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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 FPA295

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