光電探測技術2016

1、第二章：紫外與可見探測技術,第一節(jié)：概述第二節(jié)：紫外與可見探測器分類第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢,,,,第一節(jié)：概述,,,1.1 自然輻射源,1.2 人工輻射源,1.3 典型的紫外探測應用,,固體或液體，在任何溫度下都在發(fā)射各種波長的電磁波，這種由于物體中的分子、原子受到激發(fā)而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象稱為熱輻射。所輻射電磁波的特征僅與溫度有關。,固體在溫度升

2、高時顏色的變化,物體輻射總能量及能量按波長分布都決定于溫度。,,熱輻射現(xiàn)象,第一節(jié)：概述,,黑體輻出度實驗曲線,第一節(jié)：概述,黑體是一個能完全吸收并向外完全輻射入射在它上面的輻射能的理想物體。,Eb=Cb（T/100）4式中 Cb——黑體的輻射系數(shù)，是用來表征黑體向外發(fā)射輻射能力的熱物理常數(shù)；Cb=5.67W/（m2*K4）,,黑體應用: 測溫領域 輻射溫度計,黑體模型的原理： 一個球殼形

3、的空腔，使空腔壁面保持均勻的溫度，并在空腔上開一個小孔。射入小孔的輻射在空腔內(nèi)要經(jīng)過多次的吸收和反射，而每經(jīng)歷一次吸收，輻射能就按照內(nèi)壁吸收率的大小被減弱一次，最終能離開小孔的能量是微乎其微的，可以認為所投入的輻射完全在空腔內(nèi)部被吸收。,第一節(jié)：概述,,,,第一節(jié)：概述,,紫外光電探測對敏感材料的要求,紫外線熱輻射能量最高點在10000K以上,不利于熱探測器性能的最優(yōu)化，因此，紫外探測器多以光子型原理實現(xiàn)探測。,第一節(jié)：概述,,紫外光的

4、特點,,,254nm紫外光的能量比 555nm可見光光子能量大1倍多,紫外與物質相互作用特點：穿透能力弱。尤其是200nm以下的短波紫外，只能在真空中傳輸。紫外輻射的熒光效應。紫外光電效應。,第一節(jié)：概述,,光電探測器分類：紫外探測器,紫外光譜的特點,,人工的紫外線光源有多種氣體的電弧(如低壓汞弧、高壓汞弧)，紫外線有化學作用能使照相底片感光，熒光作用強，日光燈、各種熒光燈和農(nóng)業(yè)上用來誘殺害蟲的黑光燈都是用紫外線激發(fā)熒光物質發(fā)光

5、的。,紫外線可以防偽,還有生理作用，能殺菌、消毒、治療皮膚病和軟骨病等。紫外線的粒子性較強，能使各種金屬產(chǎn)生光電效應。,,太陽紫外線通過時的大氣特點：真空紫外（UVD） 氧氣強烈的吸收波長小于200nm的紫外光，只有在太空中才存在這個波段的紫外光，因而稱為真空紫外；短波（UVC:200－280nm） 日光中含有的短波紫外線幾乎被臭氧層完全吸收，基本上到達不了地球的近地表面工作在這個波段的紫外探測稱為日盲紫外探測器；避開

6、了最強大的的太陽紫外所造成的干擾。,第一節(jié)：概述,,太陽紫外線通過時的大氣特點：中波紫外線（UVB:280－320nm） 中波紫外線極大部分被皮膚表皮所吸收，對皮膚可產(chǎn)生強烈的光損傷，長久照射皮膚會出現(xiàn)紅斑、炎癥、皮膚老化，嚴重者可引起皮膚癌。中波紫外線又被稱作紫外線的曬傷（紅）段，是應重點預防的紫外線波段。長波紫外線（UVA:320－400nm) 穿透性遠比中波紫外線要強，引起皮膚變黑，因而也被稱做“曬黑段”。日光中

7、含有的長波紫外線有超過98%能穿透臭氧層和云層,將我們的皮膚曬黑。,第一節(jié)：概述,,太陽、地球表面、天空、外層空間和星體都既可能是輻照源 也可能是干擾源。1.太陽,第一節(jié)：概述,紫外輻射源,1.1 自然輻射源,太陽中心溫度：1.5?107K，壓強10?1016Pa，內(nèi)部發(fā)生氫轉換成氦的聚變反應，輻射總功率3.8 ? 1026 W，地球接收1.7 ? 1016 W,核反應層、輻射層、對流層,,,,第一節(jié)：概述,紫外輻射源,1.1自然

