История инфракрасных детекторов

В целом, инфракрасные детекторы используются для обнаружения, изображения и измерения паттернов тепловых излучений, которые испускаются всеми объектами. Разработка термопар и болометров началась в 19-м веке. Эти ранние устройства состояли из одного детекторного элемента, который реагировал на изменение температуры детектора. Технология развивалась, но принцип работы как болометра, так и термопары сегодня все еще широко используется.

Тепловые детекторы обычно чувствительны ко всем инфракрасным длинам волн и работают при комнатной температуре. При этих условиях они имеют сравнительно низкую чувствительность и замедленную реакцию.

First generation detector arrays

Для улучшения чувствительности и времени реакции были разработаны фотонные детекторы . Такие детекторы стали интенсивно разрабатываться только с 1940-х годов. Первый работоспособный ИК-детектор был основан на сульфиде свинца (PbS) . Он чувствителен к инфракрасным волнам до ~ 3 мкм.

В конце 1940-х и начале 1950-х гг. для детекции в ИК-диапазоне был разработан широкий спектр новых материалов. Селенид свинца (PbSe), теллурид свинца (PbTe) и антимонид индия (InSb) расширили спектральный диапазон за рамки PbS, обеспечив чувствительность в средневолновом (СВИК) атмосферном окне 3-5 мкм.

В конце 1950-х гг. были впервые внедрены полупроводниковые сплавы материалов из групп III-V, IV-VI и II-VI периодической таблицы Менделеева. Эти сплавы позволили подбирать энергетическую щель полупроводников, и следовательно спектральную чувствительность, специально для конкретного приложения. MCT (HgCdTe), материал из II-VI групп, стал сегодня наиболее широко используемым материалом среди веществ, позволяющих регулировать энергетическую щель.

С тех пор как в начале 1960 годов стала доступна фотолитография, она стала применяться в изготовлении матриц ИК-датчиков . Технология линейной матрицы была впервые продемонстрирована на детекторах из PbS, PbSe и InSb . Фотоэлектрические (ФЭП) детекторы получили развитие с появлением монокристаллического InSb.

В конце 1960 и начале 1970-х было разработано “первое поколение” линейных матриц встроенных светопроводящих детекторов MCT. Эти позволило создать ДВИК-радиометр курсовой визуализации (FLIR) для работы при 80K с одноступенчатым криодвижком, что делает его гораздо компактнее, легче и значительно снижает расход электроэнергии.

В 1970-е мы стали свидетелями множащихся ИК-приложений в сочетании с началом массового производства первого поколения сенсорных систем, использующих линейные матрицы.

Одновременно шли и другие важные разработки детекторных технологий. Кремневые технологии породили новые детекторные устройства из силицида платины (PtSi), которые стали стандартными коммерческими продуктами в различных СВИК-приложениях высокого разрешения .

Second generation detector arrays

Изобретение в конце 1960-х годов приборов с зарядовой связью (ПЗС) открыло путь “второму поколению” матриц детекторов, объединенных с электронными считывателями аналогового сигнала на фокальной плоскости, которые способны мультиплексировать сигнал с очень большой матрицы детекторов. Ранние оценки этой концепции показали, что фотоэлектрические детекторы, такие как InSb, PtSi и MCT-детекторы, или фотопроводники с высоким импедансом, такие как PbSe, PbS, и легированные кремниевые детекторы были перспективными кандидатами, поскольку они имели импеданс, подходящий для сопряжения с FET-вводом считывающих мультиплексоров. PC MCT не подходил из-за его низкого импеданса. Таким образом, с конца 1970-х и на протяжении 1980-х гг. усилия в области MCT-технологии были сосредоточены почти исключительно на разработке фотоэлектрических (PV) устройств из-за стремления к низкому потреблению мощности и высокому импедансу для сопряжения входных цепей считывания в больших матрицах. Эти усилия были вознаграждены в 1990-е с рождением второго поколения ИК-детекторов, которые обеспечивают создание больших 2D-матрицы в обоих линейных форматах. Эти детекторы используют TDI для систем сканирования; в системах наблюдения они бывают в квадратных и прямоугольных форматах.

Монолитные легированные кремниевые детекторы были впервые продемонстрированы в середине 1970-х годов. Технология монолитного легированного кремния была впоследствии оставлена в стороне, поскольку процесс изготовления интегральных схем приводил к деградации качества детектора. Однако в настоящее время широкое распространение получили монолитные детекторы PtSi, в процессе изготовления которых формирование детектора происходит после стадии формирования считывателя.