第一章 红外探测器概述-2014

传感器原理与应用理学院电子科学与技术系宋晓伟第一章红外探测器概述1.1红外探测器物理基础1.2红外探测器的性能参数1.3红外探测器性能参数的测量1.1红外探测器物理基础任何温度高于绝对零度的物体都会产生红外辐射。如何检测它的存在，测定它的强弱并将其转变为其他形式的能量(多数情况是转变为电能)以便应用，就是红外探测器的主要任务。红外探测器是红外系统中最关键的元件之一。红外探测器所用的材料是制备红外探测器的基础，没有性能优良的材料就制备不出性能优良的红外探测器。完整的红外探测器的构成一个完整的红外探测器包括红外敏感元件、红外辐射入射窗口、外壳、电极引出线以及按需要而加的光阑、冷屏、场镜、光锥、浸没透镜和滤光片等，在低温工作的探测器还包括杜瓦瓶，有的还包括前置放大器。按探测器工作机理区分，可将红外探测器分为热探测器和光子探测器两大类。1.1.1热探测器工作原理：热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。常见的类型：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。1.金属或半导体热敏电阻测辐射热器热敏物质吸收红外辐射后，温度升高，阻值发生变化。阻值变化的大小与吸收的红外辐射能量成正比。利用物质吸收红外辐射后电阻发生变化而制成的红外探测器叫做热敏电阻。热敏电阻常用来测量热辐射，所以又常称为热敏电阻测辐射热器。常见的热敏电阻及其应用形式十分广泛。热敏电阻器种类繁多，一般按阻值温度系数可分为负电阻温度系数和正电阻温度系数热敏电阻器；按其阻值随温度变化的大小可分为缓变和突变型；按其受热方式可分为直热式和旁热式；按其工作温度范围可分为常温、高温和超低温热敏电阻器；按其结构分类有棒状、圆片、方片、垫圈状、球状、线管状、薄膜以及厚膜等热敏电阻器。热敏电阻器的主要特点是对温度灵敏度高，热惰性小，寿命长，体积小，结构简单，以及可制成各种不同的外形结构。因此，随着工农业生产以及科学技术的发展，这种元件已获得了广泛的应用，如温度测量、温度控制、温度补偿、液面测定、气压测定、火灾报警、气象探空、开关电路、过荷保护、脉动电压抑制、时间延迟、稳定振幅、自动增益调整、微波和激光功率测量等等。2.测辐射热电偶和热电堆把两种不同的金属或半导体细丝(也有制成薄膜结构)连成一个封闭环，当一个接头吸热后其温度和另一个接头不同，环内就产生电动势，这种现象称为温差电现象。利用温差电现象制成的感温元件称为温差电偶(也称热电偶)。温差电动势的大小与接头处吸收的辐射功率或冷热两接头处的温差成正比，因此，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或冷热两接头处的温差。图1-14热电偶原理图制造温差电偶的材料有纯金属、合金和半导体。常用于直接测温的热电偶一般是纯金属与台金相配而成，如铂锭—铂、镍铬—镍铝和铜—康铜等，它们被广泛用于测量1300℃以下的温度。用半导体材料制成的温差电偶比用金属作成的温差电偶的灵敏度高，响应时间短，常用作红外辐射的接收元件。将若干个热电偶串联在一起就成为热电堆。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。因此，热电堆比单个热电偶应用更广泛。两种不同材料或材料相同而逸出功不同的物体，当它们构成闭环回路时，如果两个接点的温度不相同，环路中就产生温差电动势，这就是温差电效应，也称为塞贝克效应。单个热电偶提供的温差电动势比较小，满足不了某些应用的要求，所以常把几个或几十个热电偶串联起来组成热电堆。热电堆比热电偶可以提供更大的温差电动势，新型的热电堆采用薄膜技术制成，可称为薄膜型热电堆。热电堆图1-23热电堆示意图3.气动探测器气体在体积保持一定的条件下吸收红外辐射后引起温度升高，压强增大。压强增加的大小与吸收的红外辐射功率成正比，由此，可测量被吸收的红外辐射功率。