1、53第三章紅外探測器3.1 紅外探測器特性參數3.1.1 紅外探測器分類紅外探測器是一種輻射能轉換器，主要用于將接收到的紅外輻射能轉換為便 于測量或觀察的電能、熱能等其他形式的能量。根據能量轉換方式，紅外探測器 可分為熱探測器和光子探測器兩大類。熱探測器的工作機理是基于入射輻射的熱效應引起探測器某一電特性的變化，而光子探測器是基于入射光子流與探測材料相互作用產生的光電效應，具體表現為探測器響應元自由載流子（即電子和/或空穴）數目的變化。由于這種變 化是由入射光子數的變化引起的，光子探測器的響應正比于吸收的光子數。而熱 探測器的響應正比與所吸收的能量。熟探測器的換能過程包括：熱阻效應、熱伏效應、

2、熱氣動效應和熱釋電效應 等。光子探測器的換能過程包括：光生伏特效應、光電導效應、光電磁效應和光 發射效應等。各種光子探測器、熱探測器的作用機理雖然各有不同，但其基本特性都可用 等效噪聲功率或探測率、響應率、光譜響應、響應時間等參數來描述。3.1.2 等效噪聲功率和探測率我們將探測器輸出信號等于探測器噪聲時，入射到探測器上的輻射功率定義 為等效噪聲功率，單位為瓦。由于信噪比為1時功率測量不太方便，可以在高信 號電平下測量，再根據下式計算：NEPHAdVs/VnPVs/Vn(3.1 )其中 H :輻照度，單位W/cm2；Ad :探測器光敏面面積，單位cm2 ;Vs： 信號電壓基波的均方根值，單位

3、V;Vn :噪聲電壓均方根值，單位V ；由于探測器響應與輻射的調制頻率有關，測量等效噪聲功率時，黑體輻射 源發出的輻射經調制盤調制后，照射到探測器光敏面上，輻射強度按固定頻率作 正弦變化。探測器輸出信號濾除高次諧波后，用均方根電壓表測量基波的有效值。必須指出：等效噪聲功率可以反映探測器的探測能力，但不等于系統無法探 測到強度弱于等效噪聲功率的輻射信號。如果采取相關接收技術，即使入射功率 小于等效噪聲功率，由于信號是相關的，噪聲是不相關的，也是可以將信號檢測 出來的，但是這種檢測是以增加檢測時間為代價的。另外，強度等于等效噪聲功率的輻射信號，系統并不能可靠地探測到。在設計系統時通常要求最小可探測

4、功 率數倍于等效噪聲功率，以保證探測系統有較高的探測概率和較低的虛警率。輻 射測量系統由于有較高的測量精度要求，對弱信號也要求有一定的信噪比。等效噪聲功率被用來度量探測器的探測能力，但是等效噪聲功率最小的探測 器的探測能力卻是最好的，很多人不習慣這樣的表示方法。Jones建議用等效噪聲功率的倒數表示探測能力，稱為探測率，這樣較好的探測器有較高的探測率。 因此，探測率可表達為：D 二 nEp(3.2)探測器的探測率與測量條件有關，包括:入射輻射波長；-探測器溫度；調制頻率；-探測器偏流；-探測器面積；測量探測器噪聲電路的帶寬；- 光學視場外熱背景。為了對不同測試條件下測得的探測率進行比較，應盡量

5、將測試條件標準化。采取的做法是：- 輻射波長、探測器溫度由于探測率和波長之間，探測率和探測器溫度之間，在理論上無明顯關 系，波長和制冷溫度只能在測量條件中加以說明。- 輻射調制頻率解決探測率隨調制頻率變化的最簡單的方法是將頻率選得足夠低，以避開探測器時間常數帶來的限制。 或注明調制頻率。- 探測器偏流：一般調到使探測率最大。- 探測器面積和測量電路帶寬廣泛的理論和實驗研究表明，有理由假定探測器輸出的信噪比與探測 器面積的平方根成正比，即認為探測率與探測器面積的平方根成反比。探測 器輸出噪聲包含各種頻率成分，顯然，噪聲電壓是測量電路帶寬的函數。由 于探測器總噪聲功率譜在中頻段較為平坦， 可認為測

6、得的噪聲電壓只與測量 電路帶寬的平方根成正比，即探測率與測量電路帶寬的平方根成反比。 因此,可定義：D* =D(AdAf)1/2 =(Ad&f)(3.3)NEP單位：cm Hz1/2 W,(Jones)D*的物理意義可理解為1瓦輻射功率入射到光敏面積1厘米2的探測器上，并用帶寬為1赫電路測量所得的信噪比。D是歸一化的探測率，稱為比探測率，讀作D星。用D*來比較兩個探測器的優劣，可避免探測器面積或測量帶寬不同對測量結果的影響。比探測率和前面介紹的探測率定義上是有區 別的，但由于探測率未對面積、帶寬歸一化，確實沒有多大實用意義，一般文獻報告中都不把D*稱之為“比探測率”，而是稱為“探測率”

7、，這只是一種 約定俗成的做法。3.1.3單色探測率和D雙星3.1.3.1 黑體探測率和單色探測率測量D時如米用黑體輻射源，測得的D稱為黑體D ,有時寫作D bb。為了進一步明確測量條件，黑體D*后面括號中要注明黑體溫度和調制頻率。如D*bb(500K,800)表示是對500K黑體，調制頻率為800Hz所測彳4的D*值。測量時如用單色輻射源，測得的探測率為單色探測率，寫作D*Io3.1.3.2 D 雙星背景輻射對紅外探測器至關重要，為了減少光學視場外熱背景(如腔體)無 規則輻射在探測器上產生的噪聲， 往往在探測器外加一個冷屏。從探測器中心向 冷屏孔的張角叫探測器視角。設置冷屏能有效地減少了背景光