8、輻射源,第一節(jié)：概述,紫外輻射源,1.1自然輻射源,4.閃電,,第一節(jié)：概述,紫外輻射源,1.2 人工輻射源,1.氣體放電光源,電子在1～100V/cm的電場中加速，激發(fā)和電離，能級躍遷輻射出紫外能量，電弧單位長度功率范圍0.1～400W/cm；弧光燈適用的填充氣體范圍從氫氣到氙氣，包括汞－氬氣和鈉－氬氣，大部分輸出在紫外波段（特別接近254nm）。氫和氘燈在紫外波段能產(chǎn)生強連續(xù)光譜，短波輸出主要受限于窗口的光源透過能力。,,低壓放電

9、燈,高壓弧光燈,脈沖弧光,第一節(jié)：概述,紫外輻射源,1.2 人工輻射源,2.發(fā)光二極管,第一節(jié)：概述,紫外輻射源,1.2 人工輻射源,2.發(fā)光二極管,,組分與能帶關系,,,,第一節(jié)：概述,紫外輻射源,1.2 人工輻射源,2.發(fā)光二極管,,光的吸收與發(fā)射原理差異,第一節(jié)：概述,紫外輻射源,1.2 人工輻射源,2.發(fā)光二極管,,簡單的LED驅動電路,,第一節(jié)：概述,紫外輻射源,1.2 人工輻射源,3.紫外激光器,半導體紫外激光器：具有更高的

10、峰值功率，較低能耗，脈寬窄，無溫度和光學補償，中紫外波段（AlGaN）紫外輻射激發(fā)效率最高。發(fā)展方向：小體積，功耗（mW量級）。,,,,第一節(jié)：概述,紫外輻射源,1.2 人工輻射源,3.紫外激光器,氣體紫外激光器：脈沖準分子，連續(xù)離子，氦－鎘及金屬蒸氣激光器，波長取決于氣體混合物類型。常用ArF(193nm), KrCl(222nm)等。頻率10～100Hz,脈寬ns量級，功率10～100W。,,第一節(jié)：概述,紫外輻射源,1.2 人工輻

11、射源,3.紫外激光器,半導體紫外激光器,固體紫外激光器：氙燈泵浦，氪燈泵浦及激光二極管（LD）泵浦全固態(tài)激光器等。LD全固態(tài)激光器效率高、性能可靠、體積小,第一節(jié)：概述,紫外輻射源,1.2 人工輻射源,3.紫外激光器,激光器LD和發(fā)光二極管LED主要差別：發(fā)光二極管輸出非相干光；半導體激光器輸出相干光。,,,第一節(jié)：概述,紫外輻射源,1.2 人工輻射源,4.導彈,飛行發(fā)動機羽煙是探測、識別和跟蹤來襲導彈的最佳輻射源,,,第一節(jié)：概述

12、,紫外輻射源,1.2 人工輻射源,4.導彈（典型戰(zhàn)術導彈）,5.飛機,第一節(jié)：概述,1.3 典型的紫外探測應用,1.戰(zhàn)術導彈告警,第一節(jié)：概述,1.3 典型的紫外探測應用,1.戰(zhàn)術導彈告警,第一節(jié)：概述,1.3 典型的紫外探測應用,2.天基紫外預警,,,第一節(jié)：概述,1.3 典型的紫外探測應用,3.紫外安全通信,第一節(jié)：概述,1.3 典型的紫外探測應用,4.紫外探測系統(tǒng)其它應用,,紫外寬譜偵查,紫外超光譜偵查,紫外制導,第二節(jié)：紫外與可

13、見探測器分類,第二節(jié)：紫外與可見探測器分類,第二節(jié)：紫外與可見探測器分類,第二節(jié)：紫外與可見探測器分類,第二節(jié)：紫外與可見探測器分類,第二節(jié)：紫外與可見探測器分類,,典型紫外光探測:SiC紫外探測器,間接帶隙3.23eV，截止波長380nm。SiC的熱導率、臨界擊穿電場、電子飽和速度等都比Si的高很多，與Si相比更適合于制造紫外光探測器?！?用SiC制作的紫外光探測器對可見光和紅外光不敏感，這對于在可見光和紅外光背景中探測紫外輻射是

14、非常重要的?！?但由于SiC具有間接帶隙，使得探測器靈敏度受到限制。,第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件,（a）點接觸型 （b）面接觸型,肖特基二極管的結構,SiC肖特基結紫外探測器,第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件,第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件,,第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件,第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件,,SiC P(I)N結紫外探測器,第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件,通過

15、調(diào)節(jié)i層的厚度使之等于待測波長的吸收系數(shù)的倒數(shù)，光電探測器就能在該波長下獲得最大的響應度，即可以調(diào)節(jié)峰值響應波長。,,SiC 雪崩探測器,APD單元,第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件,APD線性陣列,,,One pixel,40 pixels,,2014年諾貝爾獎授予基于GaN的藍光LED,郝綺勇,天野皓,中村修二,第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件,典型紫外光探測：GaN基紫外探測器,,第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件,研究歷程：第一階段

