紅外探測(cè)器原理及技術(shù)

1、-. z.紅外探測(cè)器原理及技術(shù)紅外探測(cè)器特性參數(shù)1.1紅外探測(cè)器分類紅外探測(cè)器是一種輻射能轉(zhuǎn)換器，主要用于將接收到的紅外輻射能轉(zhuǎn)換為便于測(cè)量或觀察的電能、熱能等其他形式的能量。根據(jù)能量轉(zhuǎn)換方式，紅外探測(cè)器可分為熱探測(cè)器和光子探測(cè)器兩大類。熱探測(cè)器的工作機(jī)理是基于入射輻射的熱效應(yīng)引起探測(cè)器*一電特性的變化，而光子探測(cè)器是基于入射光子流與探測(cè)材料相互作用產(chǎn)生的光電效應(yīng)，具體表現(xiàn)為探測(cè)器響應(yīng)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(cè)器的響應(yīng)正比于吸收的光子數(shù)。而熱探測(cè)器的響應(yīng)正比于所吸收的能量。熱探測(cè)器的換能過程包括：熱阻效應(yīng)、熱伏效應(yīng)、熱氣動(dòng)效應(yīng)和熱釋

2、電效應(yīng)。光子探測(cè)器的換能過程包括：光生伏特效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng)、光電磁效應(yīng)和光發(fā)射效應(yīng)。各種光子探測(cè)器、熱探測(cè)器的作用機(jī)理雖然各有不同，但其根本特性都可用等效噪聲功率或探測(cè)率、響應(yīng)率、光譜響應(yīng)、響應(yīng)時(shí)間等參數(shù)描述。1.2等效噪聲功率和探測(cè)率我們將探測(cè)器輸出信號(hào)等于探測(cè)器噪聲時(shí)，入射到探測(cè)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(shí)功率測(cè)量不太方便，可以在高信號(hào)電平下測(cè)量，再根據(jù)下式計(jì)算： 1-1其中：H：輻照度，單位W/cm2；：探測(cè)器光敏面面積，單位cm2；：信號(hào)電壓基波的均方根值，單位V；：噪聲電壓均方根值，單位V。由于探測(cè)器響應(yīng)與輻射的調(diào)制頻率有關(guān)，測(cè)量等效噪聲功率時(shí)，黑體輻

3、射源發(fā)出的輻射經(jīng)調(diào)制盤調(diào)制后，照射到探測(cè)器光敏面上，輻射強(qiáng)度按固定頻率作正弦變化。探測(cè)器輸出信號(hào)濾除高次諧波后，用均方根電壓表測(cè)量基波的有效值。必須指出：等效噪聲功率可以反映探測(cè)器的探測(cè)能力，但不等于系統(tǒng)無法探測(cè)到強(qiáng)度弱于等效噪聲功率的輻射信號(hào)。如果采取相關(guān)接收技術(shù)，即使入射功率小于等效噪聲功率，由于信號(hào)是相關(guān)的，噪聲是不相關(guān)的，也是可以將信號(hào)檢測(cè)出來的，但是這種檢測(cè)是以增加檢測(cè)時(shí)間為代價(jià)的。另外，強(qiáng)度等于等效噪聲功率的輻射信號(hào)，系統(tǒng)并不能可靠的探測(cè)到。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)通常要求最小可探測(cè)功率數(shù)倍于等效噪聲功率，以保證探測(cè)系統(tǒng)有較高的探測(cè)概率和較低的虛警率。輻射測(cè)量系統(tǒng)由于有較高的測(cè)量精度要求，對(duì)弱

4、信號(hào)也要求有一定的信噪比。等效噪聲功率被用來度量探測(cè)器的探測(cè)能力，但是等效噪聲功率最小的探測(cè)器的探測(cè)能力卻是最好的，很多人不習(xí)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(cè)能力，稱為探測(cè)率，這樣較好的探測(cè)器有較高的探測(cè)率。因此，探測(cè)率可表達(dá)為： (1-2)探測(cè)器的探測(cè)率與測(cè)量條件有關(guān)，包括：入射輻射波長(zhǎng)；探測(cè)器溫度；調(diào)制頻率；探測(cè)器偏流；探測(cè)器面積；測(cè)量探測(cè)器噪聲電路的帶寬；光學(xué)視場(chǎng)外熱背景。為了對(duì)不同測(cè)試條件下測(cè)得的探測(cè)率進(jìn)展比擬，應(yīng)盡量將測(cè)試條件標(biāo)準(zhǔn)化。采取的做法是：輻射波長(zhǎng)、探測(cè)器溫度由于探測(cè)率和波長(zhǎng)之間、探測(cè)率和探測(cè)器溫度之間在理論上無明顯關(guān)系，波長(zhǎng)和制冷溫度只能在測(cè)量條