8、子通量， 增加探測 率。但是這并不意味探測器本身性能的提高， 而是探測器視角的減小。而視角減 小將影響光學系統的聚光能力。可定義D雙星，對探測器視角進行歸一化處理，2* *i /*D =二D(3.4)山單位：cm Hz1/2 W 1式中：Q為探測器通過冷屏套所觀察到的立體角,n是半球立體角未加冷屏時，探測器在整個半球接收光子，C=n, D*等于D*。D雙星實際上是將測得的探測率折算為半球背景下的探測率，這樣可真實反映探測器本身 的探測性能。D雙星對紅外探測器研制者有指導意義，在工程中不常使用。制造商提供的 紅外探測器的探測率通常是指含冷屏的探測器組件的探測率。使用者只須注意探 測器的視角是否會

9、限制光學系統的孔徑角，以及冷屏的屏蔽效率。3.1.4 背景噪聲對探測率的限制光子探測器和熱探測器比探測率的最終極限將受背景噪聲的限制。對于光電導型探測器，D *的理論極大值為：1/21/2D； J =2.52黑1018，二(3.5)2hc QbQb式中：h為普朗克常數，c為光速，九為波長(微米)，。為量子效率,Qb為入射到探測器上的半球背景光子輻射發射量。對于光伏探測器，由于沒有復合噪聲，上式應乘 V2 ,即1/2D； =3.56 父1018?二 J(3.6)Qb光子探測器已有不少接近背景限對于熱探測器，背景輻射的起伏將引起探測器溫度的起伏，并且探測器本身 輻射也將引起統計性溫度起伏。如果信號

10、輻射引起的溫度變化低于這兩種溫度起 伏，就探測不到信號輻射。溫度起伏也是一種噪聲，受溫度噪聲限制的熱探測器 的等效噪聲功率為：NEP = .4kTd2Gf(3.7)式中：G為響應元與周圍環境的熱導。2在300K時，如響應兀面積1mm帶寬1Hz, D極限值為：_ *_101/21D =1.81 10 cm Hz W目前，熱敏電阻探測器由于受1/f噪聲和電阻熱噪聲的限制，其探測率與極 限值尚差兩個數量級。但是對熱釋電探測器來說，由于它不是電阻性器件而是可看作電容性器件，不受熱噪聲限制，電流噪聲也較小，因此它的探測率與極限值 相差已不到一個數量級。3.1.5響應率等于單位輻射功率入射到探測器上產生的

11、信號輸出。 響應率一般以電 壓形式表示。對以電流方式輸出的探測器，如輸出短路電流的光伏探測器，也可 用電流形式表示。電壓響應率Rv = 三 v（3.8）HAd P(3.9)單位為V/W電流響應率單位為A/W因為測量響應率時是不管噪聲大小的， 可不注明只與噪聲有關的電路帶寬。 響應率與探測器的響應速度有關，光子探測器的頻率響應特性如同一個低通濾波 器。在低頻段響應較為平坦，超過轉角頻率后響應明顯下降。 一般均在低頻下測 量響應率，以消除調制頻率的影響。表面上看，只要探測率足夠高，探測器輸出有足夠的信噪比，信號較弱是 可以用電路放大的方法彌補的。實際上響應率過低，就必須提高前置放大器的放 大倍率，

12、高倍率的前置放大器會引入更多噪聲， 如選用探測率較低但響應率高的 探測器，系統的探測性能可能更好一些。因此，對系統設計者來說，探測器的響 應率和探測率是同樣值得關注的。1.1.6 光譜響應、 一. - - ， *探測器的光譜響應是指探測器受不同波長的光照射時，其R、D隨波長變化的情況。設照射的是波長為 兒的單色光，測得的R、D*可用R、D*表示， 稱為單色響應率和單色比探測率，或稱為光譜響應率和光譜比探測率。如果在某一波長仆處，響應率、探測器達到峰值，則 端稱為峰值波長，而R7、D*分別稱為峰值響應率和峰值比探測率。此時的 D*可記做D*（M，f）,注p明的是峰值波長和調制頻率，而黑體比探測率

13、 D （Tbb，f）注明黑體溫度和調制頻率。如以橫坐標表示波長，縱坐標為光譜響應率，則光譜響應曲線表示每單位 波長間隔內恒定輻射功率產生的信號電壓。 有時縱坐標也可表示為對峰值響應歸 一化的相對響應。圖3.1光子探測器和熱探測器的光譜響應曲線光子探測器和熱探測器的光譜響應曲線是不同的，理想情況如圖所示。熱 探測器的響應只與吸收的輻射功率有關，而與波長無關，因為其溫度的變化只取 決于吸收的能量。對于光子探測器，僅當入射光子的能量大于某一極小值h底時才能產生光電效應。也就是說，探測器僅對波長小于 葭，或者頻率大于Vc的光子才有響應。光子探測器的光譜響應正比于入射的光子數，由于光子能量與波長九成正比

14、，在單位波長間隔內輻射功率不變的前提下，入射光子數同樣與波長成正比。因此，光子探測器的響應響應隨波長 九線性上升，然后到某一截止波長 黑突然下 降為零。理想情況下，光子探測器的光譜比探測率 D*可寫成：一 _ _* 兒 *當 九D'=D血c c、" _* 一當c D . 00理想情況下，截止波長 &即峰值波長Kp。實際曲線稍有偏離。例如光子探測器實際光譜響應在峰值波長附近迅速下降，一般將響應下降到峰值響應的50%處的波長稱為截止波長7“。系統的工作波段通常是根據目標輻射光譜特性和應用需求而設定的，則選用的探測器就應該在此波段中有較高的光譜響應。因為光子探測器響應截止的

