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第三章 紅外探測器31 紅外探測器特性參數(shù)311 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(jù)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(chǎn)生的光電效應，具體表現(xiàn)為探測器響應元自由載流子（即電子和/或空穴）數(shù)目的變化。由于這種變化是由入射光子數(shù)的變化引起的，光子探測器的響應正比于吸收的光子數(shù)。而熱探測器的響應正比與所吸收的能量。熱探測器的換能過程包括：熱阻效應、熱伏效應、熱氣動效應和熱釋電效應。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(fā)射效應。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(shù)來描述。312 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(jù)下式計算：（3.1）其中：輻照度，單位；： 探測器光敏面面積，單位；： 信號電壓基波的均方根值，單位；： 噪聲電壓均方根值，單位；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(fā)出的輻射經(jīng)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(tǒng)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(tǒng)并不能可靠地探測到。在設計系統(tǒng)時通常要求最小可探測功率數(shù)倍于等效噪聲功率，以保證探測系統(tǒng)有較高的探測概率和較低的虛警率。輻射測量系統(tǒng)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(shù)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：(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(shù)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(shù)。由于探測器總噪聲功率譜在中頻段較為平坦，可認為測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。一次，可定義：單位： （）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。是歸一化的探測率，稱為比探測率，讀作D星。用來比較兩個探測器的優(yōu)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(qū)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稱之為“比探測率”，而是稱為“探測率”，這只是一種約定俗成的做法。 313 單色探測率和D雙星1） 黑體探測率和單色探測率測量時如采用黑體輻射源，測得的稱為黑體，有時寫作。為了進一步明確測量條件，黑體后面括號中要注明黑體溫度和調制頻率。如表示是對500K黑體，調制頻率為800Hz 所測得的值。測量時如用單色輻射源，測得的探測率為單色探測率，寫作。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(guī)則輻射在探測器上產(chǎn)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(tǒng)的聚光能力?？啥xD雙星，對探測器視角進行歸一化處理。單位： 式中：為探測器通過冷屏套所觀察到的立體角，是半球立體角。未加冷屏時，探測器在整個半球接收光子，等于。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限制光學系統(tǒng)的孔徑角，以及冷屏的屏蔽效率。314 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，的理論極大值為：(3.6)式中：為普朗克常數(shù)，為光速，為波長（微米），為量子效率，為入射到探測器上的半球背景光子輻射發(fā)射量。對于光伏探測器，由于沒有復合噪聲，上式應乘，即(3.7)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(tǒng)計性溫度起伏。如果信號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：式中：G為響應元與周圍環(huán)境的熱導。在300K時，如響應元面積1mm2,帶寬1Hz, 極限值為：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(shù)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(shù)量級。315 響應率響應率等于單位輻射功率入射到探測器上產(chǎn)生的信號輸出。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。電壓響應率單位為。電流響應率單位為。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，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(tǒng)的探測性能可能更好一些。因此，對系統(tǒng)設計者來說，探測器的響應率和探測率是同樣值得關注的。316光譜響應探測器的光譜響應是指探測器受不同波長的光照射時，其、隨波長變化的情況。設照射的是波長為的單色光，測得的、可用、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。如果在某一波長處，響應率、探測器達到峰值，則稱為峰值波長，而、分別稱為峰值響應率和峰值比探測率。此時的可記做，注明的是峰值波長和調制頻率，而黑體比探測率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(chǎn)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。光譜響應率波長波長熱探測器光子探測器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時才能產(chǎn)生光電效應。也就是說，探測器僅對波長小于，或者頻率大于的光子才有響應。 光子探測器的光譜響應正比于入射的光子數(shù)，由于光子能量與波長成正比，在單位波長間隔內輻射功率不變的前提下，入射光子數(shù)同樣與波長成正比。因此，光子探測器的響應響應隨波長線性上升，然后到某一截止波長突然下降為零。理想情況下，光子探測器的光譜比探測率可寫成：當 當 理想情況下，截止波長即峰值波長。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。系統(tǒng)的工作波段通常是根據(jù)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。