红外探测器部分.pdf

1 红外探测器红外探测器 红外探测器是红外系统的心脏。以下需求，红外探测器是红外系统的心脏。以下需求，使使红外探测器红外探测器性能性能和可靠性得到提高，并在工程方面获得更全面和可靠性得到提高，并在工程方面获得更全面应用：应用：需要性能很好的地面和星载探测器，用于红外天文学；需要性能很好的地面和星载探测器，用于红外天文学；需要性能良好的非致冷探测器，用作地球卫星和星际深测飞需要性能良好的非致冷探测器，用作地球卫星和星际深测飞船上的辐射计；船上的辐射计；需要需要价格低廉且可靠的探测器，满足对防盗警报器和工业仪价格低廉且可靠的探测器，满足对防盗警报器和工业仪表大量生产的需求；表大量生产的需求；现代光电武器的迫切需求。现代光电武器的迫切需求。第三种需要导致某些探测器的大量生产，使（第三种需要导致某些探测器的大量生产，使（8 81313 微米）热微米）热辐射的利用达到前所未有的规模。辐射的利用达到前所未有的规模。非致冷的热探测器，不仅仅是低温光子探测器的低性能廉价非致冷的热探测器，不仅仅是低温光子探测器的低性能廉价替替代代探测器，而其特有的综合性能探测器，而其特有的综合性能，正在使这正在使这种探测器能担当其他探种探测器能担当其他探视器胜任不了的任务。视器胜任不了的任务。1 1 红外探测器发展简史红外探测器发展简史 18001800 年，赫谢耳利用一支液体玻璃温度计发现了红外线的存年，赫谢耳利用一支液体玻璃温度计发现了红外线的存在，一般把这支玻璃温度计看作第一在，一般把这支玻璃温度计看作第一个个红外探测器。红外探测器。18211821 年，塞贝克发现了热电效应不久之后，第一个热电偶诞年，塞贝克发现了热电效应不久之后，第一个热电偶诞生了。生了。18291829 年，诺比利构建了第一个由多个热电偶串联而成的热电年，诺比利构建了第一个由多个热电偶串联而成的热电 2 堆。堆。18331833 年，麦西多尼奥年，麦西多尼奥-美伦尼改进了热电堆的设计，其灵敏美伦尼改进了热电堆的设计，其灵敏度比当时最好的温度计高度比当时最好的温度计高 4040 倍。倍。18811881 年，兰利制作的测辐射热计比那个时代的热电偶更灵年，兰利制作的测辐射热计比那个时代的热电偶更灵敏，其灵敏度比热电堆高敏，其灵敏度比热电堆高 3030 倍。倍。18731873 年，史密斯在用硒作为海底电缆绝缘体年，史密斯在用硒作为海底电缆绝缘体所进行的实验时所进行的实验时发现了光电导效应，这个发现开创了一个更为广泛的研究领发现了光电导效应，这个发现开创了一个更为广泛的研究领域域。19041904 年，布斯发表了关于由硫化物（硫化铅）产生红外光生年，布斯发表了关于由硫化物（硫化铅）产生红外光生伏特效应方面的研究伏特效应方面的研究。19171917 年，克斯研制出了第一个高响应度的红外光电导体。年，克斯研制出了第一个高响应度的红外光电导体。19301930 年起，光子探测器逐渐成为红外技术发展的主体。年起，光子探测器逐渐成为红外技术发展的主体。19331933 年，柏林大学的库特斯切发现了硫化铅具有光电导性，年，柏林大学的库特斯切发现了硫化铅具有光电导性，其响应大约到其响应大约到 3 3m m。硫化铅是第一个在战场中得到多种应用。硫化铅是第一个在战场中得到多种应用的实用红外探测器。的实用红外探测器。19411941 年，卡切曼改进了硫化砣探测器技术，给出了成功的产年，卡切曼改进了硫化砣探测器技术，给出了成功的产品。品。19431943 年左右，德国开始了硫化铅光电导探测器的制造阶段。年左右，德国开始了硫化铅光电导探测器的制造阶段。1 1944944 年，美国西北大学，年，美国西北大学，首次研制成功硫化铅光电导探测器。首次研制成功硫化铅光电导探测器。19451945 年，英国管理研究实验室，研制成功硫化铅光电导探测年，英国管理研究实验室，研制成功硫化铅光电导探测器。器。第二次世界大战期间，现代红外探测器技术开始起源。第二次世界大战期间，现代红外探测器技术开始起源。在二十世纪五十年代，红外探测器是用单元致冷铅盐探测器在二十世纪五十年代，红外探测器是用单元致冷铅盐探测器 3 制成的，主要应用于防空导弹寻的器。制成的，主要应用于防空导弹寻的器。在二十世纪五十年代早期晶体管发明以后，第一个非本征光在二十世纪五十年代早期晶体管发明以后，第一个非本征光导探测器就已出现，由于控制掺杂技术最先应用于锗，所以导探测器就已出现，由于控制掺杂技术最先应用于锗，所以第一个高性能非本征探测器是基于锗的。