15、斜率很陡，不少探測器的窗口并不鍍成帶通濾光片， 而是鍍成前截止濾光片，可起到 抑制背景的效果。1.1.7 響應時間當一定功率的輻射突然照射到探測器上時，探測器輸出信號要經過一定時間才能上升到與這一輻射功率相對應的穩定值。當輻射突然去除時，輸出信號也要經過一定時間才能下降到輻照之前的值。 這種上升或下降所需的時間叫探測器 的響應時間，或時間常數。響應時間直接反映探測器的頻率響應特性，其低通頻響特性可表示為:RfRo-2 £ 2 2 1/2(1 4 二 f )(3.10)式中Rf為調制頻率為f時的響應率，Ro為調制頻率為零時的響應率，工是探測器響應時間。當f遠小于1/2型,響應率就與頻率

16、無關，f遠大于1/2型時, 響應率和頻率成反比。系統設計時，應保證探測器在系統帶寬范圍內響應率與頻率無關。由于光 子探測器的時間常數可達數十納秒至微秒， 所以在一個很寬的頻率范圍內，頻率 響應是平坦的。熱探測器的時間常數較大，如熱敏電阻為數毫秒至數十毫秒， 因 此頻率響應平坦的范圍僅幾十周而已。在設計光機掃描型系統時，探測器的時間常數應當選擇得比探測器在瞬時視 場上的駐留時間為短，否則探測器的響應速度將跟不上掃描速度。 當對突發的輻 射信號進行檢測時，則應根據入射輻射的時頻特性，選擇響應速度較快的探測器。 如激光功率計在檢測連續波激光時， 探頭的探測器可以用響應較慢的熱電堆， 檢 測脈沖激光時

17、則必須用響應速度較快的熱釋電探測器，如果激光脈寬很窄，需要用光子探測器檢測。3.2 光子探測器3.2.1 光電效應概述光子探測器是最有用的紅外探測器， 它的工作機理是光子與探測器材料直接 作用，產生內光電效應。因此，光子探測器的探測率一般比熱探測器要大1至2個數量級，其響應時間為微秒或納秒級。光子探測器的光譜響應特性與熱探測器 完全不同，通常需要制冷至較低溫度才能正常工作。按照普朗克的量子理論，輻射能量是以微粒形式存在的，這種微粒稱為光子或量子。一個光子的能量是hcE =h (3.11)當入射光子與金屬中的電子碰撞時，則將能量傳遞給電子。如果電子獲得光 子全部能量，則光子不復存在。如果電子獲得

18、的能量大到足以使其穿過表面的勢 壘，就能從表面逸出。這一效應稱為外光電效應或光電子發射效應。電子逸出所需做的功與材料特性有關。由于光子能量隨頻率而變，故存在一 個長波限，或稱為截止波長。超過截止波長的光子的能量均低于逸出功， 不足以 產生自表面逸出的自由電子。因此，光發射探測器的響應只能延伸到近紅外的一 個小范圍。波長大于1.2微米的光子的能量雖然不足產生電子發射，但存在內光電效應。光子傳遞的能量使電子從非導電狀態變為導電狀態， 從而產生了載流子。載流子 的類型取決于材料的特性，這些材料幾乎都是半導體。如果材料是本征的，即純 凈的半導體，一個光子產生一個電子空穴對，它們分別是正、負電荷的攜帶者

19、。如果材料是非本征，即摻雜的半導體，光子則產生單一符號的載流子，或為正， 或為負，不會同時產生兩種載流子。如果在探測器上加電場，則流過探測器的電 流將隨載流子數量的變化而變化，稱為光電導效應。如果光子在p-n結附近產生空穴一電子對，結間的電場就使兩類載流子分開， 而產生光電壓，稱為光生伏打效應。光生伏打型的探測器不需要外加偏壓，因為 p-n已提供了偏壓。當電子一空穴對在半導體表面附近形成時，它們力圖向深處擴展，以重新建 立電中性。如果在這一過程中加上強磁場，就使兩種載流子分開而產生光電壓， 稱為光電磁效應。3.2.2 固體能帶理論固體能帶理論是表示固體中電子能量分布方式的一種簡便方法，扼要介紹

20、一下這一理論，可有助于理解探測器內部產生的光電效應。在簡單的波爾原子模型中，繞原子核旋轉的電子被限制在分立的能級上，它 們各有各的軌道直徑。除非原子被激發，電子都占據著較低的能級。固體的原子 靠得很近，由于量子力學的結果，單個原子的分立能級擴展成近于連續的能帶， 這些能帶被電子的禁帶所隔離。最低的能帶是完全充滿的，稱為階帶。下一個較 高的能帶，不管是占據或未占據有電子，都稱為導帶。只有導帶中的電子對材料 的電導率才有貢獻。導電體、絕緣體和半導體有不同的能帶結構。導電體的明顯標志是導帶沒有 被電子全部占據。絕緣體的電子剛好占據了階帶中的全部能級，導帶是空的，禁帶很寬，階電子不可能獲得足夠的能量升

21、到導帶中去。從電特性看，半導體的導電率介于絕緣體和金屬之間。純凈的本征半導體的 禁帶相對窄一些，僅有幾分之一電子伏特，而絕緣體的禁帶是3電子伏特或更大 些。因此，即使在室溫下，半導體的一些階電子也能獲得足夠的能量，躍過禁帶 而到達導帶。這些電子原來占據的位置成了正電荷， 稱為空穴。存在電場或磁場 時，空穴像電子一樣流過材料，然而兩者流動的方向相反。在純凈半導體中，一個電子被激發到導帶，則產生電子空穴對載流子，兩者 貢獻各自的電導率。本征半導體材料有錯單晶、硅單晶以及按化學計算比例構成 的化合物。典型的光伏型本征探測器有 Si, Ge, GaAs, InSb, InGaAs,和HgCdTe (M