16、：探索如何生長質量較好的 GaN外延層; 第二階段：利用GaN和中低 Al 組分的AlxGa1-xN材料研制不同類型的紫外探測器，這一時期器件性能較差; 第三階段：主要集中在用高 Al 組分AlxGa1-xN材料( x ＞ 0.38) 研制日盲型紫外探測器; 第四階段：主要是探索制造高性能日盲器件并藉此生產(chǎn)實用化的二維日盲焦平面陣列。,,第三節(jié)：常見光電探測器的器件結構原理,,AlGaN光電導型紫外探測器,,第三節(jié)：典型紫外

17、與可見探測器件,AlGaN MSM型紫外探測器,,第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件,AlGaN PIN結紫外探測器,,,,（1）光電二極管通常在反偏置條件下工作，即光電導工作模式。優(yōu)點是可以減小光生載流子渡越時間及結電容，可獲得較寬的線性輸出和較高的響應頻率。（2）制作光電二極管的材料很多，有硅、鍺、砷化鎵、碲化鉛等，在可見光區(qū)應用最多的是硅光電二極管。,典型可見光探測：硅光電二極管,第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件,,1、硅光電二極管的

18、工作原理,硅光電二極管工作在光電導工作模式。在無光照時，若給p-n結加上一個適當?shù)姆聪螂妷?，流過p-n結的電流稱反向飽和電流或暗電流。,當硅光電二極管被光照時，則在結區(qū)產(chǎn)生的光生載流子將被內(nèi)建電場拉開，在外加電場的作用下形成了以少數(shù)載流子漂移運動為主的光電流。光照越強，光電流就越大。,第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件,,1、硅光電二極管的工作原理,硅光電二極管可分為以N型硅為襯底的2CU型和以P型硅為襯底的2DU型兩種結構形式。,,,第三

19、節(jié)：典型紫外與可見探測器件,,1、硅光電二極管的工作原理,,第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件,,2、硅光電二極管表面電流產(chǎn)生原因,（1）SiO2防反射膜中有少量鈉鉀氫等正離子，靜電感應使得P-Si表面產(chǎn)生感應電子層，使得P層表面與N層連通，在反偏條件下流出，增大前極暗電流（2）2CU管子的正離子靜電感應無法在N型襯底表層產(chǎn)生與P型導電類型相同的導電層，不可能出現(xiàn)表面漏電流，無需環(huán)極。,第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件,,第三節(jié)：典型紫外與

20、可見探測器件,光電二極管,光電三極管,無光照時，PN結硅光電二極管的正、反向特性與普通PN結二極管的特性一樣。其電流方程為：,I0為反向飽和電流,有光照時，光生電流表達式為：,光電二極管全電流為：,光電三極管的工作原理分為兩部分：一是光電轉換；二是光電流放大。,第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件,,第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件,,第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件,CMOS(Complementary Metal Oxide Semicond

21、uctor，互補金屬氧化物半導體)圖像傳感器出現(xiàn)于1969年,它是一種用傳統(tǒng)的芯片工藝方法將光敏元件、放大器、A/D轉換器、存儲器、數(shù)字信號處理器和計算機接口電路等集成在一塊硅片上的圖像傳感器件，這種器件的結構簡單、處理功能多、成品率高和價格低廉，有著廣泛的應用前景。CCD(Charge-coupled Device,電荷耦合元件),典型可見光探測：CMOS圖像傳感器,第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件,CMOS成像器件的組成像敏單元結構

22、工作流程和輔助電路,典型可見光探測：CMOS圖像傳感器的原理結構,第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件,它的主要組成部分是像敏單元陣列和MOS場效應管集成電路，而且這兩部分是集成在同一硅片上的；像敏單元陣列由光電二極管陣列構成。如圖中所示的像敏單元陣列按X和Y方向排列成方陣，方陣中的每一個像敏單元都有它在X，Y各方向上的地址，并可分別由兩個方向的地址譯碼器進行選擇；輸出信號送A/D轉換器進行模數(shù)轉換變成數(shù)字信號輸出。,CMOS成像器件的組

23、成,典型可見光探測：CMOS圖像傳感器的原理結構,第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件,圖像信號的輸出過程：在Y方向地址譯碼器（可以采用移位寄存器）的控制下，依次序接通每行像敏單元上的模擬開關（圖中標志的Si,j），信號將通過行開關傳送到列線上；通過X方向地址譯碼器（可以采用移位寄存器）的控制，輸送到放大器。由于信號經(jīng)行與列開關輸出，因此，可以實現(xiàn)逐行掃描或隔行掃描的輸出方式。也可以只輸出某一行或某一列的信號。,典型可見光探測：CMOS

24、圖像傳感器的原理結構,第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件,注意：在CMOS圖像傳感器的同一芯片中，還可以設置其他數(shù)字處理電路。例如，可以進行自動曝光處理、非均勻性補償、白平衡處理、γ校正、黑電平控制等處理。甚至于將具有運算和可編程功能的DSP器件制作在一起形成多種功能的器件。,典型可見光探測：CMOS圖像傳感器的原理結構,第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件,像敏單元結構指每個成像單元的電路結構，是CMOS圖像傳感器的核心組件。像敏單元結構有兩種