第一个高性能非本征探测器是基于锗的。与此同时，窄禁带半导体也在快速的发展，这些材料后来证与此同时，窄禁带半导体也在快速的发展，这些材料后来证明在扩展工作波长以及改善灵敏度方面很有用。第一种这样明在扩展工作波长以及改善灵敏度方面很有用。第一种这样的材料是的材料是锑化铟（锑化铟（InSbInSb），该材料是新发现的），该材料是新发现的化合物化合物半导体家族的一员。人们对锑化铟的兴趣，并不仅仅在于它半导体家族的一员。人们对锑化铟的兴趣，并不仅仅在于它的窄禁带，也在于它可以用传统技术来制备单晶的事实。的窄禁带，也在于它可以用传统技术来制备单晶的事实。二十世纪五十年代后期，开始出现了二十世纪五十年代后期，开始出现了、以及以及族半导体合金材料体系。这些合金可以满足半导体禁带族半导体合金材料体系。这些合金可以满足半导体禁带的要求，因此也就可以满足特别定制的用于特殊任务的探测的要求，因此也就可以满足特别定制的用于特殊任务的探测器的光谱响应要求。器的光谱响应要求。19591959 年，劳森（年，劳森（LawsonLawson）与其同事的研究带动了可变带隙合）与其同事的研究带动了可变带隙合金金 HgHg1 1x xCdCdx xTeTe（HgCdTeHgCdTe）的发展，提供了红外探测器设计的）的发展，提供了红外探测器设计的空前自由度。现在空前自由度。现在 HgCdTeHgCdTe 探测器处于全球具有数十亿美探测器处于全球具有数十亿美元元营业额的主要工业中心。营业额的主要工业中心。HgCdTeHgCdTe 是研究最透彻的半导体材料是研究最透彻的半导体材料之一，仅次于之一，仅次于 SiSi（硅）与（硅）与 GaAsGaAs（镓化钾）。（镓化钾）。随着光刻技术在二十世纪六十年代的实用化，人们便用这种随着光刻技术在二十世纪六十年代的实用化，人们便用这种方法来制作红外探测器阵列。线阵列技术最先应用于方法来制作红外探测器阵列。线阵列技术最先应用于 PbSPbS（硫（硫化铅）、化铅）、PbSePbSe（硒化铅）以及（硒化铅）以及 InSbInSb（锑化铟）探测器。（锑化铟）探测器。在六十年代末七十年代初，第一代线阵列本征在六十年代末七十年代初，第一代线阵列本征 HgCdTeHgCdTe 光导光导探测器出现了。这些使得探测器出现了。这些使得 LWIRLWIR-FLIRFLIR 系统可以只用一级制系统可以只用一级制 4 冷引擎工作，这使系统更加紧凑、轻便而且消耗相当小的能冷引擎工作，这使系统更加紧凑、轻便而且消耗相当小的能量。量。19671967 年，第一篇关于非本征硅探测器的研究论文由索瑞夫发年，第一篇关于非本征硅探测器的研究论文由索瑞夫发表。经过十表。经过十年左右的沉默之后，当年左右的沉默之后，当 BoyleBoyle 与与 SmithSmith 发明了电发明了电荷耦合器件（荷耦合器件（CCDCCD）以后，非本征硅又被人们唤起。在）以后，非本征硅又被人们唤起。在 19731973年，年，ShepherdShepherd 与与 YangYang 提出了金属提出了金属-硅硅/硅肖特基势垒探测器。硅肖特基势垒探测器。这是第一次使更加复杂的读出方案成为可能，探测单元与读这是第一次使更加复杂的读出方案成为可能，探测单元与读出单元可以同时在一块共用芯片上实现。这种第二代系统至出单元可以同时在一块共用芯片上实现。这种第二代系统至少比第一代系统在焦平面上具有多于两个数量级的探测器少比第一代系统在焦平面上具有多于两个数量级的探测器单元，而且探测器单元的结构是二维阵列的而不是一维线形单元，而且探测器单元的结构是二维阵列的而不是一维线形结构，这些凝视阵列是用集成在阵列上的电子系统完成扫描结构，这些凝视阵列是用集成在阵列上的电子系统完成扫描的。的。2020 世纪世纪 8080 年代年代,英国人英国人提出了提出了一个新奇的发明一个新奇的发明SPRITESPRITE探测器，该探探测器，该探测器将信号时间延迟与积分（测器将信号时间延迟与积分（TDITDI）组合在单）组合在单一的、细长的探测器单元上，从而拓宽了传统的光导一的、细长的探测器单元上，从而拓宽了传统的光导 HgCdTeHgCdTe探测器技术。这种探测器取代了传统串扫探测器的一整行离探测器技术。这种探测器取代了传统串扫探测器的一整行离散的单元，而且外部与放大器和时间延迟电路相连。尽管这散的单元，而且外部与放大器和时间延迟电路相连。