22、CT)等，光導型本征探測器有PbS PbSe和MCT禁帶濟殖增a全占即豳越=丁丁竹港博的)導電體利本征半導體，等本征半導體非聿征半導體(p-S>圖3.2導體、絕緣體、半導體的固體能帶截止波長再長的探測器，要求材料的禁帶寬度比本征半導體還要小。減小禁 帶寬度的一般方法，是在純凈半導體中加入少量的其它雜質， 稱為摻雜，所得材 料稱為非本征半導體。在非本征材料中，只有一種載流子提供導電率，n型材料的載流子是電子，而p型的是空穴。許多紅外探測器都用錯、硅作為非本征材料的主體材料，可表示為SiX、GeX< 錯、硅原子有4個階電子，它們和4個周圍的子構成共價鍵。如果把3個價電子 的雜質原子摻到

23、錯中，則產生一個過剩的空穴。由于雜質能級恰好靠近主體材料 價帶的頂部，所以，電子從價帶躍遷到雜質空穴，只需要很小的能量。留在價帶 中的空穴成為載流子，材料則是p型的。與此類似，如果摻入有5個或更多價電 子的雜質，摻雜后成為n型材料。n型、p型材料原則上都可用來制作紅外探測 器,通常用的還是p型材料，摻入的雜質有劍、神、錢、鋅等。3.2.3 光導探測器光電導探測器的機理是探測器吸收了入射的紅外光子，產生自由載流子，進 而改變了敏感元件的電導率。可以對光導探測器加一個恒定的偏流， 檢測電導率 的變化。入射先/圖3.3光導探測器結構模型和信號輸出敏感元件的電阻可表示為：Rd =(3.11)二 Ad式

24、中l為長度，Ad為敏感元面積，仃為電導率光導探測器響應率正比于光照后電導率的相對變化，而后者又可表示為:(3.12)式中：。為量子效率，丁為自由載流子壽命;R為遷移率，e是電子電荷量，d為探測器厚度。從式中可看出，高響應率要求探測器有較高的量子效率，自由載流子壽命長， 遷移率高，厚度應最小。自由載流子壽命取決于復合過程， 在一定程度上可由材 料配方和雜質含量來控制。自由載流子壽命是一個極其重要的參數， 除影響響應 率外，還影響探測器的時間常數。高響應率還要求探測器在無光子輻照時有較低的電導率，即將非光子效應產生的載流子數降低到最小。對長波響應的探測器材料，必須有小的禁帶寬度，但 禁帶寬度小，在

25、室溫下，無光照就會產生大量熱激發載流子， 只能通過致冷探測 器來解決。一般來講，如不致冷的話，大多數光電導探測器的響應波段不會超過 3微米。響應波段在3到8微米的，要求中等致冷（77K）。響應超過8微米的， 要求致冷到絕對溫度幾度。當光導探測器面積一定時，高響應率需要高的量子效率，以便進可能利用所 有入射光子，可在敏感元后面設反射器或敏感元表面鍍增透膜。CPERATIMG CIRCUITRiDETECTORTypical circuitry圖3.4典型的光導探測器前置放大電路光導器件前放的典型電路如上圖。光導探測器的輸出阻抗較低，要求毫安級 的恒流偏置，實際做法是用恒壓源經一個串聯的負載電阻產

26、生所需的偏流。負載電阻阻值應遠大于探測器內阻，電壓源要求低紋波，避免引入噪聲。探測器輸出 通過電容耦合到前置放大器，由于前放輸入通常為毫伏級的弱信號， 前放放大倍 數高達數千倍，前放應有較低的噪音系數，設計中一般要求前放的等效輸入電壓 噪聲為探測器的1/10 ,即認為此時可忽略放大器本身噪聲的影響。設計一個與 探測器源阻抗相匹配的前置放大器，盡量降低噪音系數，是十分重要的。3.2.4 光伏探測器光伏探測器利用光生-伏打效應。在光伏過程中，半導體內部或半導體表面 存在一個p-n結。入射光子產生電子空穴對，然后被結上的電場分開，在探測器 輸出開路情況下可形成光電壓。如將探測器輸出短路，可產生短路電

27、流。光伏探 測器受到輻照后，其伏安特性曲線特性將會下移。入對鋁笆i p里I： d f :, fc-lI j,背電棍K型圖3.5光伏探測器結構模型和伏安特性設信號的輻射通量為*s,則光電流為：I = e s (3.13)式中：”為量子效率，e為電子電荷量使用時可選擇合適的工作點。一般說來，光伏探測器工作于短路狀態時，即 零偏壓狀態，能產生最佳信噪比。有時也對光伏探測器加適當的反向偏置。 加反 向配置能增加耗盡層的厚度，從而減小時間常數，探測器有較好的高頻特性。探測器開路狀態工作時，后接放大器應有較高的輸入阻抗，可對光伏器件輸 出開路電壓Vo進行電壓放大。如光伏探測器工作于短路狀態，輸出短路電流I