317 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(jīng)過一定時間才能上升到與這一輻射功率相對應的穩(wěn)定值。當輻射突然去除時，輸出信號也要經(jīng)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(shù)。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：(3.8)式中為調制頻率為時的響應率，為調制頻率為零時的響應率，是探測器響應時間。當遠小于，響應率就與頻率無關，遠大于時，響應率和頻率成反比。系統(tǒng)設計時，應保證探測器在系統(tǒng)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(shù)可達數(shù)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(shù)較大，如熱敏電阻為數(shù)毫秒至數(shù)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(tǒng)時，探測器的時間常數(shù)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(fā)的輻射信號進行檢測時，則應根據(jù)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(xù)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。32 光子探測器321 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(chǎn)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(shù)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(fā)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(chǎn)生自表面逸出的自由電子。因此，光發(fā)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(chǎn)生電子發(fā)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(tài)變?yōu)閷щ姞顟B(tài)，從而產(chǎn)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(chǎn)生一個電子空穴對，它們分別是正、負電荷的攜帶者。如果材料是非本征，即摻雜的半導體，光子則產(chǎn)生單一符號的載流子，或為正，或為負，不會同時產(chǎn)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(shù)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(chǎn)生空穴電子對，結間的電場就使兩類載流子分開，而產(chǎn)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(chǎn)生光電壓，稱為光電磁效應。322 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，扼要介紹一下這一理論，可有助于理解探測器內部產(chǎn)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(fā)，電子都占據(jù)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(xù)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(jù)或未占據(jù)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(jù)。絕緣體的電子剛好占據(jù)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(jù)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(fā)到導帶，則產(chǎn)生電子空穴對載流子，兩者貢獻各自的電導率。本征半導體材料有鍺單晶、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 (MCT)等，光伏型本征探測器有PbS、PbSe和MCT。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鍺、硅作為非本征材料的主體材料，可表示為SiX、GeX。鍺、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鍺中，則產(chǎn)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，摻入的雜質有錋、砷、鎵、鋅等。323 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(chǎn)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。敏感元件的電阻可表示為：式中 為長度，為敏感元面積，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：式中：為量子效率，為自由載流子壽命；為遷移率，是電子電荷量， 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(shù)，除影響響應率外，還影響探測器的時間常數(shù)。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(chǎn)生的載流子數(shù)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，在室溫下，無光照就會產(chǎn)生大量熱激發(fā)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(shù)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。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(jīng)一個串聯(lián)的負載電阻產(chǎn)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(shù)高達數(shù)千倍，前放應有較低的噪音系數(shù)，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。前放輸入阻抗與探測器輸出是否匹配對放大器的噪音系數(shù)影響很大，是設計中必須考慮的因素。324 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(chǎn)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(chǎn)生短路電流。光伏探測器受到輻照后，其伏安特性曲線特性將會下移。