尽管这种探测器仅仅用在大约种探测器仅仅用在大约 1010 个单元的小阵列中，但这种器件个单元的小阵列中，但这种器件已经生产了数以千计。已经生产了数以千计。在二十世纪七十年代末以及整个八十年代，因为人们对低功在二十世纪七十年代末以及整个八十年代，因为人们对低功耗、高阻抗、大阵列并能与读出电路的输入级相连的器件的耗、高阻抗、大阵列并能与读出电路的输入级相连的器件的迫切需要，迫切需要，HgCdTeHgCdTe 技术的重点几乎完全集中在光伏器件的发技术的重点几乎完全集中在光伏器件的发展上。这种努力最终使得展上。这种努力最终使得 HgCdTeHgCdTe 第二代红外系统得以诞生，第二代红外系统得以诞生，5 该系统可提供较该系统可提供较大的二维阵列，不仅可以用于具有时间延迟大的二维阵列，不仅可以用于具有时间延迟与积分的线阵扫描成像仪，而且可以用于方形和矩形的凝视与积分的线阵扫描成像仪，而且可以用于方形和矩形的凝视阵列。阵列。1024102410241024 混合混合 HgCdTeHgCdTe 焦平面阵列（焦平面阵列（FPAsFPAs）最近已）最近已经在生产。但是，现在的经在生产。但是，现在的 HgCdTe FPAs HgCdTe FPAs 受到阵列数量的限制，受到阵列数量的限制，数量增加意味着功耗增加。在这种情况下，可选择的红外探数量增加意味着功耗增加。在这种情况下，可选择的红外探测器合金系统，例如测器合金系统，例如 HgXnTeHgXnTe 以及以及超晶格材料，正在超晶格材料，正在被关注。被关注。单片非本征硅探测器最先出现在七十年代中期，但是随即就单片非本征硅探测器最先出现在七十年代中期，但是随即就被束之高阁，因为集成电路的制造过程降低了探测器性能。被束之高阁，因为集成电路的制造过程降低了探测器性能。历史上，历史上，Si:GeSi:Ge 和和 Si:InSi:In 是第一个镶嵌式焦平面阵列的光电是第一个镶嵌式焦平面阵列的光电导材料导材料，因为早期的单片集成手段与那些杂质相适合。非本，因为早期的单片集成手段与那些杂质相适合。非本征探测器的制作触点、薄膜层和探测器材料的早期失配以及征探测器的制作触点、薄膜层和探测器材料的早期失配以及所需工作温度的提高，迫使向单片式所需工作温度的提高，迫使向单片式 PtSiPtSi 及混合式方向发及混合式方向发展。单片式展。单片式 PtSiPtSi 肖特基载流子探测器现已被广泛使用。肖肖特基载流子探测器现已被广泛使用。肖特基载流子器件的三个性质使得它在主流红外系统及应用特基载流子器件的三个性质使得它在主流红外系统及应用中具有很强的竞争力。（中具有很强的竞争力。（1 1）简便，基于标准硅片的单片式结）简便，基于标准硅片的单片式结构。（构。（2 2）多元阵列，在响应率及信噪比上具有较高的一致性）多元阵列，在响应率及信噪比上具有较高的一致性。（3 3）没有）没有 1/f1/f 噪声。噪声。现已出现了许多不同探测器材料和器件类型的现已出现了许多不同探测器材料和器件类型的 FPAsFPAs，包括，包括PbSPbS，PbSePbSe，InSbInSb，非本征，非本征 SiSi，PtSiPtSi，HgCdTeHgCdTe，以及，以及最近出最近出现的长波现的长波 GaAs/GaAlAsGaAs/GaAlAs 多量子阱（多量子阱（MQsMQs）。尽管这些探测器可）。尽管这些探测器可能不如本征能不如本征 HgCdTeHgCdTe，但在一致性、控制能力的优势仍是在制，但在一致性、控制能力的优势仍是在制造大规模阵列时的重要因素。造大规模阵列时的重要因素。6 上面的叙述还不能概况有关热探测器进展。实际上，有关热探上面的叙述还不能概况有关热探测器进展。实际上，有关热探测器也已发生了一些有趣的事以及一些重要的进展。测器也已发生了一些有趣的事以及一些重要的进展。19471947 年，年，GolayGolay 构建了一个改进的充气红外探测器。热敏电构建了一个改进的充气红外探测器。热敏电阻测辐射热计最初由贝尔试验室发现，现在已被广泛用于探阻测辐射热计最初由贝尔试验室发现，现在已被广泛用于探测来自低温的辐射。超导效应也已经被用于制作非常敏感的测来自低温的辐射。超导效应也已经被用于制作非常敏感的测辐射热仪。测辐射热仪。蒸发图与吸收边缘图像转换器是第一个非扫描蒸发图与吸收边缘图像转换器是第一个非扫描 IRIR 成像仪。成像仪。值得注意的是热释电摄值得注意的是热释电摄像管（像管（PEVPEV）。