5、件中加以說明。探測(cè)器偏流：一般調(diào)到使探測(cè)率最大。探測(cè)器面積和測(cè)量電路帶寬廣泛的理論和研究說明，有理由假定探測(cè)器輸出的信噪比與探測(cè)器面積的平方根成正比，即認(rèn)為探測(cè)率與探測(cè)器面積的平方根成反比。探測(cè)器輸出噪聲包含各種頻率成分，顯然，噪聲電壓是測(cè)量電路帶寬的函數(shù)。由于探測(cè)器總噪聲功率譜在中頻段較為平坦，可認(rèn)為測(cè)得的噪聲電壓只與測(cè)量電路帶寬的平方根成正比即探測(cè)率與測(cè)量電路帶寬的平方根成反比?？啥x： 1-3單位：D*的物理意義可理解為1瓦輻射功率入射到光敏面積1cm2的探測(cè)器上，并用帶寬為1HZ電路測(cè)量所得的信噪比。D*是歸一化的探測(cè)率，成為比探測(cè)率，讀作D星。用D*來比擬兩個(gè)探測(cè)器的優(yōu)劣，可防止探測(cè)

6、器面積或測(cè)量帶寬不同對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。比探測(cè)率和前面介紹的探測(cè)率定義上是有區(qū)別的，但由于探測(cè)率未對(duì)面積、帶寬歸一化，確實(shí)沒有多大實(shí)用意義，一般文獻(xiàn)報(bào)告中都不把D*稱之為比探測(cè)率，而是稱為探測(cè)率，這只是一種約定俗成的做法。1.3單色探測(cè)率和D*1.黑體探測(cè)率和單色探測(cè)率測(cè)量D*是如采用黑體輻射源，測(cè)得的D*稱為黑體D*，有時(shí)寫作D*bb。為了進(jìn)一步明確測(cè)量條件，黑體D*后面括號(hào)中要注明黑體溫度和調(diào)制頻率。如D*bb (500K,800)表示是對(duì)500K黑體，調(diào)制頻率為800Hz所測(cè)得的D*值。測(cè)量時(shí)如用單色輻射源，測(cè)得的探測(cè)率為單色探測(cè)率，寫作D*。2. D*背景輻射對(duì)紅外探測(cè)器至關(guān)重要，為了減

7、少光學(xué)視場(chǎng)外熱背景如腔體無規(guī)則輻射在探測(cè)器上產(chǎn)生的噪聲，往往在探測(cè)器我加一個(gè)冷屏。從探測(cè)器中心向冷屏孔的角叫探測(cè)器視角。設(shè)置冷屏能有效地減少背景光子通量，增加探測(cè)率。但是這并不意味探測(cè)器本身性能的提高，而是探測(cè)器視角的減小。而視角減小將影響光學(xué)系統(tǒng)的聚光能力?？啥xD*，對(duì)探測(cè)器視角進(jìn)展歸一化處理。 1-4單位式中：為探測(cè)器通過冷屏套所觀察到的立體角，是半球立體角。未加冷屏?xí)r，探測(cè)器在整個(gè)半球接收光子，=，D*=D*。D雙星實(shí)際上是將測(cè)得的探測(cè)率折算為半球背景下的探測(cè)率，這樣可真實(shí)反響探測(cè)器本身的探測(cè)性能。D*對(duì)紅外探測(cè)器研制者有指導(dǎo)意義，在工程中不常使用。制造商提供的紅外探測(cè)器的探測(cè)率通常是