設信號的輻射通量為，則光電流為：式中：為量子效率，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(tài)時，即零偏壓狀態(tài)，能產(chǎn)生最佳信噪比。有時也對光伏探測器加適當?shù)姆聪蚱?。加反向配置能增加耗盡層的厚度，從而減小時間常數(shù)，探測器有較好的高頻特性。探測器開路狀態(tài)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(tài)，輸出短路電流ISC，后接放大器的輸入阻抗應很低，可采用如圖所示的電流電壓放大電路。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讀出電路也容易匹配。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。325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(chǎn)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(shù)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。326 光發(fā)射探測器光發(fā)射探測器通常指能產(chǎn)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(fā)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(fā)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(chǎn)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。硅化鉑(PtSi)探測器也是一種光發(fā)射探測器，與光電倍增管不同，金屬鉑吸收光子后，將載流子發(fā)射到半導體材料中。327 量子阱探測器量子阱紅外光子探測器（QWIP）是由非常薄的GaAs和AlxGa1-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、AlxGa1-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(tài)或初激發(fā)態(tài)，即處于兩種子能帶，子能帶之間的帶隙較小。在光子激發(fā)下，電子由基態(tài)躍遷到初激發(fā)態(tài)。器件的結構參數(shù)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。QWIP響應的峰值波長是由量子阱的基態(tài)和激發(fā)態(tài)的能級差決定的，它的光譜響應與本征紅外探測器不同，QWIP的光譜響應峰較窄，較陡。但它的峰值波長、截止波長可以靈活、連續(xù)地剪裁，在同一塊芯片上制造出雙色、多色的成像面陣。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3至20微米的輻射。其次，它獲得真正的“無噪聲”固態(tài)光電倍增效應。由于QWIP采用了GaAs生長和處理的成熟技術，可以制作成大規(guī)模的成像面陣?！岸壬矶ㄖ啤钡牧孔于尻嚵型耆梢宰龅剑好總€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(shù)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(guī)模面陣是發(fā)展趨勢，如814微米、100萬象素的量子阱成像面陣?？梢灶A見，屆時紅外相機和可見光CMOS相機的差距將大大縮小。33 熱探測器331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(fā)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(chǎn)生溫升，而這一過程通常很慢，熱探測器的時間常數(shù)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(shù)量級，高頻下的差別就更大了。因此，熱探測器不適合用于快速、高靈敏度的探測。熱探測器的最大優(yōu)點是光譜響應范圍較寬且較平坦。332 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。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(huán)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(fā)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：式中:入射輻射功率增量，W;探測元溫度增量，K;探測元有效熱導，WK-1;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(wěn)定解為：響應元電阻變化為式中： 響應元電阻， 溫度系數(shù)，響應元比輻射率（即吸收率）；熱容與有效熱導之比，即熱時間常數(shù)，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(shù)為電容和電阻乘積，即電容與電導之比。公式清楚地表明：要減小熱時間常數(shù)，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(chǎn)生較小的溫升，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(shù)可為1毫秒至50毫秒。熱敏電阻通常由高溫度系數(shù)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。333 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(chǎn)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。熱電偶材料組合有鉍銀、銅康銅等，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。當響應元溫度從上升到時，熱接點J1也上升到同樣溫度，建立的開路熱電電動勢為：其中為兩種材料的熱電率，為接收器的比輻射率，為熱接點和響應元熱阻之和。開路情況下，對恒定的入射輻射的響應率為為達到高響應率，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：式中為時間常數(shù)，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(shù)有時就直接稱為熱時間常數(shù)。熱電堆的時間常數(shù)一般在幾十毫秒。除雙金屬結點處會產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生溫差。改變電流的方向，可產(chǎn)生加熱效應或是致冷響應。反之，則會產(chǎn)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。