第十章　紫外探测与成像器件

第十章　紫外探测与成像器件

10.1紫外光 太阳光线分为X线、X光、紫外线、可视光线、红外线等五种，其中到达地球表面的光线为紫外线A，B，可视光线及红外线，但对人体最有影响、最有害的是紫外线，它的简称为UV。 • 紫外线属于物理学光学的一种。 • 自然界的主要紫外线光源是太阳。太阳光透过大气层时波长短于的紫外线为大气层中的臭氧吸收掉。 • 人工的紫外线光源有多种气体的电弧(如低压汞弧、高压汞弧)，紫外线有化学作用能使照相底片感光，荧光作用强，日光灯、各种荧光灯和农业上用来诱杀害虫的黑光灯都是用紫外线激发荧光物质发光的。 • 紫外线还可以防伪。紫外线还有生理作用，能杀菌、消毒、治疗皮肤病和软骨病等。 • 紫外线的粒子性较强，能使各种金属产生光电效应。 • 紫外线的特点 • （1）优点：A、消毒杀菌；B、促进骨骼发育；C、对血色有益；D、偶尔可以治疗某些皮肤病;E紫外线照射直接影响人体维生素D的合成，不照紫外线就没有足量的维生素D 　　 • （2）缺点：A、使皮肤老化产生皱纹；B、产生斑点；C、造成皮肤炎；D、造成皮肤癌，E，造成皮肤粗糙

可见光 10.1.1光谱波段的划分  10-2 nm 10 nm 102 nm 104 nm 0.1 cm 10cm 103 cm 105 cm 射线 x射线无线电波紫外光红外光微波 0.1mm～1m 0.1nm～ 10nm~ 750nm~0.1cm 1m～1000m 400～750 nm 远紫外近紫外（真空紫外） 10nm~200nm 200~400nm

在自然界中，太阳的紫外线通过大气时呈现以下特性：在自然界中，太阳的紫外线通过大气时呈现以下特性：（１）真空紫外：简称UVD 　　大气中的氧气强烈的吸收波长小于200nm的紫外光，所以只有在太空中才存在这个波段的紫外光，因而称为真空紫外；（２）短波紫外线：简称UVC 　　　简称UVC。是波长200－280nm的紫外光线。短波紫外线在经过地球表面同温层时被臭氧层吸收。不能达到地球表面，对人体产生重要作用。因此，对短波紫外线应引起足够的重视。短波紫外线又称为短波灭菌紫外线。它的穿透能力最弱，无法穿透大部分的透明玻璃及塑料。日光中含有的短波紫外线几乎被臭氧层完全吸收。短波紫外线对人体的伤害很大，短时间照射即可灼伤皮肤，长期或高强度照射还会造成皮肤癌。紫外线杀菌灯发出的就是UVC短波紫外线。 (３）中波紫外线：简称UVB 简称UVB。是波长280－320nm的紫外线。中波紫外线对人体皮肤有一定的生理作用。此类紫外线的极大部分被皮肤表皮所吸收，不能再渗入皮肤内部。但由于其阶能较高，对皮肤可产生强烈的光损伤，被照射部位真皮血管扩张，皮肤可出现红肿、水泡等症状。长久照射皮肤会出现红斑、炎症、皮肤老化，严重者可引起皮肤癌。中波紫外线又被称作紫外线的晒伤（红）段，是应重点预防的紫外线波段。