25、類型，即被動 （無源）像敏單元結構和主動（有源）像敏單元結構。,CMOS成像器件的像敏單元結構,典型可見光探測：CMOS圖像傳感器的原理結構,第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件,只包含光電二極管和地址選通開關兩部分。,被動像敏單元結構,典型可見光探測：CMOS圖像傳感器的原理結構,第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件,被動像敏單元結構的缺點是固定圖案噪聲（FPN）大、圖像信號的信噪比較低。主動像敏單元結構是當前得到實際應用的結構。它與被動像敏單

26、元結構的最主要區(qū)別是，在每個像敏單元都經(jīng)過放大后，才通過場效應管模擬開關傳輸，所以固定圖案噪聲大為降低，圖像信號的信噪比顯著提高。,典型可見光探測：CMOS圖像傳感器的原理結構,第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件,場效應管T1構成光電二極管的負載，它的柵極接在復位信號線上，當復位脈沖到來時，T1導通，光電二極管被瞬時復位；當復位脈沖消失后，T1截止，光電二極管開始積分光信號。T2為源極跟隨器，它將光電二極管的高阻抗輸出信號進行電流放大。

27、T3用做選址模擬開關，當選通脈沖到來時，T3導通，使被放大的光電信號輸送到列總線上。,主動像敏單元結構,典型可見光探測：CMOS圖像傳感器的原理結構,第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件,復位脈沖首先來到，T1導通，光電二極管復位；復位脈沖消失后，光電二極管進行積分光信號；積分結束時，T3管導通，信號輸出。,典型可見光探測：CMOS圖像傳感器的原理結構,第三節(jié)：典型紫外與可見探測器件,第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備,半導體的發(fā)展,

28、寬禁帶半導體材料（Eg>2.3eV）,第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備,,1.SiC材料,SiC晶型結構有α、β型二種，α型為六方晶型，β型為立方晶型。溫度低于1 600℃時，SiC以β-SiC存在；溫度高于1600℃時，β-SiC通過再結晶緩慢轉變成α-SiC的各種型體（4H、6H等）。,第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備,,,SiC材料研究進展,第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備,1）采用升華法制備SiC晶體來開發(fā)各種

29、器件的時期；2）SiC的外延生長等基礎研究時期；3）接近相關領域應用要求的當前研究開發(fā)時期。,,第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備,,,第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備,SiC薄膜的制備方法,薄膜質量的高低將直接關系到其光電性能，進而影響其在微電子中的應用，因此，制備高質量的薄膜尤其重要，同時也是一項非常困難的工作。,,化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition),,低壓化學氣相沉積（LPCVD）,熱燈

30、絲化學氣相沉積（HFCVD）,等離子化學氣相沉積（PECVD）,磁控濺射,E⊥靶面，B∥靶面,第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備,二次電子與氣體分子碰撞以后，損失能量，其運動軌跡會稍微偏離陰極而靠近陽極（陰陽極間距的1/100左右），這樣必須經(jīng)多次碰撞后二次電子才能到達陽極（基片）。一方面增加了碰撞電離的幾率，另一方面對基片的損傷小。 e2電子可直接到達陽極，但其比例很少。 氣體電離后的正離子轟擊靶，打出新

31、的e1電子，重復上述過程。,磁控濺射靶的類型,,適合大面積,靶材利用率高，膜厚分布均勻,第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備,分子束外延（MBE）,定義：把所需外延薄膜的各個組分材料，放在噴射爐中，在10-8－10-10 Pa超高真空條件下，讓組分的原子或分子按一定比例噴射在熱襯底上外延生長成膜。實質：多源反應蒸發(fā)法，發(fā)展于70年代。特點： 1、真空度高，殘余氣體污染很小，生長速率可以很低，精確控制，可獲得原子級厚度與平整度的外

32、延層，很適合研究薄膜生長的過程的研究。2、襯底溫度可較低（減少生長應力，減弱雜質擴散），因此外延層界面十分清晰，適合異質外延。3、可分別控制每個組分的分子束流，從而精確控制生長層的厚度、組分和摻雜分布。這是VPE、LPE難以做到的。4、分子束外延是動力學過程，它是將入射的中性粒子（原子、分子）一個一個地堆積在襯底上生長成膜，而不是一個熱力學過程。所以它可生長熱平衡方法不能生長的薄膜。,第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備,分子束外