热释电摄像管可以看作热释电摄像管可以看作与可见光电视视像管相似，除了后者采用光电导靶标，而前与可见光电视视像管相似，除了后者采用光电导靶标，而前者采用热释电靶标和锗面板。者采用热释电靶标和锗面板。现在热成像方面上正在经历第二次革命。目前大量的研究集现在热成像方面上正在经历第二次革命。目前大量的研究集中在混合和单片式非制冷阵列上，并且针对测辐射热计及热中在混合和单片式非制冷阵列上，并且针对测辐射热计及热释电探测器阵列，已取得了重大的改进。大规模集成及微机释电探测器阵列，已取得了重大的改进。大规模集成及微机械技术已被用于制作大规模非制冷二维探测器阵列。这将导械技术已被用于制作大规模非制冷二维探测器阵列。这将导致在未来有费用低、质量高的热像仪出现。致在未来有费用低、质量高的热像仪出现。热释电探测器具有温敏自发极化热释电探测器具有温敏自发极化，铁电体探测器是具有可逆铁电体探测器是具有可逆极化的热释电探测器。具有超过一千种热释电晶体，包括一极化的热释电探测器。具有超过一千种热释电晶体，包括一些在混合些在混合 FPAsFPAs 常用的，例如，钽酸锂常用的，例如，钽酸锂 LiTaLiTaO3O3，硫酸三坩钛，硫酸三坩钛（TGSTGS）以及）以及 BaSrTiO3BaSrTiO3（钛酸锶钡）。（钛酸锶钡）。2 IR2 IR 探测器的分类探测器的分类 红外辐射与物质的相互作用有多种形式，通常可分为光子效应、红外辐射与物质的相互作用有多种形式，通常可分为光子效应、热效应以及波与物质相互作用效应这几类。热效应以及波与物质相互作用效应这几类。7 光子效应：光子效应：光子直接与物质中的电子相互作用。因为电子可以光子直接与物质中的电子相互作用。因为电子可以束缚在晶格原子或杂质原子周围，也可以是自由电子，因而可能有束缚在晶格原子或杂质原子周围，也可以是自由电子，因而可能有各种各样的相互作用。各种各样的相互作用。热效应热效应：物质因吸收辐射而产生温度变化，从而导致物质某些物质因吸收辐射而产生温度变化，从而导致物质某些性质的变化。性质的变化。波与物质相互作用：波与物质相互作用：电磁场与物质之间相互作用，因而引起物电磁场与物质之间相互作用，因而引起物质内部性能的某些变化。质内部性能的某些变化。基于上述不同物理效应所制成的传感器即是红外探测器。基于上述不同物理效应所制成的传感器即是红外探测器。可以可以说，红外探测器是把入射的红外辐射能转变成其它形式能量的红外说，红外探测器是把入射的红外辐射能转变成其它形式能量的红外辐射能转换器。辐射能转换器。以工作机理以工作机理分类：分类：光子探测器光子探测器、热探测器。热探测器。以以工作温度分工作温度分类：类：低温探测器低温探测器（需用液态（需用液态 HeHe 氦、氦、NeNe 氖、氖、N N 氮致氮致冷）冷）、中温探测器、中温探测器（采用电热致冷在（采用电热致冷在 195195200K200K），室温探测器室温探测器。以以响应波长响应波长分类：分类：近红外、中红外近红外、中红外、远红外探测器远红外探测器。以以结构用途结构用途分类：分类：单元型探测器、多元阵列探测器单元型探测器、多元阵列探测器、成像探测成像探测器。器。通常，通常，将红外探测器分为光子探测器和热探测器两大类，用特将红外探测器分为光子探测器和热探测器两大类，用特征参数来描述其工作温度、响应波长和结构类型等。征参数来描述其工作温度、响应波长和结构类型等。8 2.12.1 热探测器热探测器 探测器吸收红外辐射后产生温升，然后探测器吸收红外辐射后产生温升，然后伴随发生某些物理性能伴随发生某些物理性能的变化。测量这些物理性能的变化就可以测量出它吸收的能量或功的变化。测量这些物理性能的变化就可以测量出它吸收的能量或功率。常利用的物理性能变化有下列四种，利用其中一种就可以制备率。常利用的物理性能变化有下列四种，利用其中一种就可以制备一种类型的热探测器一种类型的热探测器。1.1.测辐射热计测辐射热计 热敏材料吸收红外辐射后，温度升高，阻值发生变化。阻值变热敏材料吸收红外辐射后，温度升高，阻值发生变化。阻值变 9 化的大小与吸收的红外辐射能量成正比。利用材料吸收红外辐射后化的大小与吸收的红外辐射能量成正比。利用材料吸收红外辐射后电阻发生变化而制成的红外探测器叫做测辐射热计。电阻发生变化而制成的红外探测器叫做测辐射热计。依据所选用的热敏材料不同，已设计出依据所选用的热敏材料不同，已设计出几几种测辐射热计，即热种测辐射热计，即热敏电阻测辐射热计、金属测辐射热汁、超导测辐射热计和低温测辐敏电阻测辐射热计、金属测辐射热汁、超导测辐射热计和低温测辐射热计。