.6高温超导测辐射热计 116

6.3热电子测辐射热计 121

参考文献 124

第7章 热释电探测器 132

7.1热释电探测器的基本工作原理 132

7.1.1响应度 133

7.1.2噪声和探测率 136

7.2热释电材料选择 138

7.2.1单晶 141

7.2.2热释电聚合物 142

7.2.3热释电陶瓷 142

7.2.4电介质测辐射热计 144

7.2.5材料选择 145

7.3热释电摄像机 146

参考文献 147

第8章 新型热探测器 150

8.1高莱辐射计 150

8.2新型非制冷探测器 152

8.2.1电耦合悬臂梁结构 153

8.2.2光学耦合悬臂梁结构 156

8.2.3热-光传感器 160

8.2.4天线耦合微测辐射热计 161

8.3热探测器性能比较 163

参考文献 164

第Ⅲ部分 红外光子探测器 170

第9章 光子探测器理论 170

9.1光电导探测器 170

9.1.1本征光电导理论 170

9.1.1.1扫出效应 172

9.1.1.2光电导体中的噪声机理 174

9.1.1.3量子效率 176

9.1.1.4光电导体的最终性质 177

9.1.1.5背景影响 178

9.1.1.6表面复合的影响 178

9.1.2非本征光电导理论 179

9.1.3本征和非本征红外探测器的工作温度 187

9.2 p-n结光敏二极管 190

9.2.1理想扩散限p-n结 192

9.2.1.1扩散电流 192

9.2.1.2量子效率 193

9.2.1.3噪声 194

9.2.1.4比探测率 196

9.2.2实际的p-n结 197

9.2.2.1生成-复合电流 198

9.2.2.2隧穿电流 200

9.2.2.3表面漏电流 201

9.2.2.4空间电荷限电流 203

9.2.3响应时间 204

9.3 p-i-n光敏二极管 206

9.4雪崩光敏二极管 209

9.5肖特基势垒光敏二极管 214

9.5.1肖特基-莫特理论及其修正 214

9.5.2电流传输过程 216

9.5.3硅化物 217

9.6金属-半导体-金属光敏二极管 218

9.7金属-绝缘体-半导体光敏二极管 220

9.8非平衡光敏二极管 224

9.9 nBn探测器 225

9.10光电磁、磁致浓差和登伯探测器 226

9.10.1光电磁探测器 227

9.10.1.1光电磁效应 227

9.10.1.2利乐解 228

9.10.1.3制造技术和性能 229

9.10.2磁致浓差探测器 230

9.10.3登伯探测器 231

9.11光子牵引探测器 234

参考文献 236

第10章 本征硅和锗探测器 246

10.1硅光敏二极管 247

10.2锗光敏二极管 254

10.3锗化硅光敏二极管 256

参考文献 258

第11章 非本征硅和锗探测器 261

11.1非本征探测技术 262

11.2非本征光电探测器的工作特性 264

11.3非本征光电导体的性能 265

11.3.1硅掺杂光电导体 265

11.3.2锗掺杂光电导体 268

11.4受阻杂质带器件 269

11.5固态光电倍增管 273

参考文献 273

第12章 光电发射探测器 278

12.1内光电发射过程 278

12.1.1散射效应 281

12.1.2暗电流 283

12.1.3金属电极 283

12.2肖特基势垒探测器截止波长的控制 285

12.3肖特基势垒探测器的结构优化和制造 285

12.4新型内光电发射探测器 287

12.4.1异质结内光电发射探测器 287

12.4.2同质结内光电发射探测器 288

参考文献 290

第13章 Ⅲ-Ⅴ族（元素）探测器 295

13.1 Ⅲ-Ⅴ族窄带隙半导体的物理性质 295

13.2 InGaAs光敏二极管 301

13.2.I p-i-n InGaAs光敏二极管 302

13.2.2 InGaAs雪崩光敏二极管 304

13.3二元Ⅲ-Ⅴ探测器 308

13.3.1 InSb光电导探测器 308

13.3.2 InSb光电磁探测器 309

13.3.3 InSb光敏二极管 310

13.3.4 InAs光敏二极管 318

13.3.5 InSb非平衡光敏二极管 321

13.4三元和四元Ⅲ-Ⅴ探测器 323