33、延（MBE）,第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備,SiH4,,CVD,定義：利用熱、等離子體、紫外線、激光、微波等各種能源，使氣態(tài)物質經(jīng)化學反應形成固態(tài)薄膜。它的反應物是氣體，生成物之一是固體。特征：必須有化學反應發(fā)生；但PVD中也可能有化學反應發(fā)生，主過程是蒸鍍、濺射這樣的物理搬運過程。關鍵：高純源物質、優(yōu)化的沉積條件。,本質上是氣—固多相化學反應，所以經(jīng)歷(1) 反應物分解，產(chǎn)生氣態(tài)的活性原子；(2) 活性原子向基板表面輸

34、運擴散；(3) 活性原子被基板表面所吸附，并沿表面擴散；(4) 活性原子在基板表面發(fā)生化學反應，生產(chǎn)薄膜； (5) 氣體副產(chǎn)物通過基板表面向外擴散，解吸而脫離表面。 其中速率最慢的步驟，決定整個CVD過程。,第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備,第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備,第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備,,GaN基材料,,◆ GaN的禁帶寬度為3.4eV，是直接帶隙半導體，它的熱導、熱穩(wěn)定性、化學惰性、擊穿電

35、場和帶隙寬度都可與SiC相比。◆ GaN還具有高的輻射電阻、易制成歐姆接觸和異質結結構，這對制造復雜結構的器件非常重要。,第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備,,,◆ 三元合金AlxGa1-xN的禁帶寬度隨Al組分的變化可以從GaN(x＝0)的3.4eV連續(xù)變化到AlN(x=1)的6.2eV，因此理論上講利用這種材料研制的紫外探測器的截止波長可以連續(xù)地從365nm變化到200nm，是制作紫外探測器的理想材料之一。,GaN基材料,第四節(jié)

36、：紫外與可見探測用敏感材料制備,,,GaN基材料,第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備,外延生長：,第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備,GaN基材料外延技術難點：,1. 襯底和GaN晶格失配和熱失配大，導致外延生長出來的GaN有較多的晶格缺陷、位錯和翹曲等；2. NH3裂解溫度很高，GaN材料的生長溫度下，只有小部分NH3被裂解；3. GaN材料的生長溫度很高，必須考慮熱擴散造成的影響；4. TMAl等源與NH3之間存在著嚴重的

37、預反應；5. 較難獲得高載流子濃度的p-GaN材料。,第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備,什么樣的wafer是好產(chǎn)品？Si為例,第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備,金屬有機化合物化學氣相沉積（MOCVD）定義： 利用金屬有機化合物熱分解反應進行氣相外延生長薄膜的CVD技術。著眼點：選擇特殊的反應，來降低反應溫度。原料：金屬的烷基，芳基，烴基，乙酰丙酮基衍生物。,,,,,金屬有機化合物,氫化物,,,第四節(jié)：紫外與

38、可見探測用敏感材料制備,第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備,液態(tài)金屬有機源,特點：（1）沉積溫度低，減少自污染，提高純度。（2）有利于外延薄膜和極薄膜的生長。 超晶格，異質結（3）適用范圍廣，主要用于Ⅲ－Ⅴ， Ⅱ－Ⅵ， Ⅳ－Ⅳ 族化合物半導體材料，GaAs、ZnSe、SiC、BaTiO3、BST、YBCO……,,缺點：（1）原料有劇毒；（2）反應溫度不能太低，否則有氣相反應；（3）均

39、勻性、重復性差。,MOCVD,第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備,第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備,,AlXGa1-XAs MOCVD裝置原理圖,MOCVD,第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備,,◆ ZnO是一種新型的Ⅱ-Ⅵ族直接帶隙寬禁帶化合物半導體材料，室溫下禁帶寬度為3.37eV。ZnO和GaN同為六角纖鋅礦結構，具有相近的晶格常數(shù)和Eg，且ZnO具有更高的熔點和激子束縛能以及良好的機電耦合性和較低的電子誘生缺陷。,ZnO

40、材料,第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備,,◆ ZnO薄膜的外延生長溫度較低，有利于降低設備成本，抑制固相外擴散，提高薄膜質量，也易于實現(xiàn)摻雜?！?ZnO薄膜所具有的這些優(yōu)異特性，使其在紫外光探測、表面聲波器件、太陽能電池、可變電阻等諸多領域得到了廣泛應用?！?ZnO薄膜傳感器具有響應速度快、集成化程度高、功率低、靈敏度高、選擇性好、原料低廉易得等優(yōu)點。,ZnO材料,第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備,,金剛石是禁帶寬度為5.4

41、5eV的寬帶隙半導體材料，具有高載流子遷移率、高擊穿電壓、高熱導率、高摻雜性和化學惰性，是非常適合于制備探測器件的材料。由于金剛石膜的禁帶寬度比GaN大，在短于230nm的紫外光部分，金剛石膜探測器有很大的光譜響應，且具有很強的可見光盲性，它的光生電流比Si探測器高得多，信噪比及信號穩(wěn)定性也比Si的強。,金剛石材料,第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備,第四節(jié)：紫外與可見探測用敏感材料制備,電極的暗電流<10pA，器件響應時間&