28、sc, 后接放大器的輸入阻抗應很低，可采用如圖所示的電流一電壓放大電路。OPERATING CIRCUITTypical circuitry圖3.6典型的光伏探測器前置放大電路光伏探測器在理論上能達到的最大探測率比光電導探測器大40%。另外，光伏探測器能零偏置工作，由于是高阻抗器件，即使加反向偏置，偏置功耗很低。與同樣為高阻抗的CMOS?出電路也容易匹配。因此，紅外焦平面探測器至今均 是光伏型的。光伏器件即可用于輻射探測，也可用作能量轉換。如太陽電池或光電池就是 在不加偏置電壓條件下工作的，其工作點在伏安曲線的第四象限，工作機理也是 光生-伏打效應，只是器件結構更注重能量的轉換效率而已。3.2

29、.5 光電磁探測器光電磁探測器由本征半導體材料薄片和稀土永久磁鐵組成，入射光子產生的電子空穴對被外加磁場所分開，它不需要電偏置。這類探測器不需致冷，可響應 到7微米。主要特點是時間常數很小，可小于 1ns。由于光電磁探測器的探測率 比光導和光伏型的低得多，一般很少使用。圖3.7光電磁效應示意圖3.2.6 光發射探測器光發射探測器通常指能產生外光電效應的器件，這類探測器在可見、短波紅 外有很高的靈敏度，響應波長可達1.5um。光電倍增管就是一種利用光電發射效 應的探測器，可用于弱光（光照度102106Lx）、微弱光（光照度小于106Lx）的檢測，具有高響應速度，高靈敏度等特點。光電倍增管由光電陰

30、極、陽極和819級倍增級組成。入射光子為光電陰極 材料表面所吸收后，有自由電子從表面逸出。發射的電子加速打到另一個電極上， 在電極上每一個電子會產生許多二次電子。這些電子又依次加速打到第三電極， 并多次重復這一過程，得到很高的內部放大增益。前級 >1 一 中間級 ！ 一 i /末級qhLJ -一Dr.Eil-3O-HZZPCZP-HV信號輸出Rj-lRn-2Cir3 Cir2 Cn-1圖3.8光電倍增管結構示意硅化鋁（PtSi）探測器也是一種光發射探測器，與光電倍增管不同，金屬鋁吸收光 子后，將載流子發射到半導體材料中。3.2.7 量子阱探測器量子阱紅外光子探測器（QWIP是由非常薄的G

31、aA列AlxGa-xAs晶體層交疊 而成的，在內部形成多個量子阱。采用分子束外延技術可將GaAs AlxGa-xAs晶體層的厚度控制到幾分之一的分子層的精度。GaAs材料的帶隙為1.35電子伏特，通常不能制造波長大于 0.92微米的探測器。但量子阱內電子可處于基態或 初激發態，即處于兩種子能帶，子能帶之間的帶隙較小。在光子激發下，電子由 基態躍遷到初激發態。器件的結構參數可保證受激載流子能從勢阱頂部逸出。并 在電場的作用下，被收集為光電流。圖3.9量子阱光子探測器工作原理QWIR向應的峰值波長是由量子阱的基態和激發態的能級差決定的，它的光譜響應與本征紅外探測器不同，QWIP勺光譜響應峰較窄，較

32、陡。但它的峰值波長、 截止波長可以靈活、連續地剪裁，在同一塊芯片上制造出雙色、多色的成像面陣。G3BAS EP QUIP SPECTRITMSWaVILIW CTKGaAs AKUA* BAStD QXVEP CAN COVER AVERY B ROAD INFIL4RED 25 jim REGION圖3.10 GaAs/AlGaAs量子阱探測器光譜響應與其它光子探測器相比，QWIP獨特之處首先在于它的響應特性可通過制造理 想的束縛能級的方法來修正。改變晶體層的厚度可改變量子阱的寬度，改變 AlGaAs合金中Al的分子比，可改變勢阱高度，從而在較大范圍內調整子能帶之 間的帶隙，探測器就可以響應

33、 3至20微米的輻射。其次，它獲得真正的“無噪 聲”固態光電倍增效應。由于QWI次用了 GaAs生長和處理的成熟技術，可以制作成大規模的成像面 陣。“度身定制”的量子阱陣列完全可以做到：每個探測器具有要求的峰值響應， 并且陣列中的每一個探測器可以和一個獨立的光電倍增管相連。這樣的陣列就好像是一個大數目的光電倍增管，不同的是它有高的量子效率，可以工作在較長波 長，并有較小的結構尺寸和較低的功耗。量子阱探測器的缺點是光譜響應峰較窄，因此，研制寬波段的紅外大規模面 陣是發展趨勢，如814微米、100萬象素的量子阱成像面陣。可以預見，屆時 紅外相機和可見光CMOS!機的差距將大大縮小。3.3 熱探測器

34、3.3.1 熱電效應熱探測器也通稱為能量探測器，其原理是利用輻射的熱效應，通過熱電變換 來探測輻射。入射到探測器光敏面的輻射被吸收后， 引起響應元的溫度升高，響 應元材料的某一物理量隨之而發生變化。 利用不同物理效應可設計出不同類型的 熱探測器，其中最常用的有電阻溫度效應（熱敏電阻）、溫差電效應（熱電偶， 熱電堆）和熱釋電效應。由于各種熱探測器都是先將輻射轉化為熱并產生溫開，而這一過程通常很慢，熱探測器的時間常數要比光子探測器大得多。 熱探測器性能也不象光子探測 器那樣有些已接近背景極限。即使在低頻下，它的探測率要比室溫背景極限值低 一個數量級，高頻下的差別就更大了。因此，熱探測器不適合用于快