中波紫外线又称为中波红斑效应紫外线。中等穿透力，它的波长较短的部分会被透明玻璃吸收，日光中含有的中波紫外线大部分被臭氧层所吸收，只有不足2%能到达地球表面，在夏天和午后会特别强烈。UVB紫外线对人体具有红斑作用，能促进体内矿物质代谢和维生素D的形成，但长期或过量照射会令皮肤晒黑，并引起红肿脱皮。紫外线保健灯、植物生长灯发出的就是使用特殊透紫玻璃（不透过254nm以下的光）和峰值在300nm附近的荧光粉制成。 • （４）长波紫外线：简称UVA • 　　　简称UVA。是波长320－400nm的紫外线。长波紫外线对衣物和人体皮肤的穿透性远比中波紫外线要强，可达到真皮深处，并可对表皮部位的黑色素起作用，从而引起皮肤黑色素沉着，使皮肤变黑，起到了防御紫外线，保护皮肤的作用。因而长波紫外线也被称做“晒黑段”。长波紫外线虽不会引起皮肤急性炎症，但对皮肤的作用缓慢，可长期积累，是导致皮肤老化和严重损害的原因之一。 • 长波紫外线又称为长波黑斑效应紫外线。它有很强的穿透力，可以穿透大部分透明的玻璃以及塑料。日光中含有的长波紫外线有超过98%能穿透臭氧层和云层到达地球表面，UVA可以直达肌肤的真皮层，破坏弹性纤维和胶原蛋白纤维，将我们的皮肤晒黑。360nm波长的UVA紫外线符合昆虫类的趋光性反应曲线，可制作诱虫灯。300-420nm波长的UVA紫外线可透过完全截止可见光的特殊着色玻璃灯管，仅辐射出以365nm为中心的近紫外光，可用于矿石鉴定、舞台装饰、验钞等场所。09年10月德、意科学家发现【虾青素】能有效地消除【紫外线UVA】对皮肤细胞的伤害。

10.1.2 紫外辐射源： • １、太阳辐射 • ２、日辉、夜辉的辐射 • ３、导弹中的中紫外辐射 10.2 紫外成像器件概述紫外成像器件有真空型的像增强器和固体成像器件例：对导弹羽烟紫外辐射的探测紫外像增强器紫外像增强器的结构与微光像增强器相似，主要有两种型号：即贴型和倒像型的。主要区别在于光阴极不同１、输入窗口：　　　选用石英玻璃满足日盲型紫外像增强器光谱响应以及其他方面的要求。　　　　阴极输入窗口的特点：（１）满足气密性的要求；（２）在一定波长范围内，具有好的透过率；（３）作为光阴极发射层的衬底，有利于光电阴极的生长和附着；（４）加工性良好；（５）成本低，易采购。　　　　石英玻璃特点：　　　　短波透过率极限在190nm以下，满足日盲段透过的要求；　　　　硬度、强度、气密性也满足。

２、阴极材料： 　　要求：适合的光谱响应并且在波长范围内有较高的量子效率　　常用材料：碲铯　　碲化铯阴极是一种正电子亲和势阴极。　禁带宽　电子亲和势：所以要实现光电发射必须使入射能量大于3.5ev 　　Cs2Te阴极的构成：　　　第一层：石英玻璃；第二层：导电膜；　　　第三层：Cs原子和Te原子以２：１构成的基本光电发射层

1光谱响应特性 10.3、宽禁带半导体紫外探测器 10.３.1特性 ◆ 当不同波长的光照射探测器时，只有能量满足一定条件的光子才能激发出光生载流子从而产生光生电流。 ◆ 对于半导体材料，要发生本征吸收，光子能量必须大于或者等于禁带宽度，即对应于本征吸收光谱，探测器对光的响应在长波方面存在一个波长界限λ0，根据发生本征吸收的条件可得到本征吸收长波限的公式为

根据半导体材料的禁带宽度，可以算出相应的本征吸收长波限。 ★ 对于GaN材料而言，Eg=3.4eV，GaN探测器的长波限λ0≈365nm。 ★ 对于4H-SiC材料，Eg=3.26eV，则其长波限λ0≈380nm 。从计算结果可以看出，GaN、4H-SiC材料的本征吸收长波限都在紫外区。

2 响应度 光电响应度是表征探测器将入射光转换为电信号能力的一个参数。光电响应度也称光电灵敏度，定义为单位入射光功率与所产生的平均光电流之比，单位为A/W。由上式可知，R与λ成正比，所以短波长探测器的响应度比起长波长的探测器来说响应度较小。假设η=1，则当波长为365nm时，响应率R=0.294A/W；当波长为200nm时，响应率R=0.161A/W。

3量子效率 量子效率分为内量子效率和外量子效率： ◆内量子效率定义为入射至器件中的每一个光子所产生的电子-空穴对数目，即 ◆ 在实际应用中，入射光的一部分在器件表面被反射掉，在有源层中被吸收部分的大小又取决于材料的吸收系数和厚度，所以实际上只是部分的Popt能被器件有效地吸收而转化为光电流。定义外量子效率为