42、lt;20µs,,,第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢,紫外探測器的發(fā)展歷史,,第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢,第一代紫外探測器,第一代紫外探測器（硅基）以單陽極光電倍增管為核心探測器件，不具備成像功能，稱為概略型。體積小、重量輕、低功耗等優(yōu)點；缺點是分辨率差、靈敏度低。典型器件有：美國艾連特公司的AAR-47,以色列拉斐爾公司的Guitar-300，南非的MAWS等,,光電倍增管,AAR-47激光告警系統(tǒng)

43、,,,第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢,,第二代成像型紫外探測器,第二代紫外探測器以硅CCD和微通道光電倍增管（MCP-PMT)為代表,視場小于光電倍增管，噪聲小，信噪比比概略型提高了幾個數(shù)量級。精度高，識別能力強,動態(tài)范圍更寬，信噪比比CCD型略高，對某些元素檢測的極低下限高于CCD;價格高，體積大,硅CCD原理圖,MCP-PMT原理圖,第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢,,第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢

44、,,第三代成像型紫外探測器,以GaN基，ZnO，SiC等寬禁帶半導體為敏感材料的紫外探測器具有響應度高，尺寸小，視場大，可陣列成像，速度快，成本低等眾多優(yōu)點。,GaN基紫外探測器,ZnO紫外探測器,第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢,紫外告警技術,導彈中的紫外輻射,導彈固體火箭發(fā)動機的羽煙由于熱輻射和化學熒光輻射可產(chǎn)生一定的紫外輻射，且由于后向散射效應及導彈運動特性，其輻射可被探測系統(tǒng)從各個方向探測到。紫外告警就是通過探測導彈羽

45、煙的紫外輻射，確定導彈來襲方向并實時發(fā)出警報，使被保護平臺及時采取對抗措施．如規(guī)避、施放紅外干擾彈或通知交聯(lián)武器(如紅外定向干擾機)實施干擾,導彈尾焰就是熱的火箭廢氣的運動形狀以及在火箭噴嘴外的小粒子燃燒的拖尾。其形狀在結構、速度、溫度方面都是不規(guī)則的。按縱向，羽焰可以分成不同的區(qū)域，包括近場區(qū)域、瞬時區(qū)域和遠場區(qū)域。羽焰通常看起來是明亮的火焰，后面有一個冒煙的拖尾。羽焰的尺寸和形狀隨飛行緯度和導彈速度的不同變化非常大 。,第五節(jié)：紫外

46、與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢,紫外告警技術,紫外告警的特點,紫外告警是光電技術領域出現(xiàn)的一個新分支，從20世紀60年代一直到70年代初，國外已經(jīng)開始進行利用紫外波段探測洲際導彈發(fā)射的研究工作，為此，人們對紫外輻射理論進行了大量的研究，開發(fā)了大氣傳輸計算程序，掌握了紫外波段的大氣傳輸特性。但后來研究遇到了障礙，人們的興趣再次轉向紅外告警。1983年，美國重新考慮利用導彈羽煙的紫外輻射來探測導彈，并在一些基礎研究工作上取得了進展，其中

47、一項關鍵技術是紫外探測器。經(jīng)過幾年的開發(fā)，美國Loral公司研制成功世界上第一臺導彈紫外告警系統(tǒng)，于1988年裝備部隊并在海灣戰(zhàn)爭中得到成功應用。,第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢,紫外告警技術,美國紫外告警系統(tǒng)進展,MAW-2000型導彈告警系統(tǒng) 由美國 Grintek Aviotronics 公司研制的MAW-2000型紫外告警系統(tǒng)，是一種工作在紫外波段的無源導彈發(fā)射探測與逼近告警系統(tǒng)。該系統(tǒng)可探測逼近的地空和空空威

48、脅導彈并能適時告警。當探測到逼近的導彈時，立即啟動箔條和紅外干擾彈投放裝置，自動對威脅實施干擾。它可借助機載的電子戰(zhàn)設備顯示器向機組人員顯示來襲導彈的方向，同時發(fā)出音響告警信號。特征：全無源探測；虛警率低；不需要飛行中的再校正；無低溫冷卻；瞬間啟動，不需要冷卻時間；先進的自測試法。,主要技術性能： 每一傳感器空間視場：94°（錐形）；探測距離：對肩射式導彈＞5km；多威脅探測能力：接近10個目標；重量：每個傳

49、感器：3.1kg，控制器：2.5kg；傳感器尺寸：192mm×120mm×120mm。,第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢,紫外告警技術,無源導彈告警裝置 由美國 Lockheed Martin 公司紅外成像系統(tǒng)分公司研制的無源導彈告警裝置能識別假目標，當在最佳對抗距離時探測并識別逼近導彈威脅，向電子對抗投放裝置發(fā)出信號。其告警系統(tǒng)無源探測來自導彈尾焰的光電信號，而非威脅產(chǎn)生的虛警由光譜選擇和信號處理算法來