射热计。最常用的有最常用的有：热敏电阻测辐射热计和低温半导体测辐射热热敏电阻测辐射热计和低温半导体测辐射热计。计。热热敏电阻的材料是锰、钴或镍的氧化物，这些氧化物的电阻敏电阻的材料是锰、钴或镍的氧化物，这些氧化物的电阻温度系数为负值，即温度增加时电阻减小。由于热敏电阻测温度系数为负值，即温度增加时电阻减小。由于热敏电阻测辐射热计是在加电偏置情况下工作的，随着偏流增加，温度辐射热计是在加电偏置情况下工作的，随着偏流增加，温度将迅速升高，而动态电阻减小。超过某一临界偏流时，动态将迅速升高，而动态电阻减小。超过某一临界偏流时动态电阻变成负值，在这种偏流范围内，若不采镇流电阻器，就电阻变成负值，在这种偏流范围内，若不采镇流电阻器，就将发生热击穿，把热敏电阻烧毁。将发生热击穿，把热敏电阻烧毁。金属的电阻温度系数为正值，金属的电阻温度系数为正值，即即电阻随温度升高而增加。金电阻随温度升高而增加。金属的电阻温度系数的绝对值通常比热敏电阻属的电阻温度系数的绝对值通常比热敏电阻材料材料小得多，不小得多，不具有热敏电阻材料的负阻效应具有热敏电阻材料的负阻效应。一般说来，与热敏电阻测辐一般说来，与热敏电阻测辐射热计相比，金属测辐射热计是灵敏度较差的辐射探测器，射热计相比，金属测辐射热计是灵敏度较差的辐射探测器，它不出现热击穿它不出现热击穿。某些金属和合金，当其温度低于某一临界温度时，电阻下降某些金属和合金，当其温度低于某一临界温度时，电阻下降为零，这种现象称为超导，具有超导现象的物体称为超导体。为零，这种现象称为超导，具有超导现象的物体称为超导体。将超导样品的环境温度保持在略低于临界温度，吸收入射辐将超导样品的环境温度保持在略低于临界温度，吸收入射辐射而产生的微小温升，就将引起样品电阻的显著变化，这种射而产生的微小温升，就将引起样品电阻的显著变化，这种变化可以用来产生相当大的输出信号。由此可制成超导测辐变化可以用来产生相当大的输出信号。由此可制成超导测辐射热计，其灵敏度非常高，光谱响应非常宽，可提供延伸到射热计，其灵敏度非常高，光谱响应非常宽，可提供延伸到 10 毫米波的平坦响应。毫米波的平坦响应。低温测辐射热计主要以单晶半导体（如低温测辐射热计主要以单晶半导体（如 Ge:GaGe:Ga、Ge:InGe:In、InSbInSb）为敏感元件，使其保持在液氦温度（为敏感元件，使其保持在液氦温度（4K4K）附件。由于该元件）附件。由于该元件的电阻温度系数在低温下有很大的（负）值，且比热又小，的电阻温度系数在低温下有很大的（负）值，且比热又小，所以低温测辐射热计是一种高灵敏度的探测器，且噪声低、所以低温测辐射热计是一种高灵敏度的探测器，且噪声低、重复性好。低温半导体测辐射热计特别适合于天文学的应重复性好。低温半导体测辐射热计特别适合于天文学的应用。用。2.2.测辐射热电偶及热电堆测辐射热电偶及热电堆 把两种不同的金属或半导体细丝连成一个封闭环，当一个接头把两种不同的金属或半导体细丝连成一个封闭环，当一个接头的温度和另一个接头不同时，环内就产生电动势，其大小与冷热两的温度和另一个接头不同时，环内就产生电动势，其大小与冷热两接头处的温差成正比，这种效应称为温差电效应。利用温差电效应接头处的温差成正比，这种效应称为温差电效应。利用温差电效应制成的感温元件称为制成的感温元件称为热电偶热电偶（也称温差电偶）。（也称温差电偶）。如果两接头处的温差是由一端吸收辐射而引起的话，测量热电如果两接头处的温差是由一端吸收辐射而引起的话，测量热电偶温差电动势的大小就能测知接头处所吸收的辐射功率。此时，将偶温差电动势的大小就能测知接头处所吸收的辐射功率。此时，将这种热电偶称为测辐射热电偶。这种热电偶称为测辐射热电偶。制造热电偶的材料有纯制造热电偶的材料有纯金属、合金和半导体。常用于直接测金属、合金和半导体。常用于直接测温的热电偶一般是纯金属与合金相配而成，如铂铑温的热电偶一般是纯金属与合金相配而成，如铂铑-铂、镍铂、镍铬铬-镍铝和铜镍铝和铜-康铜等，它们被广泛用于测量康铜等，它们被广泛用于测量 13001300以下的温以下的温度。用半导体材料制成的热电偶比用金属做成的热电偶的灵度。用半导体材料制成的热电偶比用金属做成的热电偶的灵敏度高，响应时间短，常用作红外辐射的探测元件。敏度高，响应时间短，常用作红外辐射的探测元件。