8、指含冷屏的探測(cè)器組件的探測(cè)率。使用者只需注意探測(cè)器的視角是否會(huì)限制和光學(xué)系統(tǒng)的孔徑角，以及冷屏的屏蔽效率。1.4 背景噪聲對(duì)探測(cè)率的限制光子探測(cè)器和熱探測(cè)器比探測(cè)率的最終極限將受背景噪聲的限制。對(duì)于光電導(dǎo)型探測(cè)器，D*的理論極大值為： 1-5式中：h為普朗克常數(shù)，c為光速，為波長(zhǎng)微米，為量子效率，為入射到探測(cè)器上的半球背景光子輻射發(fā)射量。對(duì)于光伏探測(cè)器，由于沒有復(fù)合噪聲，上式應(yīng)乘，即 1-6光子探測(cè)器已有不少接近背景限。對(duì)于熱探測(cè)器，背景輻射的起伏將引起探測(cè)器溫度的起伏，并且探測(cè)器本身輻射也將引起統(tǒng)計(jì)性溫度起伏。如果信號(hào)輻射引起的溫度變化低于這兩種起伏，就探測(cè)不到信號(hào)輻射。溫度起伏也是一種噪聲

9、，受溫度噪聲限制的熱探測(cè)器的等效噪聲功率為： 1-7式中：G為響應(yīng)元與周圍環(huán)境的熱導(dǎo)。在300K時(shí)，如相應(yīng)元面積為1mm2，帶寬1Hz，D*極限值為：D*=1.811010cmHz1/2W-1目前，熱敏電阻探測(cè)器由于受1/f噪聲和電阻熱噪聲的限制，其探測(cè)率與極限值尚差兩個(gè)數(shù)量級(jí)。但是對(duì)熱釋電探測(cè)器來說，由于它不是電阻型器件而是可以看作電容性器件，不受熱噪聲限制，電流噪聲也較小，因此它的探測(cè)率與極限值相差已不到一個(gè)數(shù)量級(jí)。1.5 響應(yīng)率響應(yīng)率等于單位輻射功率入射到探測(cè)器上產(chǎn)生的信號(hào)輸出。響應(yīng)率一般以電壓形式表示。對(duì)以電流方式輸出的探測(cè)器，如輸出短路電流的光伏探測(cè)器，也可用電流形式表示。電壓響應(yīng)率

10、，單位為V/W。電流響應(yīng)率，單位為I/W。因?yàn)闇y(cè)量響應(yīng)率是不管噪聲大小的，可不注明只與噪聲有關(guān)的電路帶寬。響應(yīng)率與探測(cè)器的響應(yīng)速度有關(guān)，光子探測(cè)器的頻率響應(yīng)特性如同一個(gè)低通濾波器，在低頻段響應(yīng)較為平坦，超過轉(zhuǎn)角頻率后響應(yīng)明顯下降。一般均在低頻下測(cè)量響應(yīng)率，以消除調(diào)制頻率的影響。外表上看，只要探測(cè)率足夠高，探測(cè)器輸出有足夠的信噪比，信號(hào)較弱時(shí)可以用電路放大的方法彌補(bǔ)的。實(shí)際上響應(yīng)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(huì)引入更多噪聲，如選用探測(cè)率較低但響應(yīng)率高的探測(cè)器，系統(tǒng)的探測(cè)性能可能更好一些。因此，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者來說，探測(cè)器的響應(yīng)率和探測(cè)率是同樣值得關(guān)注的。1.6 光譜響應(yīng)探

11、測(cè)器的光譜響應(yīng)是指探測(cè)器受不同波長(zhǎng)的光照射時(shí)，其R、D*隨波長(zhǎng)變化的情況。設(shè)照射的是波長(zhǎng)為的單色光，測(cè)得的R、D*可用、表示，稱為單色響應(yīng)率和單色比探測(cè)率，或稱為光譜響應(yīng)率和光譜比探測(cè)率。如果在*一波長(zhǎng)處，響應(yīng)率、探測(cè)器到達(dá)峰值，則稱為峰值波長(zhǎng)，而、分別稱為峰值響應(yīng)率和峰值比探測(cè)率。此時(shí)的D*可記作，注明的是峰值波長(zhǎng)和調(diào)制頻率，而黑體比探測(cè)率注明黑體溫度和調(diào)制頻率。如以橫坐標(biāo)表示波長(zhǎng)，縱坐標(biāo)為光譜響應(yīng)率，則光譜響應(yīng)曲線表示每單位波長(zhǎng)間隔恒定輻射功率產(chǎn)生的信號(hào)電壓。有時(shí)縱坐標(biāo)也可表示為對(duì)峰值響應(yīng)歸一化的相對(duì)響應(yīng)。光子探測(cè)器和熱探測(cè)器的光譜響應(yīng)曲線是不同的，理想情況如下圖。熱探測(cè)器的響應(yīng)只與吸收的