50、消除。,第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢,紫外告警技術,紫外告警設備的分類,第1代概略型紫外告警設備 以單陽極光電倍增管為核心探測器件,探測導彈羽煙的紫外輻射能量,具有體積小、重量輕、低虛警、低功耗等優(yōu)點。缺點是角分辨率差、靈敏度較低 。概略型紫外告警的典型設備是美國的AN/AAR—47。 第2代成像型紫外告警設備 以像增強器為核心探測器,精確接收導彈羽煙紫外輻射,并對所觀測的空域進行成像探測,

51、識別分類威脅源,具有識別能力強、探測靈敏度高的優(yōu)點。它不但可以引導紅外彈投放器和定向紅外干擾機,且具有很好的態(tài)勢估計能力 。典型的成像型告警設備是美國AN/AAR—54（V）。 第2代成像型紫外告警設備與第1代紫外告警設備最大的不同之處就是紫外傳感器部分，它主要由像增強器，中繼光學系統(tǒng)和CCD陣列器組成。,第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢,紫外告警技術,美國紫外告警系統(tǒng)進展,AN/AAR-47型導彈告警系統(tǒng) 由

52、美國 Lockheed Martin 公司紅外成像系統(tǒng)分公司研制的AN/AAR-47型導彈告警裝置能探測來襲導彈的紫外輻射，并能為飛行員指示威脅導彈的距離和方位。AN/AAR-47型導彈告警器是一種小型、輕量無源紫外威脅告警系統(tǒng)，可用于保護直升機和低空飛機免受來襲導彈的攻擊。,主要技術性能：360°方位角（由6個傳感器給出）；功耗：75w（4個傳感器系統(tǒng)，每個傳感器4w，處理器59w）；尺寸：傳感器為120mm×20

53、0mm；處理器為203mm×257mm×204mm；重量：4個傳感器系統(tǒng)：14kg，傳感器：每個1.5kg，處理器：7.9kg。,第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢,紫外告警技術,第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢,美國紫外告警系統(tǒng)進展,AN/AAR-54（V）無源導彈告警系統(tǒng)（PMAWS） 美國 Northrop Grumman 公司電子傳感器與系統(tǒng)分部和英國國防部研制的AN/AAR-5

54、4（V）無源導彈逼近告警系統(tǒng)，可用于各種飛機和地面等平臺，可為戰(zhàn)術和運輸飛機、直升機和裝甲戰(zhàn)車提供先進的導彈告警。該系統(tǒng)還能夠為定向紅外對抗（DIRCM）系統(tǒng)提供導彈跟蹤信息和目標指示。由于采用威脅自適應設計，所以能夠使用通用的硬件和軟件。該系統(tǒng)的到達分辨角為1°，明顯降低了虛警率，其探測距離為現(xiàn)有紫外告警系統(tǒng)的2倍。AAR-54（V）在高雜波環(huán)境下可同時對抗各種威脅，可在全天候、各種高度下運行。該系統(tǒng)是由全視角、高分辨率紫外

55、傳感器和一個可調(diào)制的電子設備組成，可使用1~6個傳感器來提供全方位探測。在飛行過程中，該系統(tǒng)能進行內(nèi)測，為單個傳感器或電子線路的損壞提供可更換部件，進行一級保養(yǎng)。,第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢,紫外告警技術,其他國家紫外告警系統(tǒng)進展,德國 - AN/AAR-60型導彈發(fā)射探測系統(tǒng) 由德國利頓公司研制的MILDS AN/AAR-60型導彈發(fā)射探測系統(tǒng)能夠探測并告警潛在來襲導彈，指明到達方向和離開時顯示導彈尾

56、焰的紫外輻射，使用先進軟件算法告警和探測實時威脅。MILDS AN/AAR-60型導彈發(fā)射探測系統(tǒng)由4~6個傳感器組成，每個傳感器包括預處理、信號處理和通信處理器。主機包括傳感器混合的附加功能。威脅告警包括來襲導彈的方位、高度以及每個導彈的優(yōu)先性。 主要技術性能：視場：每個傳感器95°；高度：每個傳感器95°；反應時間：＜0.5s；分辨率：1°；尺寸：120mm×120mm

57、15;120mm；重量：每個傳感器2kg 。,第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢,紫外告警技術,,德國 - MILDS Ⅱ型導彈探測系統(tǒng) 由德國Daimler-Benz航天公司和美國Litton應用技術公司聯(lián)合研制的MILDS Ⅱ型導彈探測系統(tǒng)，可用于探測來襲導彈的逼近，指示導彈的到達方向和時間。它可自動實施自衛(wèi)措施，如投放紅外干擾彈，啟動紅外干擾機以及機動飛行等。MILDS Ⅱ型可在“太陽光譜盲區(qū)”對導彈羽焰