将若干个热电偶串联在一起就成为将若干个热电偶串联在一起就成为热电堆热电堆。在相同的辐照。在相同的辐照下，热电堆可提供比热电偶大得多的温差电动势。下，热电堆可提供比热电偶大得多的温差电动势。11 3.3.气体探测器气体探测器 高莱（盒）探测器高莱（盒）探测器：它是由一个充气的容器构成，这个容器的它是由一个充气的容器构成，这个容器的一端是涂黑的薄膜，用来吸收聚焦在薄膜上面的辐射。薄膜吸收的一端是涂黑的薄膜，用来吸收聚焦在薄膜上面的辐射。薄膜吸收的能量加热了容器内的气体，使容器另一端上的柔性能量加热了容器内的气体，使容器另一端上的柔性小薄膜反射镜发小薄膜反射镜发生膨胀。由于气体吸收能量而引起反射镜的这一微小形变，可用光生膨胀。由于气体吸收能量而引起反射镜的这一微小形变，可用光学系统来检测。学系统来检测。高莱（盒）探测器在实验室光谱仪中普遍用作远红外辐射探测高莱（盒）探测器在实验室光谱仪中普遍用作远红外辐射探测器，但它的灵敏度低，也不够牢固，因而不宜在大多数场合使用。器，但它的灵敏度低，也不够牢固，因而不宜在大多数场合使用。充气电容式传声器充气电容式传声器：直接由充于室内的气体吸收辐射直接由充于室内的气体吸收辐射，气体由气体由于吸收入射辐射而被加热，因而使构成电容器的一个板极的薄膜形于吸收入射辐射而被加热，因而使构成电容器的一个板极的薄膜形变。所引起的电容变化由一个振荡变。所引起的电容变化由一个振荡-放大系统来确定。放大系统来确定。4.4.热释电探测器热释电探测器 有些晶体，如硫酸三甘肽（有些晶体，如硫酸三甘肽（TGSTGS）、铌酸锶钡）、铌酸锶钡 SBNSBN 等，当受到红等，当受到红外辐射照射时，温度升高，引起自发极化强度变化，结果在垂直于外辐射照射时，温度升高，引起自发极化强度变化，结果在垂直于自发极化方自发极化方向的晶体两个外表面之间产生微小电压，电压的大小与向的晶体两个外表面之间产生微小电压，电压的大小与吸收的红外辐射功率成正比。利用这一原理制成的红外探测器叫热吸收的红外辐射功率成正比。利用这一原理制成的红外探测器叫热释电探测器。释电探测器。除了上述四种类型的热探测器外除了上述四种类型的热探测器外,还有利用热磁效应、金属丝热还有利用热磁效应、金属丝热膨胀、液体薄膜蒸发等物理效应制成的热探测器。膨胀、液体薄膜蒸发等物理效应制成的热探测器。2.22.2 光子探测器光子探测器 12 光光子（子（电电）效应：效应：光子探测器吸收光子后，发生电子状态的改光子探测器吸收光子后，发生电子状态的改变，从而引起几种电学现象变，从而引起几种电学现象。光光子（子（电电）效应可以再分成内光效应可以再分成内光子（子（电电）效应和外光效应和外光子（子（电电）效应两类。效应两类。内光内光子（电）子（电）效应效应：光所激发的载光所激发的载流流子子(电子或空穴电子或空穴)仍保留在仍保留在样品内部。样品内部。内光内光子（子（电电）效应又分成三种方式：效应又分成三种方式：a.a.入射光子与晶格原子入射光子与晶格原子或或杂质原子上的束缚电子相互作用，产生自由电子杂质原子上的束缚电子相互作用，产生自由电子-空穴对空穴对(本征光电本征光电效应效应)或自由电子和束缚空穴或自由电子和束缚空穴(非本征光电效应；亦包括产生自由空非本征光电效应；亦包括产生自由空穴和束缚电子穴和束缚电子)；b.b.入射光子与自由载流子相互作用；入射光子与自由载流子相互作用；c.c.入射光于产入射光于产生局部激发，使电子进入原子的较高能态，但电子并不离开原子。生局部激发，使电子进入原子的较高能态，但电子并不离开原子。外光外光子（子（电电）效应效应：也称光电发射效应，是入射光子引起吸收也称光电发射效应，是入射光子引起吸收光的物质表面光的物质表面(称为光电阴极称为光电阴极)发射电子的效应。发射电子的效应。测量光测量光子（子（电电）效应的大小可以测定被吸收的光子数。利用光效应的大小可以测定被吸收的光子数。利用光子（电）子（电）效应制成的探测器称为光子探测器，几乎在所有情况下，效应制成的探测器称为光子探测器，几乎在所有情况下，所用的材料都是半导体。所用的材料都是半导体。1.1.光电子发射（外光电效应）器光电子发射（外光电效应）器件件 当光入射到某些金属、金属氧化物或半导体表面时，如果光子当光入射到某些金属、金属氧化物或半导体表面时，如果光子能量足够大，能使其表面发射电子，这种现象统称为光电子发射效能量足够大，能使其表面发射电子，这种现象统称为光电子发射效应，也称作外光电效应。