334 熱釋電探測器凡是有自發(fā)極化的晶體，其表面會出現(xiàn)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(tài)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(fā)極化強度以及由此引起的面束縛電荷的密度均以同樣頻率發(fā)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(fā)極化矢量的兩個端面間會出現(xiàn)交變的端電壓。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：輻射熱為吸收過程，熱溫度為加熱過程，溫度電則為測溫過程。加熱過程與熱敏電阻、熱電偶是類似的。根據(jù)熱平衡方程，對周期變化的紅外輻射響應元溫升為：式中：正弦變化輻射功率峰值；輻射角頻率； 響應元比輻射率； 響應元熱導，單位WK-1;熱容與有效熱導之比，即熱時間常數(shù)，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：熱釋電電流與輻射角頻率、響應元面積、溫升成正比，可表達為：其中：稱為熱電系數(shù)。信號電壓式中： 、分別為探測器和前放等效輸入電阻、等效電容； 電時間常數(shù)。將溫升結果代入響應率 輻射角頻率、熱時間常數(shù)、電時間常數(shù)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；響應率為常數(shù)；響應率與角頻率成反比。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(shù)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(fā)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。34 商用紅外探測器341 紅外探測器發(fā)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(fā)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(zhàn)中期間在德國發(fā)展起來的，并在戰(zhàn)爭中得到多種應用。40年代后期到50年代，發(fā)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(xiàn)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鍺器件。50年代末，首次提出III-V, IV-VI, 和 II-VI族半導體合金的概念，如英國人提出的HgCdTe半導體合金。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(chǎn)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(tǒng)。60年代末和70年代初，發(fā)展了第一代HgCdTe光導探測器線列。這類探測器允許長波紅外前視系統(tǒng)只采用一個單級致冷機，工作溫度為80K。這就使系統(tǒng)結構更為緊湊，輕便，功耗也大幅度下降。用于戰(zhàn)術應用的光導HgCdTe線列已大批生產(chǎn)了十多年。在此期間得到發(fā)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(shù)必須少于200。英國發(fā)明的SPRITE器件，將普通的光導HgCdTe技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的發(fā)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(xiàn)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HgCdTe那樣的光伏探測器和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是低阻抗器件，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，HgCdTe技術幾乎集中在光伏器件的發(fā)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(tǒng)。自CCD發(fā)明到到帶讀出電路的紅外焦平面探測器的成熟，經(jīng)歷了近20年時間?，F(xiàn)在，光子探測器如PbS、PbTe、PtSi 和光伏HgCdTe器件均可制成大陣列，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(wěn)定芯片溫度和防止熱串擾。室溫熱探測器面陣功耗小，價格低廉，應用十分廣泛?，F(xiàn)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?？梢灶A計，紅外焦平面技術發(fā)展趨勢能將紅外成像傳感器和神經(jīng)網(wǎng)絡信息處理器相結合，具有類似動物眼睛作用的新功能。 342 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, PVMCT熱敏V2O5Si, Ge多晶SiGeInGaAs多晶SiInSb, InAsSbAmorph Si本征, PCMCT熱電堆Bi/SbPbS, PbSe熱釋電Lithium Tantalite (LiTa)非本征SiXLead Zirconium Titanite (PbZT)光發(fā)射PtSiBarium Strontium Titanite (BST)量子阱GaAs/AlGaAs熱容Bimetals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。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）300190801.560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，液氖，液氫或液氦PbS3.03.33.6PbSe4.45.46.5InSb7.06.15.55.0PtSi4.8光伏HgCdT導HgCdTe1113115251225非本征硅832非本征鍺7200343 典型光子探測器的性能特點1) HgCdTeHgCdTe材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(yōu)化。光伏HgCdTe器件的波長一般小于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，甚至室溫或室溫以上。光伏HgCdTe量子效率較高，不加抗反射鍍層的量子效率已超過65。已做出的光伏HgCdTe陣列有線列（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3232元到480640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，即用銦柱實現(xiàn)探測器與讀出電路直接或間接軟金屬互連。光伏HgCdTe陣列技術上日趨成熟，已形成較完整的產(chǎn)品系列。