58、中的紫外輻射進行無源探測，并可對其高分辨率成像。通過先進的軟件處理系統(tǒng)可判定威脅并進行實時跟蹤。 主要技術性能 探測方法：無源紫外成像； 最大探測距離：普通導彈時≥5km； 探測概率：99%； 虛警率：1/90min； 響應時間：＜0.5s； 角分辨率：＜1°；

59、 視場：水平360°，豎直70°；重量：LRU 2kg，全系統(tǒng)8kg。,第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢,紫外告警技術,法國 - BAE系統(tǒng)公司通用導彈告警系統(tǒng) 法國《宇航防務》2006年4月10日報道，BAE系統(tǒng)公司贏得5200萬美元的合同，將為美國陸軍提供200套通用導彈告警系統(tǒng)(Common Missile Warning System，CMWS)，以保護陸軍固定翼和旋翼飛機免受紅

60、外制導導彈的威脅。CMWS是一種工作在紫外波段的凝視成像導彈告警系統(tǒng)，它與先進威脅紅外對抗系統(tǒng)(Advanced Threat Infrared Countermeasures，ATIRCM)、先進紅外曳光彈一起構成了美國陸軍綜合紅外對抗套件——ATIRCM/CMWS。,,第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢,紫外告警技術,國內(nèi)紫外告警技術發(fā)展現(xiàn)狀,缺乏基礎理論的研究 ： 中科院大氣物理所對太陽紫外輻射的一些觀測和

61、分析，且僅限于利用有關的計算軟件進行的模擬分析，具體的試驗研究還未見報道； 北京理工大學從20世紀80年代后期開始也開展了如火焰的光譜特性(包括紫外特性) 以及紫外通訊等方面的研究, 并收集了紫外探測的有關理論和應用方面的大量資料, 為開展該方面的研究做了技術儲備 ； 北京理工大學又陸續(xù)對導彈羽煙紫外輻射機理、紫外成像探測器件、紫外信號的探測與處理技術等進行了研究，這些工作為進一步開展紫外告警技術研究奠定

62、了基礎。,第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢,紫外告警技術,國內(nèi)紫外告警技術發(fā)展現(xiàn)狀,我國紫外波段的探測器件與國外相比也有較大的差距： 由于國內(nèi)的CCD器件研制水平較低, 研制紫外固態(tài)成像器件也是很困難的。信息產(chǎn)業(yè)部第53研究所采用南京電子器件研究所研制的寬光譜紫外變像管與CCD耦合，研制了機載空—空紫外告警系統(tǒng) ，該系統(tǒng)目前已開始部分裝備某些型號的飛機。 東北電子技術研究所研制的SE-2型導彈逼近紫外告警

63、系統(tǒng)是在第3屆中國國際國防電子展覽會上公開展出的一種國產(chǎn)光電對抗設備。該設備采用被動成像型傳感器，角分辨率高、探測及識別能力強，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中能極大提高固定翼飛機、直升機的戰(zhàn)場生存能力。另外，SE-2經(jīng)適當?shù)母倪M后，還能裝備到坦克、裝甲車等多種作戰(zhàn)平臺上。,第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢,紫外告警技術,SE-2 紫外告警系統(tǒng)組成框圖,,紫外告警設備通常由探測單元、信號處理分機兩部分組成，顯控單元可與其他電子設備共用。 SE-2

64、探測單元由4只探測頭組成（根據(jù)需要還可加選2只），每個視場為92°×92°，每兩個探頭間2°的重疊，四個探測頭共同形成360°×92°的全方位、大空域監(jiān)視。,第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢,紫外告警技術,紫外告警設備與其他設備接口關系,4個探測頭輸出的信號經(jīng)合成和數(shù)據(jù)處理判斷有真實威脅后，信號經(jīng)控制單元送至總線，與其他探測頭和對抗設備進行信息交換，確定出導

65、彈的類型（紅外、射頻）。如果飛機處于多威脅狀態(tài)，紫外告警將按威脅程度快速建立多個威脅的優(yōu)先級，經(jīng)相關處理，給出最佳對抗方案，并將威脅信息送到顯示器上，進行綜合態(tài)勢估計。,第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢,紫外告警技術,紫外告警系統(tǒng)多傳感器組合設計 360°的全方位周視探測要求,第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢,紫外告警技術,實

66、例計算結果(六傳感器組合)視場：360º×62º 探測盲區(qū)：7.4m 角分辨力：1.65mrad 探測概率：99％虛警時間：1次/90min作用距離：2.8km規(guī)避時間：10s,第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢,紫外告警技術,紫外告警技術的發(fā)展前景,第五節(jié)：紫外與可見探測器件的研究與發(fā)展趨勢,紫外告警技術,裝備有復合告警系統(tǒng)的先進戰(zhàn)機,近十年來，國際上相繼出現(xiàn)了激光、紅外、紫外、雷達