利用光电子发射制成的器件称为光电子发应，也称作外光电效应。利用光电子发射制成的器件称为光电子发射器件。如光电管和光电倍增管。光电倍增管的灵敏度很高，时间射器件。如光电管和光电倍增管。光电倍增管的灵敏度很高，时间常数较短（约几个毫微秒），所以在激光通讯中常使用特制的光电倍常数较短（约几个毫微秒），所以在激光通讯中常使用特制的光电倍增管。增管。13 大部分光电子发射器件只对可见光起作用。大部分光电子发射器件只对可见光起作用。用于微光及远红外的光电阴极目前只有两种。一种叫用于微光及远红外的光电阴极目前只有两种。一种叫 S S-1 1 的的银银氧氧铯（铯（AgAg-O O-CsCs）光电阴极，）光电阴极，S S-1 1 光电阴极的响应长波限为光电阴极的响应长波限为1.21.2m m，属近红外光电阴极。，属近红外光电阴极。另一种叫做另一种叫做 S S-2020 的多碱的多碱（NaNa-K K-CsCs-SbSb）光电阴极。）光电阴极。S S-2020 光电阴极的响应长波限为光电阴极的响应长波限为0 0.9.9m m，基本上属于可见光的光电阴极。，基本上属于可见光的光电阴极。光电阴极的量子效率（每一入射光子所发射的电子数）不高，光电阴极的量子效率（每一入射光子所发射的电子数）不高，一般在一般在 10105 510101 1之间。之间。近年来，在窄禁带半导体上生长一层近年来，在窄禁带半导体上生长一层 GaAsGaAs 再镀一层铯的复再镀一层铯的复合阴极，可以探测较长波长的红外辐射。合阴极，可以探测较长波长的红外辐射。2.2.光电导探测器光电导探测器 当半导体材料吸收入射光子后，半导体内有些电子和空穴从原当半导体材料吸收入射光子后，半导体内有些电子和空穴从原来不导电的束缚状态转变到能导电的自由状态，从而使半导体的电来不导电的束缚状态转变到能导电的自由状态，从而使半导体的电导率增加，这种现象称为光电导效应。导率增加，这种现象称为光电导效应。利用半导体的光电导效应制成的红外探测器叫做光电导探测器利用半导体的光电导效应制成的红外探测器叫做光电导探测器（简称（简称 P PC C 器件），目前，它是种类最多、应用最广的一类光子探测器件），目前，它是种类最多、应用最广的一类光子探测器。器。光电导探测器可分为单晶型和多晶薄膜型两类。光电导探测器可分为单晶型和多晶薄膜型两类。多晶薄膜型光电导探测器种类较少，主要的有响应于多晶薄膜型光电导探测器种类较少，主要的有响应于 1 13 3m m 波段的波段的 PbSPbS、响应于响应于 3 35 5m m 波段的波段的 PbSePbSe 和和 PbTePbTe。单晶型的光电导探测器可再分为本征型和掺杂型种。单晶型的光电导探测器可再分为本征型和掺杂型种。本征型的探测器早期以锑化铟（本征型的探测器早期以锑化铟（InInS Sb b）为主，能探测）为主，能探测 7 7 14 m m 以下的红外辐射以下的红外辐射。后来发展了响应波长随材料组分变化后来发展了响应波长随材料组分变化的碲镉汞（的碲镉汞（HgCdTeHgCdTe）和碲锡铅（）和碲锡铅（PbSnTePbSnTe）三元化合物探测器。）三元化合物探测器。掺杂型红外探测器，主要是锗、硅和锗硅合金掺入不同掺杂型红外探测器，主要是锗、硅和锗硅合金掺入不同杂质而制成的多种掺杂探测器。杂质而制成的多种掺杂探测器。如锗掺金（如锗掺金（GuGu:AnAn）、锗掺汞）、锗掺汞（GeGe:HgHg）、锗掺锌（）、锗掺锌（GeGe:ZnZn）、锗掺铜（）、锗掺铜（GeGe:CuCu）、锗掺镉（）、锗掺镉（GeGe:CdCd）、）、硅掺镓（硅掺镓（SiSi:GaGa）、硅掺铝（）、硅掺铝（SiSi:A Al l）、硅掺锑（）、硅掺锑（SiSi:SbSb）和锗）和锗硅掺锌（硅掺锌（GeGe-SiSi:ZnZn）等。掺杂探测器在历史上起过重要作用，）等。掺杂探测器在历史上起过重要作用，今后在远红外波段仍有重要应用。硅掺杂探测器的性能与锗今后在远红外波段仍有重要应用。硅掺杂探测器的性能与锗掺杂探测器差不多，但使用得较少。掺杂探测器差不多，但使用得较少。3 3.光伏探测器光伏探测器 光伏效应需要一个内部电势垒，内部电场把光激发的空穴光伏效应需要一个内部电势垒，内部电场把光激发的空穴-电子电子对分开。如果把半导体两端用导线连结起来，电路中就有反向电流对分开。如果把半导体两端用导线连结起来，电路中就有反向电流流过；如果流过；如果 P P-N N 结两端开路，结两端开路，则有则有光生伏特电压。