35、速、高靈敏 度的探測。熱探測器的最大優點是光譜響應范圍較寬且較平坦。3.3.2 熱敏電阻嚴格地說，利用輻射熱效應而引起電阻變化的熱探測器應稱之為測熱輻射計 （Bolometer）,俗稱熱敏電阻。出&爐應帆射享 1;圖3.11使用熱敏電阻的輻射熱測量電路當用橋式測量電路時，兩個熱敏電阻具有相同的溫度特性，分別用于測量和 補償。當環境溫度變化時，不會破壞電橋的平衡。用較為簡單的測量電路時，只 有熱敏電阻電壓的變化量才能通過耦合電容傳給信號放大電路。當照射到熱敏電阻的輻射發生變化時，引起溫度變化有一個時間延遲，此延 遲取決于熱敏電阻內部的熱學結構。用熱平衡方程可表達為：d.：TdCk Ge，

36、(3.14)式中：中入射輻射功率增量，W；Td探測元溫度增量，K；Ge探測元有效熱導，WKC探測元熱容，JK-1.公式的物理意義是：入射的輻射功率一部分通過傳導和輻射方式耗散，具 體取決于探測元的熱導。另一部分以蓄熱方式儲存起來，該部分取決于探測元的 熱容。如入射輻射按正弦變化。該微分方程的穩定解為:.訂(3.15)響應元電阻變化為Rd ：. ；中 0艮=1Rd： = d 2 J= (3.16)Ge 1式中：Rd響應元電阻，a溫度系數，8響應元比輻射率(即吸收率)T % 熱容與有效熱導之比，即熱時間常數，單位秒。此公式與RC低通濾波電路的表達形式很相似， 只是RC電路的時間常數為電 容和電阻乘

37、積，即電容與電導之比。公式清楚地表明：要減小熱時間常數，響應元應有較小的熱容和較大的熱導 (或較小的熱阻)。但是，熱導大即熱阻小，意味著同樣的入射輻射功率產生較 小的溫開，就會影響響應率。因此，熱敏電阻響應元通常具有薄片狀結構，以增 大接收面積和減小熱容量。用熱特性不同的基片，熱敏電阻的時間常數可為1毫秒至50毫秒。熱敏電阻通常由高溫度系數的金屬氧化物燒結而成，由于材料 本身吸收不是很好，制作時必須黑化。熱敏電阻噪聲主要是1/f噪聲和熱噪聲。對于有最佳信噪比的大偏置電流的情況，主要是1/f噪聲。偏置電流足夠小時，熱噪聲起主要作用。此時，熱敏 電阻的噪聲譜是平的，僅依賴于響應元的電阻和溫度。3.

38、3.3 熱電偶和熱電堆當加熱兩種不同材料的接點處時，將在開路的兩端產生以電壓，這就是熱伏 效應。這個接點就稱為熱電偶，由一個以上熱電偶組成的響應單元叫熱電堆。H 導電體c J1十 一一1/2圖3.11熱電偶探測器結構熱電偶材料組合有鈿一銀、銅一康銅等，兩種不同的金屬絲連接成熱接點 J1, 固定在黑化的接收器上，接收器即響應元。冷接點 J2保持基準溫度Td o當響應元溫度從Td上升到Td +ATd時，熱接點J1也上升到同樣溫度，建立 的開路熱電電動勢為：Vo =PabTd =Pab£(3.17)其中Pab為兩種材料的熱電率，名為接收器的比輻射率，£為熱接點和響應元 熱阻之和。

39、開路情況下，對恒定的入射輻射的響應率為VoqR = = Pab為達到高響應率，響應元應有高吸收率，熱電偶材料應有高熱電率，并選用 高熱阻材料。對應交流入射功率的響應率為:(3.18)Pab£式中t =C£為時間常數，要減少響應時間必須減小熱容或減小熱阻，熱阻過小溫升也小，響應率會降低。所有熱探測器響應率和響應速度都受到熱結構的限 制，其時間常數有時就直接稱為熱時間常數。熱電堆的時間常數一般在幾十毫秒。除雙金屬結點處會產生熱伏效應外， 如果用兩塊N型和P型的半導體作電偶 對也會產生十分顯著的溫差效應，稱為Peltier 效應。Peltier 效應有可逆性，： 如果把兩種導體連

40、結成電偶對，當有直流電通過電偶對時，將在電偶對的兩端產 生溫差。改變電流的方向，可產生加熱效應或是致冷響應。反之，則會產生熱伏 效應。一般導體的Peltier 效應是不顯著的，用兩塊 N型和P型的半導體制作 電偶對的效應就比較顯著。用半導體熱電堆測量輻射功率的儀器稱為卡路里計， 其原理是將吸收的熱流轉換為可測量的電流。圖3.12用半導體熱電堆測量輻射功率3.3.4 熱釋電探測器凡是有自發極化的晶體，具表面會出現面束縛電荷。而這些面束縛電荷平時 被晶體內部和外部來的自由電荷所中和， 因此在常態下呈中性。如果交變的輻射 照射在光敏元上，則光敏元的溫度、晶片的自發極化強度以及由此引起的面束縛 電荷的

41、密度均以同樣頻率發生周期性變化。 如果面束縛電荷變化較快，自由電荷 來不及中和，在垂直于自發極化矢量的兩個端面間會出現交變的端電壓。cS1V"Jpfhf(5> 1515*t+51-3C5 S1S5 ti(£5/S1tS2 Cis)圖3.12熱釋電效應與所有熱探測器一樣，熱釋電探測器的工作原理可以用三個過程來描述：輻 射一熱為吸收過程，熱一溫度為加熱過程，溫度一電則為測溫過程。加熱過程與 熱敏電阻、熱電偶是類似的。根據熱平衡方程，對周期變化的紅外輻射響應元溫 升為：(3.19)式中： 正弦變化輻射功率峰值；與輻射角頻率；名 響應元比輻射率；-1G響應兀熱導，單位WK；%