10.3.2、宽禁带半导体紫外探测器简介 ◆ 宽禁带半导体材料具有卓越的物理化学特性和潜在的技术优势，用它们制作的器件在高功率、高温、高频和短波长应用方面具有比Si、GaAs等器件优越得多的工作特性，使得它们在军用、民用领域有更好的发展前景，一直受到半导体业界人士的关注。 ◆ 但是由于工艺技术上的问题，特别是材料生长和晶片加工的难题，进展一直十分缓慢。直到20世纪80年代后期至90年代初，SiC单晶生长技术和GaN异质结外延技术的突破，使得宽禁带半导体器件的研制和应用得到迅速的发展。 ◆ 用SiC、GaN材料制造实用化器件已经在电力电子、射频微波、蓝光激光器、紫外探测器和MEMS器件等重要领域显示出比硅和GaAs更优异的特性，并开始取得非常引人注目的进展。

◆SiC的热导率、临界击穿电场、电子饱和速度等都比Si的高很多，与Si相比更适合于制造紫外光探测器。 ◆SiC的热导率、临界击穿电场、电子饱和速度等都比Si的高很多，与Si相比更适合于制造紫外光探测器。 ◆ 用SiC制作的紫外光探测器对可见光和红外光不敏感，这对于在可见光和红外光背景中探测紫外辐射是非常重要的。 ◆ 但由于SiC具有间接带隙，使得探测器灵敏度受到限制。一、 SiC紫外探测器

◆GaN的禁带宽度为3.4eV，是直接带隙半导体，它的热导、热稳定性、化学惰性、击穿电场和带隙宽度都可与SiC相比。◆GaN的禁带宽度为3.4eV，是直接带隙半导体，它的热导、热稳定性、化学惰性、击穿电场和带隙宽度都可与SiC相比。 ◆ GaN还具有高的辐射电阻、易制成欧姆接触和异质结结构，这对制造复杂结构的器件非常重要。 ◆ 三元合金AlxGa1-xN的禁带宽度随Al组分的变化可以从GaN(x＝0)的3.4eV连续变化到AlN(x=1)的6.2eV，因此理论上讲利用这种材料研制的紫外探测器的截止波长可以连续地从365nm变化到200nm，是制作紫外探测器的理想材料之一。二、GaN基紫外探测器

◆ZnO是一种新型的Ⅱ-Ⅵ族直接带隙宽禁带化合物半导体材料，室温下禁带宽度为3.37eV。ZnO和GaN同为六角纤锌矿结构，具有相近的晶格常数和Eg，且ZnO具有更高的熔点和激子束缚能以及良好的机电耦合性和较低的电子诱生缺陷。◆ZnO是一种新型的Ⅱ-Ⅵ族直接带隙宽禁带化合物半导体材料，室温下禁带宽度为3.37eV。ZnO和GaN同为六角纤锌矿结构，具有相近的晶格常数和Eg，且ZnO具有更高的熔点和激子束缚能以及良好的机电耦合性和较低的电子诱生缺陷。 ◆ 此外，ZnO薄膜的外延生长温度较低，有利于降低设备成本，抑制固相外扩散，提高薄膜质量，也易于实现掺杂。 ◆ ZnO薄膜所具有的这些优异特性，使其在紫外光探测、表面声波器件、太阳能电池、可变电阻等诸多领域得到了广泛应用。 ◆ZnO薄膜传感器具有响应速度快、集成化程度高、功率低、灵敏度高、选择性好、原料低廉易得等优点。三、 ZnO基紫外探测器

◆ 金刚石是禁带宽度为5.45eV的宽带隙半导体材料，具有高的载流子迁移率、高的击穿电压、高的热导率、高掺杂性和化学惰性，是非常适合于制备探测器件的材料。 ◆ 由于金刚石膜的禁带宽度比GaN大，在短于230nm的紫外光部分，金刚石膜探测器有很大的光谱响应，且具有很强的可见光盲性，它的光生电流比Si探测器高得多，信噪比及信号稳定性也比Si的强。四、金刚石紫外探测器

10.3.3、宽禁带半导体紫外探测器的结构 根据基本工作方式的不同，宽禁带半导体紫外探测器可以分为光电导探测器（无结器件）和光生伏特探测器（结型器件），其中光生伏特探测器又分为肖特基势垒型、金属-半导体-金属（MSM）型、pn结型、pin结型等。