这就是光生伏特电压。这就是 P P-N N 结的结的光伏效应。光伏效应。利用光伏效应制成的红外探测器称为光伏探测器（简称利用光伏效应制成的红外探测器称为光伏探测器（简称 PVPV 器器件）。件）。常用的光伏探测器有常用的光伏探测器有 InSbInSb、HgCdTHgCdTe e 和和 PbSnTePbSnTe 等。等。4 4.光磁电探测器光磁电探测器 当光辐射入射到置于横向磁场中的半导体样品上，可通过本征当光辐射入射到置于横向磁场中的半导体样品上，可通过本征激发产生空穴电子对。光激发载流子由表面向体内扩散，并在扩散激发产生空穴电子对。光激发载流子由表面向体内扩散，并在扩散中切割磁力线，它们在磁场的作用下分别向样品的互相对立的两端中切割磁力线，它们在磁场的作用下分别向样品的互相对立的两端 15 偏转，从而在样品两端产生电位差。这种现象叫做光磁电效应。偏转，从而在样品两端产生电位差。这种现象叫做光磁电效应。利用光磁电效应制成的探测器称为光磁电探测器（简称利用光磁电效应制成的探测器称为光磁电探测器（简称 PEMPEM 器器件）。件）。目前制成的光磁电探测器有目前制成的光磁电探测器有 InSbInSb、InAsInAs 和和 HgTeHgTe 等。等。光磁电探测器实际应用很少。光磁电探测器实际应用很少。2.32.3 热探测器与光子探测器的性能比较热探测器与光子探测器的性能比较 热探测器一般在室温下工作，不需要致冷；多数光子探测器热探测器一般在室温下工作，不需要致冷；多数光子探测器必须工作在低温条件下才具有优良的性能。必须工作在低温条件下才具有优良的性能。工作于工作于 1 13 3m m 波段的波段的 PbSPbS 探测器主要在室温下工作，探测器主要在室温下工作，但适当降低工作温度但适当降低工作温度,性能会相应提高，在干冰温度下工作性能会相应提高，在干冰温度下工作性能最好。性能最好。热探测器对各种波长的红外辐射均有响应，是无选择性探测热探测器对各种波长的红外辐射均有响应，是无选择性探测器；光子探测器只对短于或等于截止波长入的红外辐射才有器；光子探测器只对短于或等于截止波长入的红外辐射才有响应，是有选择性的探测器。响应，是有选择性的探测器。热探测器的响应率比光子探测器的响应率低热探测器的响应率比光子探测器的响应率低1 12 2个数量级，个数量级，响应时间比光子探测器的长得多。响应时间比光子探测器的长得多。3 IR3 IR 探探测器性能参数测器性能参数 红外探测器性能的好坏可用一些参数来描述，这些参数称为红红外探测器性能的好坏可用一些参数来描述，这些参数称为红外探测器的性能参数或性能指标。根据红外探测器的性能指标，再外探测器的性能参数或性能指标。根据红外探测器的性能指标，再加上红外系统其他组成部分的参数以后，就可以确定整个红外系统加上红外系统其他组成部分的参数以后，就可以确定整个红外系统 16 的性能指标。的性能指标。3.13.1 主要工作条件主要工作条件 红外探测器的性能参数与探测器的具体工作条件有关，在给出红外探测器的性能参数与探测器的具体工作条件有关，在给出探测器的性能参数时，必须注明探测器的工作条件。探测器的性能参数时，必须注明探测器的工作条件。1.1.辐射源的光谱分布辐射源的光谱分布 单色光源单色光源：给出单色光的波长；给出单色光的波长；黑体源黑体源：给出黑体的温度；给出黑体的温度；辐射辐射通过了大气层和光学系统通过了大气层和光学系统：必须考虑大气的吸收和光学必须考虑大气的吸收和光学系统的反射等对能量所造成的损失；系统的反射等对能量所造成的损失；辐射经过调制，则应给出调制辐射经过调制，则应给出调制频率分布。频率分布。2.2.电路的频率范围电路的频率范围 因为器件的噪声因为器件的噪声(方均根电压方均根电压)与电子线路的频带宽度的平方根与电子线路的频带宽度的平方根f 成比例成比例，所以在描述器件性能时，必须给出电路的频带宽所以在描述器件性能时，必须给出电路的频带宽度度。3.3.工作温度工作温度 室温（室温（295K295K 或或 30OK30OK）；干冰温度（干冰温度（194.6K194.6K，它是固态，它是固态 COCO2 2的升华温度）的升华温度）；液氮沸点（液氮沸点（77.3K77.3K）；液氦沸点（液氦沸点（4.2K4.2K）；液氖沸点（液氖沸点（27.2K27.2K）；液氢沸点（液氢沸点（20.4K20.4K）；液氧沸点（液氧沸点（90K90K）。）。17 4.4.光敏面