42、 CG熱容與有效熱導之比，即熱時間常數，單位秒熱釋電探測器是一個電容性的低噪聲器件，等效電路可表達為:圖3.13熱釋電探測器的等效電路熱釋電電流與輻射角頻率、響應元面積、溫開成正比，可表達為：id =coPAd&Td其中：P稱為熱電系數。信號電壓 Vs =id Z =8PAdATdRe(1 +6、；廣2式中：Re、Ce分別為探測器和前放等效輸入電阻、等效電容;Te = ReCe電時間常數。將溫升結果代入V響應率 R =PAd Re22/222/21 . T I H e(3.20)G輻射角頻率、熱時間常數、電時間常數對熱釋電器件響應率的影響可歸納為:響應率為零，隨角頻率增加而增加;1/

43、T -1/ e響應率為常數;響應率與角頻率成反比。熱電探測器ATM與曲的對數關系曲線圖3.14熟、電時間常數對熱釋電器件頻率響應的影響熱釋電材料有單晶、陶瓷、薄膜等種類。單晶熱釋電晶體的熱釋電系數高， 介質損耗小，至今性能最好的熱釋電探測器大多選用單晶制作。如 TGS LATGS LiTaO3等。陶瓷熱釋電晶體成本較低，響應較慢。如入侵報警用PZT陶瓷探測器工作頻率為0.25Hz。薄膜熱釋電材料可以用濺射法、液相外延等方法制備。有些薄膜的自發極化取向率已接近單晶水平。由于薄膜一般可以做得很薄，因而對于制作高性能的熱釋電探測器十分有利。熱釋電探測器光譜響應范圍很寬，可以非致冷工作，已廣泛用于輻射

44、測量。由于探測器性能均勻，功耗低，成像型的熱釋電面陣有很好的應用前景。3.4 商用紅外探測器3.4.1 紅外探測器發展歷史40 年代后期到50 年代，為提高紅外探測器的靈敏度和效應速度，光子探測器得到迅速發展。PbS是第一種實用的紅外探測器，可響應至3微米，PbS在二次大戰中期間在德國發展起來的，并在戰爭中得到多種應用。40年代后期到50年代，發展了多種紅外探測器材料，例如利用35微米大 氣窗的PbSe,PbTe和InSb材料，它們響應波長都超過了 PbS同時出現了響應 在814微米大氣窗口和1430微米的長波大氣窗口非本征錯器件。50 年代末，首次提出III-V, IV-VI, 和 II-V

45、I 族半導體合金的概念，如英國人提出的HgCdTe#導體合金。這種合金允許調整與光譜響應所對應的半導體 禁帶寬度，滿足不同響應波段的需要，是至今應用最廣泛的材料。60 年代初， 由于光刻技術的應用，產生了第一個非本征鍺摻汞長波線列，并應用于紅外前視系統。60年代末和70年代初，發展了第一代HgCdTet導探測 器線列。 這類探測器允許長波紅外前視系統只采用一個單級致冷機，工作溫度為80K。這就使系統結構更為緊湊，輕便，功耗也大幅度下降。用于戰術應用的光 導HgCdT瞰列已大批生產了十多年。在此期間得到發展的還有非本征硅器件和 利用硅工藝的中波PtSi 器件。第一代探測器線列的每個探測元都有一根

46、獨立的信號引線引至室溫工作的前置放大器，由于引線必須通過真空杜瓦瓶壁，結構限制了第一代線列的元數必須少于200。英國發明的SPRITE器件，將普通的光導HgCdTeft術和信號的時間 延遲積分（TDI）揉合在單個延長的探測元上。盡管只是10元左右的線列，它提 供了一代半的技術。60年代后期，由于硅CCD勺發明，使得帶焦平面信號讀出的第二代探測器陣列的設想成為現實。這種讀出結構能多路傳輸大陣列器件的信號，但是實施時對探測器有阻抗要求。只有InSb、PtSi和HgCdTelB樣的光伏探測器和PbSe,PbS 之類高阻抗光導器件才能提供與多路傳輸器的場效應管輸入級互連的合適阻抗。由于光導HgCdTe

47、l低阻抗器件，偏置功耗也較大，所以并不合適制成大陣列。因此，70年代后期，甚至整個80年代，HgCdT阻術幾乎集中在光伏器件的發展。作為第二代紅外探測器標志的二維大陣列有兩大類。一類是具有TDI 功能的線列結構，用于掃描成像。另一類是面陣結構，用于凝視成像系統。自CCD發明到到帶讀出電路的紅外焦平面探測器的成熟，經歷了近20年時問。現在，光子探測器如PbS PbTs PtSi和光伏HgCdT件均可制成大陣列， 并已商品化。熱探測器，如非晶硅熱敏器件和熱釋電器件也已做成商品面陣。盡管探測率不如光子探測器，這種面陣可在室溫下工作，只需用一級熱電致冷穩定 芯片溫度和防止熱用擾。室溫熱探測器面陣功耗小

48、，價格低廉，應用十分廣泛。現在，紅外傳感技術正處于從第一代器件向第二代器件轉化的時期。紅外焦 平面器件功能目前只包含了信號讀出。 可以預計，紅外焦平面技術發展趨勢能將 紅外成像傳感器和神經網絡信息處理器相結合，具有類似動物眼睛作用的新功3.4.2 商用探測器性能概述商用光子探測器和熱探測器常見的有:光子探測器熱探測器本征，PVMCTSi, GeInGaAs InSb, InAsSb熱敏V2O5 多晶SiGe 多晶SiAmorph Si本征,PCMCTPbS, PbSe熱電堆Bi/Sb熱釋電Lithium Tantalite (LiTa)Lead Zirconium Titanite (PbZT