几种不同类型宽禁带半导体紫外探测器结构示意图几种不同类型宽禁带半导体紫外探测器结构示意图

◆ 光电导探测器，简称PC探测器，是利用光电导效应制作的光探测器。 ◆ 一块半导体体材料和两个欧姆接触即可构成光导型结构的紫外探测器。 ◆ 光导型紫外探测器具有结构简单、工艺容易和内部增益高等优点，但不足之处是响应速度慢、暗电流大。 1、光导型紫外探测器

◆ 实际上就是一个肖特基势垒二极管，可集高的响应度与低的暗电流于一身，具有响应时间短、量子效率高、势垒高度高、回避p型等优点。 ◆ 但它存在一些问题： 1）由于光照射半导体时必须通过金属电极入射或者通过透明的衬底背面入射，因而入射光会受到较大损失。但是因为大多数半导体在紫外波段都吸收很厉害，吸收系数一般较大，所以使用良好的抗反射层，使大部分光吸收在表面结附近是完全可以实现的； 2）金属-半导体接触所形成的结比较浅，主要在半导体表面附近； 3）肖特基结构受表面态影响严重，表面态由很多深能级组成，可加剧光生电子-空穴对的复合，从而降低器件的量子效率。要消除表面态是非常困难的，这在一定程度上制约了肖特基结构器件的发展。２肖特基势垒紫外探测器

◆1985年德国半导体电子研究所率先发明了横向结构叉指状电极的肖特基光电二极管(MSM-PD)，改善了传统光电二极管的性能。◆1985年德国半导体电子研究所率先发明了横向结构叉指状电极的肖特基光电二极管(MSM-PD)，改善了传统光电二极管的性能。３ MSM型紫外探测器 ◆ 此结构是用平面线型叉指电极和半导体材料形成“背靠背”的双肖特基势垒。当在电极上加上直流偏置电压时，一个势垒正向偏置，另一个势垒则反向偏置，因此暗电流极小，几乎比同种材料的光电导探测器的暗电流小3-5个数量级。 ◆ MSM型光伏探测器不需要进行p型掺杂，具有响应度高、速度快、随偏压变化小、制备工艺简单、造价低、易于单片集成等优点，得到人们的普遍关注。

◆pn结光伏型探测器是将结区做成一个pn结，当适当频率的光照射探测器的有源区时，光生载流子在内建电场的作用下在外电路形成光电流；◆pn结光伏型探测器是将结区做成一个pn结，当适当频率的光照射探测器的有源区时，光生载流子在内建电场的作用下在外电路形成光电流； ◆ 它在一般的光伏工作模式下没有内增益，当pn结正偏时导通，其暗电流远远大于光生电流，而反偏时，只有很小的暗电流，所以，探测器常常工作在反偏状态； ◆ 一般p区和n区的厚度远大于结区，所以电流主要由扩散电流决定，而且主要取决于表层吸收产生的载流子，因此在很大程度上降低了探测器的响应时间。４ pn结型紫外探测器

５ pin结型紫外探测器 ◆ 为有效地提高器件灵敏度和响应速度，可以在p层和n层之间夹入一层本征的i层，以增加耗尽层的宽度。 ◆ 为使pin器件具有高的响应速度，结构设计应尽量使光在耗尽区吸收，p层的厚度要较小。 ◆ 一般pin光电二级管工作于零偏（光伏模式）或反向偏置下（光电二极管模式），使光生电流和暗电流的差别最大，从而使灵敏度提高。 ◆ 在不是太高的偏压下，随反向偏压的增加，不仅响应率提高，而且响应速度也提高，这是因为随偏压的增加，耗尽区加宽，降低了结电容，因而有较小的RC时间常数。

10.4、紫外探测器的应用

宽禁带半导体紫外探测技术与传统的红外及其它光电探测方式相比具有不可比拟的技术优势，主要表现在：宽禁带半导体紫外探测技术与传统的红外及其它光电探测方式相比具有不可比拟的技术优势，主要表现在： ◆在紫外区，由空间造成的紫外背景辐射较少，同时由于中紫外区位于太阳盲区，系统避开了最大的自然光源，信号检测难度下降，虚警率下降，从而对发动机、导弹、等离子体辐射等产生的紫外辐射能作出准确的判断； ◆ 紫外探测具有极低的误报率； ◆ 紫外探测属于无源被动探测，不辐射电磁波，隐蔽性好，从而具有较高的军事价值； ◆ 紫外探测技术使系统结构大为简化，不制冷，不扫描，重量减轻，体积减小。