13.4.1 InAsSb探测器 324

13.4.1.1 InAsSb光电导体 324

13.4.1.2 InAsSb光敏二极管 327

13.4.2以GaSb三元和四元合金为基础的光敏二极管 333

13.5以Sb为基础的新型Ⅲ-Ⅴ窄带隙光电探测器 337

13.5.1 InTlSb和InTlP 337

13.5.2 InSbBi 338

13.5.3 InSbN 338

参考文献 338

第14章 碲镉汞（HgCdTe）探测器 351

14.1 HgCdTe探测器的发展史 351

14.2 HgCdTe材料：技术和性质 354

14.2.1相图 354

14.2.2晶体生长技术 355

14.2.3缺陷和杂质 362

14.2.3.1固有缺陷 362

14.2.3.2掺杂物 363

14.3 HgCdTe的基本性质 364

14.3.1能带隙 366

14.3.2迁移率 367

14.3.3光学性质 369

14.3.4热生成-复合过程 373

14.3.4.1肖克莱-里德过程 373

14.3.4.2辐射过程 374

14.3.4.3俄歇过程 375

14.4俄歇效应为主的光电探测器性能 378

14.4.1平衡型器件 378

14.4.2非平衡型器件 379

14.5光电导探测器 380

14.5.1探测技术 381

14.5.2光电导探测器的性能 382

14.5.2.1工作在温度77K的器件 382

14.5.2.2工作温度高于77K的器件 386

14.5.3俘获模式光电导体 388

14.5.4排斥光电导体 389

14.5.5扫积型探测器 392

14.6光伏探测器 397

14.6.1结的形成 397

14.6.1.1 Hg向内扩散 398

14.6.1.2离子束铣 399

14.6.1.3离子植入 399

14.6.1.4反应离子刻蚀 402

14.6.1.5生长期间掺杂 402

14.6.1.6钝化 404

14.6.1.7接触层金属化工艺 406

14.6.2对HgCdTe光敏二极管性能的主要限制 407

14.6.3对HgCdTe光敏二极管性能的次要限制 419

14.6.4雪崩光敏二极管 423

14.6.5俄歇抑制光敏二极管 429

14.6.6金属-绝缘体-半导体光敏二极管 433

14.6.7肖特基势垒光敏二极管 436

14.7 Hg基探测器 437

14.7.1晶体生长 437

14.7.2物理性质 438

14.7.3 HgZnTe光电探测器 440

14.7.4 HgMnTe光电探测器 442

参考文献 444

第15章Ⅳ-Ⅵ族（元素）探测器 469

15.1材料制备和性质 469

15.1.1晶体生长 469

15.1.2缺陷和杂质 472

15.1.3物理性质 473

15.1.4生成-复合过程 477

15.2多晶光电导探测器 481

15.2.1多晶铅盐的沉积 481

15.2.2制造技术 482

15.2.3性能 483

15.3 p-n结光敏二极管 486

15.3.1性能限 486

15.3.2技术和性质 489

15.3.2.1扩散光敏二极管 492

15.3.2.2离子植入 493

15.3.2.3异质结 493

15.4肖特基势垒光敏二极管 495

15.4.1肖特基势垒的相关争议问题 496

15.4.2技术和性质 498

15.5非寻常薄膜光敏二极管 503

15.6可调谐谐振腔增强型探测器 505

15.7铅盐与HgCdTe 507

参考文献 509

第16章 量子阱红外光电探测器 521

16.1低维固体：基础知识 521

16.2多量子阱和超晶格结构 526

16.2.1成分超晶格结构 527

16.2.2掺杂超晶格结构 529

16.2.3子带间光学跃迁 530

16.2.4子带间弛豫时间 533

16.3光电导量子阱红外光电探测器 534

16.3.1制造技术 536

16.3.2暗电流 537

16.3.3光电流 542

16.3.4探测器性能 543

16.3.5量子阱红外光电探测器与啼镉汞探测器 546

16.4光伏量子阱红外光电探测器 548

16.5超晶格微带量子阱红外光电探测器 551

16.6光耦合 552

16.7其它相关器件 555