光導HgCdTe器件在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(tǒng)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HgCdTe器件1/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HgCdTe器件仍限于線列，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。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(chǎn)的產(chǎn)品方形結構最大面陣可達10241024元，矩形結構最大480640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(xiàn)已商售。PtSi的光譜響應或量子效率隨波長呈指數(shù)衰減，在45um光譜區(qū)，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。2）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?，F(xiàn)已有多種掃描和凝視用InSb陣列產(chǎn)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(wèi)星應用是十分有效的，因為在衛(wèi)星上依靠輻射致冷。3）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(shù)。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通常為10%50%。非本征硅探測器主要用于低背景天文應用。4）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CMOS讀出電路互連，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(tǒng)中的應用。35 探測器噪聲和低噪聲電子設計351 噪聲研究噪聲的目的是為了了解紅外系統(tǒng)所受的限制，這里所說的噪聲是指探測器、電路元件產(chǎn)生的隨機電起伏。本質上講，大多數(shù)物理量都是不連續(xù)的或顆粒狀的。例如：電流是由電子流組成的，每一個電子都帶有一份獨立的電荷。電子通過電路中某一點的速率的隨機起伏，就表現(xiàn)為電噪聲。電噪聲是一種隨機變量，在任一瞬間，隨機噪聲的幅度和該瞬時前后出現(xiàn)的幅度完全無關，只能用統(tǒng)計的方法去表示某一幅值出現(xiàn)的概率。我們可以用一定時間間隔內，電壓（或電流）的均方根差來表示噪聲電壓（或噪聲電流）。即更確切地，可稱之為均方根噪聲電壓或均方根噪聲電流。如果電路中存在兩個或更多獨立的噪聲源，其總效果可將各個噪聲源的噪聲功率相加，也就是將噪聲電壓（或噪聲電流）的平方相加得到。而噪聲電壓或噪聲電流是不可以直接相加的。不同類型噪聲的功率頻譜也不盡相同，可用譜密度來表示。譜密度可表示為單位帶寬的噪聲功率(噪聲電壓平方)，也可表示為單位根號帶寬內的噪聲電壓。即或。352 探測器噪聲的類型不僅響應率會隨輻射頻率變化，探測率也會隨輻射頻率變化。因為(3.9)與的關系與探測器噪聲的類型有關.對于受白噪聲(噪聲大小與頻率無關)限制的探測器, 與的關系和與的關系有相同的形式.對于受其他形式噪聲限制的探測器, 與的關系往往與與的關系不同。探測器噪聲從機理上區(qū)分大致有以下幾類：1） Johnson噪聲也稱熱噪聲，存在于所有探測器。一個電阻器就是一個熱噪聲發(fā)生器。熱平衡時，電阻元件中的電荷載流子的隨機運動在元件兩端產(chǎn)生的隨機電壓。當電阻溫度上升時，電荷載流子的平均動能增加，則噪聲電壓增加。熱噪聲存在于所有探測器，其噪聲電壓可表達為： 熱噪聲的譜密度為 在給定溫度下，熱噪聲的噪聲電壓只與電阻有關，如果噪聲源是一個阻抗，則噪聲電壓只取決與阻抗的電阻部分，而與電容、電感部分無關。噪聲電壓與帶寬的平方根成正比，而與頻率高、低無關，即熱噪聲的譜密度與頻率無關，故稱之為白噪聲。2） 溫度噪聲由于熱探測器敏感元件跟周圍的輻射交換或與散熱片之間的傳導交換，使敏感元件的溫度發(fā)生隨機起伏，而引起信號電壓的隨機起伏，這種噪聲稱為溫度噪聲。溫度噪聲僅在熱探測器中能觀察到，熱探測器性能的理論極限就是根據(jù)溫度噪聲計算的。3） 1/f噪聲也稱調制噪聲或閃爍噪聲, 產(chǎn)生的物理機理尚不清楚。1/f噪聲對低頻段影響較大，可用來表征其功率譜，取0.82。4） 產(chǎn)生復合噪聲產(chǎn)生復合噪聲是敏感元件電荷載流子的產(chǎn)生率和復合率的統(tǒng)計起伏產(chǎn)生的噪聲。這種起伏可以由載流子與光子相互作用或背景光子到達率的隨機性而引起。如果背景光子起伏對產(chǎn)生復合率的起伏起主要貢獻，那么這種噪聲也稱為光子噪聲、輻射噪聲或背景噪聲。產(chǎn)生復合噪聲存在于所有光子探測器，對于光伏探測器，由于只有自由載流子產(chǎn)生率的起伏對噪聲有貢獻，光伏探測器的值要小倍。 5） 散彈噪聲這種噪聲是由于流過pn結的自由電子和空穴的起伏產(chǎn)生的。表現(xiàn)為微電流脈沖，在外電路中表現(xiàn)為隨機噪聲或電壓，短路噪聲電壓可表達為：通常存在于光伏探測器和薄膜探測器，光導探測器由于沒有pn結，所以不存在散彈噪聲。探測器的總噪聲是以上各種噪聲的均方根，不同類型探測器，在不同頻率段，其主導作用的噪聲也是不同的。353 低噪聲電子設計3531 噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)也叫噪聲因素，是器件或電路對于噪聲的品質因素。如一個放大電路的增益為G，則它的噪聲系數(shù)定義為：由于 ，代入上式，得因為噪聲系數(shù)是功率比，所以也可用分貝表示，稱為對數(shù)噪聲系數(shù)。噪聲系數(shù)是放大器引起得信噪比惡化程度的量度。一個好的放大器是在源噪聲基礎上不增加噪聲的放大器，其噪聲系數(shù)，或者說對數(shù)噪聲系數(shù)。低噪聲電子設計的目的是使實際放大器的噪聲系數(shù)接近這種理想的狀態(tài)。探測器輸出微弱信號通常需經(jīng)多級放大，我們可以導出級聯(lián)網(wǎng)絡的噪聲系數(shù)，以分析系統(tǒng)的最重要的放大源在那里。設有兩級功率增益分別為和的放大器級聯(lián)，它們單獨使用時噪聲系數(shù)第一級G1第二級G2分別為和,即： 級聯(lián)后第一級的輸出噪聲（即第二級輸入噪聲）為：級聯(lián)后總輸出噪聲可認為由兩部分組成。第一部分是第一級輸出噪聲放大倍后形成的噪聲，即 第二部分則是第二級放大器增加的噪聲。按的定義，當?shù)诙壿斎朐肼暈闀r輸出噪聲為，由于其中的并不是增加的噪聲，必須從中扣除，才是第二級放大器增加的額外噪聲。因此，級聯(lián)后總輸出噪聲為上述兩部分噪聲之和。兩級級聯(lián)電路的噪聲系數(shù)為同樣，我們也可導出三級級聯(lián)電路的噪聲系數(shù)為可得出的結論是：如果第一級增益高時，級聯(lián)網(wǎng)絡的噪聲系統(tǒng)主要受第一級噪聲的影響。探測器信號放大電路的第一級通常為高增益的低噪聲放大器，稱為前置放大器，后級主放大器增益較低，對低噪聲的要求也較低。3532 最佳源電阻前置放大電路用于對探測器輸出微弱電流或電壓信號的放大，通常要求前放的噪聲系數(shù)接近1，即前放輸出的信噪比盡量接近探測器輸出的信噪比。這樣即前放在放大過程中引入的噪聲，相對于探測器噪聲而言可以忽略。為研究前置放大器對探測器輸出信噪比的影響，可以建立放大器的噪聲模型。即將它等效為一個無噪聲放