49、)非本征SiX光發射PtSiBarium Strontium Titanite (BST)量子阱GaAs/AlGaAs熱容Bimetals表1常用商用光子探測器和熱探測器幾種典型紅外光子探測器探測率的光譜特性曲線如圖所示。使用者不僅要注意探測器的探測率和光譜響應范圍，還應注意：光子探測器的光譜響應截止波長 越長，探測器工作溫度越低。凌長（pm）51015-r 隹)二<Yrc:晴堇這300K昔盤限條件下的座愴峰值 口 ZiSO'lt場.光伏（廣/1000. . .一- *圖3.15 幾種典型的探測器的光譜 D不同工作溫度下一些可制成陣列的探測器材料的光譜截止波長如表:工作溫度（K）

50、300190801.5 60致冷方式室溫四級熱電，氟利 昂13,干冰液氮、焦湯致冷， 單級機械致冷二級、三級機械 致冷，液窟， 液氫或液氨PbS3.03.33.6一PbSe4.45.46.5一InSb7.06.15.55.0PtSi一一4.8一光伏HgCdTe131531210 16光導HgCdTe11131152512 25非本征硅一一一832非本征錯一一一7200表2探測器材料與光譜截止波長和工作溫度關系3.4.3 典型光子探測器的性能特點3.4.3.1 HgCdTeHgCdTet料有較寬的光譜覆蓋范圍，其光譜適應性直接與它能生長的合金組 分范圍有關，這樣可對某特定波長的響應最優化。光伏H

51、gCdT端件的波長一般小于12um對于35um中波紅外應用,可以在175220K溫度下工作。這樣可 以采用熱電致冷。對于短波紅外應用，可以在更高的溫度下工作，甚至室溫或室65。溫以上。光伏HgCdTe*子效率較高，不加抗反射鍍層的量子效率已超過已做出的光伏 HgCdTe車列J有線列J （ 240, 288, 480和960元），帶有TDI功 能的二維掃描陣列和二維凝視陣列（從 32X32元至IJ 480X640元）。光伏HgCdTe 器件采用液相外延材料，器件表面鍍抗反射膜。器件采用直接混成或間接混成結構，即用鈿柱實現探測器與讀出電路直接或間接軟金屬互連。光伏HgCdTe車列技術上日趨成熟，已

52、形成較完整的產品系列。光導HgCdT郵件在80K下可將響應延伸到25um但是，探測率還不能象80K工作的短波器件那樣達到背景限。在過去10 年中，光導器件的增益得到大幅度提高。 提高增益有利于減小偏置功率和提高噪聲電平。這樣在成像系統的電路中，前置放大器的噪聲就不再是一個關鍵的因素。提高增益的另一個好處是大大減少了 1/f噪聲。一般光導HgCdTe1/f噪聲的拐點通常在1000Hz,而在高增益情況下，1/f噪聲的拐點只有幾百赫，甚至更低。目前光導HgCdT聆件仍限于線列， 每個探測元的信號都通過杜瓦瓶連接到前放或多路開關，采用焦平面多路傳輸技術解決光導探測器低阻抗問題的研究至今沒有結果。3.4

53、.3.2 PtSiPtSi 探測器陣列是目前可實用的最大紅外圖象傳感器，已生產的產品方形結構最大面陣可達1024 X 1024元，矩形結構最大480 X 640元。還有帶16行或4 行 TDI 功能的 2048 元和 4096 元長線列器件。PtSi 探測器陣列除銦柱互連的混成結構外，還有將信號處理電路做在探測器/讀出芯片四周的單片結構。PtSi 探測器可以做成大陣列，響應均勻性好，成品率也高，許多 PtSi 熱象儀現已商售。PtSi的光譜響應或量子效率隨波長呈指數衰減，在45um光譜區，PtSi器件的量子效率是很低的，通常為 0.1%1%因此，PtSi不適合在低背景 應用場合。3.4.3.3

54、 InSb光伏InSb是80K下中波波段性能最佳的一種探測器。InSb材料是高度均勻的材料， 再與平面注入工藝相結合能使陣列響應率的均勻性最佳。現已有多種掃描和凝視用InSb 陣列產品。溫度增加，InSb 的光譜響應向長波方向移動。但隨著工作溫度的提高，InSb器件的熱噪聲迅速增加。盡管如此，在高背景下，工作溫度升到145K還是可行的。 InSb 器件對衛星應用是十分有效的，因為在衛星上依靠輻射致冷。3.4.3.4 非本征硅探測器非本征硅探測器的光譜響應與雜質（如銦、鎵、砷等）的能級以及摻雜濃度有關， 精確的長波截止波長是摻雜濃度的函數。非本征硅探測器的性能通常是背景限的，峰值響應處的量子效率

55、通常為10%- 50%非本征硅探測器主要用于低背景天文應用。3.4.3.5 PbS 和 PbSePbS和PbSe是高阻抗光導器件，探測器的阻抗與工作溫度、背景通量和化 學摻雜有關。工作溫度從77K300K均可，隨溫度增加，其光譜響應向長波方向 移動。PbS和PbSe響應率的不均勻性在3%-10%量子效率最高可達30%。PbS和PbSe光導器件的高阻抗使得它們可以與 CMO犢出電路互連，制成陣 列的成品率也較高。由于 PbSe的1/f噪聲顯著，77K時，拐點頻率300Hz; 200K 時在750Hz; 300時可達7kHz,這極大地限制了 PbSe器件在成像掃描系統中的應 用。3.5探測器噪聲3.5.1 噪聲研究噪聲的目的是為了了解紅外系統所受的限制，這里所說的噪聲是指探測器、電路元件產生的隨機電起伏。本質上講，大多數物理量都是不連續的或顆粒 狀的。例如：電流