16.7.1 p类掺杂GaAs/AlGaAs量子阱红外光电探测器 555

16.7.2热电子晶体管探测器 557

16.7.3 SiGe/Si量子阱红外光电探测器 558

16.7.4采用其它材料体系的量子阱红外光电探测器 560

16.7.5多色探测器 561

16.7.6集成发光二极管量子阱红外光电探测器 564

参考文献 565

第17章 超晶格红外探测器 576

17.1 HgTe/HgCdTe超晶格 576

17.1.1材料性质 576

17.1.2超晶格光敏二极管 580

17.2应变层超晶格 583

17.3 InAsSb/InSb应变层超晶格光敏二极管 584

17.4 InAs/GaInSb Ⅱ类应变层超晶格 585

17.4.1材料性质 586

17.4.2超晶格光敏二极管 589

17.4.3 nBn超晶格探测器 596

参考文献 598

第18章量子点红外光电探测器 603

18.1量子点红外光电探测器的制备和工作原理 603

18.2量子点红外光电探测器的预期优势 606

18.3量子点红外光电探测器模型 607

18.4量子点红外光电探测器性能 611

18.4.1 R0A乘积 611

18.4.2温度78K时的比探测率 611

18.4.3高温性能 612

参考文献 614

第Ⅳ部分 焦平面阵列 618

第19章 焦平面阵列结构概述 618

19.1概述 619

19.2单片焦平面阵列结构 625

19.2.1电荷耦合器件 626

19.2.2互补金属氧化物半导体器件 629

19.3混成型焦平面阵列 632

19.3.1互连技术 633

19.3.2读出集成电路 635

19.4焦平面阵列的性能 640

19.4.1噪声等效温差 640

19.4.2读出电路对噪声等效温差的影响 643

19.4.2.1 HgCdTe光敏二极管和量子阱红外光电探测器的读出电路限噪声等效温差 645

19.5最小可分辨温差 646

19.6自适应焦平面阵列 647

参考文献 649

第20章 热探测器焦平面阵列 653

20.1热电堆焦平面阵列 655

20.2测辐射热计焦平面阵列 659

20.2.1制造技术 662

20.2.2焦平面阵列性能 664

20.2.3封装 669

20.3热释电焦平面阵列 670

20.3.1线阵列 670

20.3.2混成型结构 672

20.3.3单片结构 674

20.3.4对非制冷焦平面阵列商业市场的展望 677

20.4新型非制冷焦平面阵列 678

参考文献 681

第21章 光子探测器焦平面阵列 688

21.1本征硅和锗焦平面阵列 688

21.2非本征硅和锗焦平面阵列 693

21.3光电发射阵列 698

21.4 Ⅲ-Ⅴ族（元素）焦平面阵列 704

21.4.1 InGaAs焦平面阵列 704

21.4.2 InSb焦平面阵列 708

21.4.2.1混成型InSb焦平面阵列 709

21.4.2.2单片InSb焦平面阵列 712

21.5 HgCdTe焦平面阵列 715

21.5.1单片焦平面阵列 717

21.5.2混成型焦平面阵列 718

21.6铅盐焦平面阵列 726

21.7量子阱红外光电探测器阵列 729

21.8 InAs/GaInSb应力层超晶格焦平面阵列 735

参考文献 737

第22章 太赫兹探测器和焦平面阵列 749

22.1直接和外差太赫兹探测技术：概论 750

22.2肖特基势垒结构 754

22.3对破坏中断光子探测器 757

22.4热探测器 760

22.4.1半导体测辐射热计 761

22.4.2超导热电子测辐射热计 763

22.4.3转换边界传感器测辐射热计 765

22.5场效应晶体管探测器 769

22.6结论 772

参考文献 772

第23章 第三代红外探测器 781

23.1多色探测技术的优越性 782

23.2第三代探测器的技术要求 783

23.3 HgCdTe多色探测器 786

23.3.1双波段HgCdTe探测器 787

23.3.2三色HgCdTe探测器 795

23.4多波段量子阱红外光电探测器 797

23.5 Ⅱ类InAs/GaInSb双波段探测器 807

23.6多波段量子点红外光电探测器 809

参考文献 812

跋 819