利用上述原理制成的红外探测器叫做气体探测器。高莱管就是一种典型的气体探测器。高莱管工作原理：当辐射通过红外窗口到吸收膜上时，膜吸收辐射并传给气室的气体，气体温度升高，压力增大，柔镜膨胀。为了测出它的移动量，另用一光源将投射到柔镜背面的反射膜上。在没有辐照时，气室内气压稳定，柔镜处于正常状态，由柔镜背面反射的光因被光栅遮挡照射不到光电管上。当有辐照时，辐射透过窗口照射到吸收膜，吸收膜将吸收的能量传给气室，气室温度升高，气压增大，柔镜膜片变形，从而引起反射光线的移动，通过光栅到达光电管的光强发生变化，由此可检测红外辐射的强弱。4.热释电探测器有些晶体，如硫酸三甘肽，钽酸锂和铌酸锶钡等，当受到红外辐射时，温度升高，在某一晶轴方向上产生电压。电压大小与吸收红外辐射的功率成正比。热释电红外传感器在热辐射能量发生改变时，会产生电荷变化。这个效应被用来探测红外辐射的变化。这些热释电传感器应用于人体移动探测器，被动红外防盗报警器，以及自动灯开关。基于同样的原理，热释电传感器通过红外吸收方法，应用于气体探测。热释电探测器的特点·低噪声，高响应度·优异的共模平衡-双单元类型·TO-39，TO-5封装·各种滤波器窗口供宽带或者窄带应用·单通道或者双通道器件·双元或者四元器件应用于防盗产品·单元器件带热补偿典型应用·被动红外防盗报警：Lhi968，对强烈的白光以及电磁辐射具有优异的抗干扰性能。·人体移动探测：·天花板安装人体探测·气体分析·非接触红外测量小结：热探测器是一种对一切波长的辐射都具有相同响应的无选择性探测器。但实际上对某些波长的红外辐射的响应偏低，等能量光谱响应曲线并不是一条水平直线，这主要是由于热探测器材料对不同波长的红外辐射的反射和吸收存在着差异。物体吸收辐射，晶格振动加剧，辐射能转换成热能，温度升高。由于物体温度升高，与温度有关的物理性能发生变化。这种物体吸收辐射使其温度发生变化从而引起物体的物理、机械等性能相应变化的现象称为热效应。利用热效应制成的探测器称为热探测器。1.1.2光子探测器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。这些现象统称为光子效应。测量光子效应的大小可以测定被吸收的光子数。利用光子效应制成的探测器称为光子探测器。1.光电子发射器件（外光电效应）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，属于外光电效应。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。光电倍增管的应用场合将微弱光信号转换成电信号的真空电子器件。光电管通常用于自动控制、光度学测量和强度调制光的检测。如用于保安与警报系统、计数与分类装置、影片音膜复制与还音、彩色胶片密度测量以及色度学测量等。光电倍增管用在光学测量仪器和光谱分析仪器中。它能在低能级光度学和光谱学方面测量波长200～1200纳米的极微弱辐射功率。闪烁计数器的出现，扩大了光电倍增管的应用范围。激光检测仪器的发展与采用光电倍增管作为有效接收器密切有关。电视电影的发射和图像传送也离不开光电倍增管。光电倍增管广泛地应用在冶金、电子、机械、化工、地质、医疗、核工业、天文和宇宙空间研究等领域。图1-26光电倍增管原理图光电管由真空管壳内的光电阴极和阳极所构成（图中a）。阳极相对阴极为正电位。光或辐射照射阴极时，阴极发射光电子。光电子在电场的作用下到达阳极，在电路中产生光电流。光电倍增管由真空管壳内的光电阴极、阳极以及位于其间的若干个倍增极构成（图中b）。工作时在各电极之间加上规定的电压。当光或辐射照射阴极时，阴极发射光电子，光电子在电场的作用下逐级轰击次级发射倍增极，在末级倍增极形成数量为光电子的106～108倍的次级电子。众多的次级电子最后为阳极收集，在阳极电路中产生可观的输出电流。2.