紫外探测器在军事和民用方面均有很高的应用价值：紫外探测器在军事和民用方面均有很高的应用价值： ◆ １、军事上，紫外探测技术可用于紫外告警、紫外通讯、紫外制导、紫外干扰等领域。【1991年的海湾战争、1999年的科索沃危机，大量高技术武器装备在战场上的广泛应用及其所取得的惊人作战效果给我们以启迪：未来的高技术战争是电子战发挥巨大作用的战争。没有“制电磁权”，就很难有“制天权”、“制空权”、“制海权”、“制陆权”，没有“电磁优势”，很难有“钢铁优势”。】

紫外线作为光电电子战威胁频段之一，其技术的军事应用主要有以下几个方面： ◆紫外制导 ★尽管红外制导是目前导弹的主流制导方式，但随着红外对抗技术的日趋成熟，红外制导导弹的功效受到了严重地威胁。 ★为了反红外对抗技术，制导技术正在向双色制导方面发展，这其中也包括红外-紫外双色制导方式。 ★在受到敌方红外干扰时，仍可使用紫外探测器探测目标的紫外辐射，并把导弹导引至目标进行攻击。 ★据报道，美国及北约盟军的陆海军在1989 年装备使用的尾刺(Stinger Pest) 对空导弹中就采用了这种红外-紫外双色制导技术。

◆紫外预警 ★ 紫外线为对付导弹的威胁, 导弹入侵报警器是必要的装备。 ★ 目前的导弹入侵报警方式主要有依赖雷达工作的主动式报警和包括红外、激光和紫外线告警为主的被动式报警。 ★ 紫外预警是根据紫外探测器对导弹等飞行目标尾焰中的紫外辐射灵敏的特性，对短程空-空导弹及地-空导弹，尤其是对雷达告警所不能探测的紫外制导导弹进行近距离预警，保护直升机、运输机等慢速平台免遭其它导弹的攻击。 ★ 国外已研制成功了多种紫外线报警器。美国洛拉尔公司在1988 年就为美国海军的C-1305 直升机和P-3S 运输机研制成功了世界上第一台紫外报警器AAR-47，不久就有上千套分别装备于美、英、加、澳等国的飞机。美国西屋公司在美国海军的资助下也研制出PMAW S-2000 紫外报警器, 主要装备在各种战斗机、坦克和装甲车上。

◆紫外通讯 ★ 紫外通讯是一种具有极大发展潜力的新型通讯方式。它是利用紫外辐射进行信息传递，与普通的无线电通讯相比，具有低窃听率、高抗干扰性等优点，能实现近距离保密通讯；与先进的激光通讯相比，具有可进行全方位多路通讯和定向通讯等优点。所以受到对通讯保密性、机动性要求高的部门的广泛重视。 ★ 美国在20 世纪90 年代初即研制出低功率紫外通讯系统。目前已有紫外通讯系统的成品出现, 并已成功地将此技术应用于空间飞行器与卫星间的秘密通讯及海军战舰间、战舰与舰载机联络等方面。

◆紫外干扰 ★ 这是为对抗目前正在发展的红外-紫外双色制导导弹而发展起来的一种双色干扰技术。 ★ 它利用红外、紫外干扰弹，对敌方紫外制导系统发射强紫外干扰辐射，以干扰该系统正常运行。 ★ 紫外干扰的关键是研制出具有足够强紫外辐射的火药, 装添以制成具有紫外干扰能力的干扰弹。

◆ ２、民用上，紫外探测技术可用于燃烧工程及紫外水净化处理中的紫外线测量、火焰探测等领域，如： ★ 紫外探测器在民用方面已被用于气体探测与分析、火焰传感、污染监测、水银消毒、矿物开采、发动机及锅炉控制等。 ★紫外探测技术在医学、生物学方面也有着广泛的应用，特别是近几年在皮肤病诊断方面有着独特的应用效果。利用紫外探测技术在检测诊断皮肤病时可直接看到病变细节，也可用它来检测癌细胞、微生物、血色素、红血球、白血球、细胞核等，这种检测不但迅速、准确，而且直观、清楚。

第十章 紫外探测与成像器件