光电导探测器当半导体吸收入射光子后，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，是目前，它是种类最多应用最广的一类光子探测器。光电导探测器的分类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的种类较少，主要的有响应于1~3微米波段的FbS、响应于3~5pm波段的PbSe和PbTe(PbTe探测器，有单晶型和多晶薄膜型两种)。单晶型光电导探测器，早期以锑化铟(InSb)为主，只能探测7微米以下的红外辐射，后来发展了响应波长随材料组分变化的锑镉汞(Hg1-xCdxTe)和锑锡铅(Pb1-xSnxTe)三元化合物探测器，在77K温度下对8到14微米波段的红外辐射的探测率很高。3.光伏探测器p-n结及其附近吸收光子后产牛电子和空穴。在结区外，它们靠扩散进入结区；在结区内，则受结的静电场作用电子漂移到n区，空穴漂移到p区。n区获得附加电子，p区获得附加空穴，结区获得一附加电势差。它与p-n结原来存在的势垒方向相反，这就要降低p-n结原有的势垒高度，使得扩散电流增加，直到达到新的平衡为止。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，用灵敏电流计可以测量出来；如果p-n结两端开路，可用高阻毫伏计测量出光生伏特电压。这就是p-n结的光伏效应。利用光伏效应制成的红外探测器称为光伏探测器(简称PV器件)。4.光磁电探测器在样品横向加一磁场，当半导体表面吸收光子后所产生的电子和空穴随即向体内扩散，在扩散过程中由于受横向磁场的作用，电子和空穴分别向样品两端偏移，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PEM器件)。小结：光电子发射属于外光电效应。光电导、光生伏特和光磁电三种属于内光电效应。光子探测器能否产生光子效应，决定于光于的能量。入射光子能量大于本征半导体的禁带宽度Eg(或杂质半导体的杂质电离能Ed或Ea)就能激发出光生载流子。入射光子的最大波长(也就是探测器的长波限)与半导体的禁带宽度Eg有如下关系：1.1.3热探测器与光子探测器性能比较光子探测器主要是测出光子的吸收速率，而热探测器是测出能量的吸收速率，所以它们对辐射的响应的形式是不同的。热探测器对各种波长的辐射都有相应，而光子探测器只对它长波限的一段波长区间有响应。热探测器一般在工作时不需要冷却，而光子探测器多数需要冷却。热探测器的响应速度一般低于光子探测器，而响应时间长于光子探测器。热探测器的性能与器件的尺寸、形状、工艺细节等有很大关系，因此要求有高的工艺水平，产品性能不容易稳定，情况有点类似与薄膜型光子探测器，而单晶型的光子探测器，无论在单晶生长、器件制造工艺及物理机构等方面都比较清楚、先进、定型，产品能够规格化。1.2红外探测器的性能参数光电系统一般都是围绕光电探测器的性能进行设计的，而探测器的性能由特定工作条件下的一些参数来表征。实际参量参考参量测量条件1.2.1探测器的主要工作条件光电探测器的性能参数与其工作条件密切相关，在给出性能参数时，要注明有关的工作条件。这一点很重要，因为只有这样，光电探测器才能互换使用。主要工作条件有：1．入射辐射的光谱分布2．电路的频率范围3．工作温度4．光敏面的形状尺寸5．偏置情况6.特殊工作条件1.入射辐射的光谱分布很多光电探测器（特别是光子探测器），其响应是辐射波长的函数。仅对一定的波长范围内的辐射有信号输出，称为光谱响应，它决定了探测器探测特定目标的有效程度。在说明探测器的性能时，一般都需要给出测定性能时所用辐射源的光谱分布。如果辐射源是单色辐射，则需给出辐射波长。假如辐射源是黑体，那么要指明黑体的温度。当辐射经过调制时，则要说明调制频率。2.电路的频率范围因噪声限制了探测器的极限性能(后面将详细讨论)。噪声电压或电流均正比于带宽的平方根，有些噪声还是频率的函数。在描述探测器的性能时，必须明确通频带和带宽。3.工作温度许多探测器，特别是用半导体