12、輻射功率有關(guān)，而與波長(zhǎng)無關(guān)，因?yàn)槠錅囟鹊淖兓蝗Q于吸收的能量。對(duì)于光子探測(cè)器，僅當(dāng)入射光子的能量大于*一極小值時(shí)才能產(chǎn)生光電效應(yīng)。也就是說，探測(cè)器僅對(duì)波長(zhǎng)小于，或者頻率大于的光子才有響應(yīng)。光子探測(cè)器的光譜響應(yīng)正比于入射的光子數(shù)，由于光子能量與波長(zhǎng)成正比，在單位波長(zhǎng)間隔輻射功率不變的前提下，入射光子數(shù)同樣與波長(zhǎng)成正比。因此，光子探測(cè)器的響應(yīng)隨波長(zhǎng)線性上升，然后到*一截止波長(zhǎng)突然下降為零。理想情況下，光子探測(cè)器的光譜比探測(cè)率可寫成：當(dāng)當(dāng)=0理想情況下，截止波長(zhǎng)即峰值波長(zhǎng)。實(shí)際曲線稍有偏離。例如光子探測(cè)器實(shí)際光譜響應(yīng)在峰值波長(zhǎng)附近迅速下降，一般將響應(yīng)下降到峰值響應(yīng)的50%處的波長(zhǎng)成為截止波長(zhǎng)。系統(tǒng)

13、的工作波段通常是根據(jù)目標(biāo)輻射光譜特性和應(yīng)用需求而設(shè)定的，則選用的探測(cè)器就應(yīng)該在此波段中有較高的光譜響應(yīng)。因?yàn)楣庾犹綔y(cè)器響應(yīng)截止的斜率很陡，不少探測(cè)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。1.7 響應(yīng)時(shí)間當(dāng)一定功率的輻射突然照射到探測(cè)器上時(shí)，探測(cè)器輸出信號(hào)要經(jīng)過一定時(shí)間才能上升到與這一輻射功率相對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定值。當(dāng)輻射突然去除時(shí)，輸出信號(hào)也要經(jīng)過一定時(shí)間才能下降到輻照之前的值。這種上升或下降所需的時(shí)間叫探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間，或時(shí)間常數(shù)。響應(yīng)時(shí)間直接反響探測(cè)器的頻率響應(yīng)特性，其低通頻響特性可表示為： 1-8式中：為調(diào)制頻率為f時(shí)的響應(yīng)率，為調(diào)制頻率為0時(shí)的響應(yīng)率，為探測(cè)器響

14、應(yīng)時(shí)間。當(dāng)f遠(yuǎn)小于，響應(yīng)率就與頻率無關(guān)，f遠(yuǎn)大于時(shí)，響應(yīng)率和頻率成反比。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)保證探測(cè)器在系統(tǒng)帶寬圍響應(yīng)率與頻率無關(guān)。由于光子探測(cè)器的時(shí)間常數(shù)可達(dá)數(shù)十納秒至微秒，所以在一個(gè)很寬的頻率圍，頻率響應(yīng)是平坦的。熱探測(cè)器的時(shí)間常數(shù)較大，如熱敏電阻為毫秒至數(shù)十毫秒，因此頻率響應(yīng)平坦的圍僅幾十赫茲而已。在設(shè)計(jì)光機(jī)掃描型系統(tǒng)時(shí)，探測(cè)器的時(shí)間常數(shù)應(yīng)中選擇的比探測(cè)器在瞬時(shí)視場(chǎng)上的駐留時(shí)間短，否則探測(cè)器的響應(yīng)速度將跟不上掃描速度。當(dāng)對(duì)突發(fā)的輻射信號(hào)進(jìn)展檢測(cè)時(shí)，則應(yīng)根據(jù)入射輻射的時(shí)頻特性，選擇響應(yīng)速度較快的探測(cè)器。如激光功率計(jì)在檢測(cè)連續(xù)波激光時(shí)，探頭的探測(cè)器可以用響應(yīng)較慢的熱電堆，檢測(cè)脈沖激光時(shí)則必須用響應(yīng)

15、速度較快的熱釋電探測(cè)器，如果激光脈寬很窄，需要用光子探測(cè)器檢測(cè)。2. 光子探測(cè)器2.1 光電效應(yīng)概述光子探測(cè)器是最有用的紅外探測(cè)器，它的工作機(jī)理是光子與探測(cè)器材料直接作用，產(chǎn)生光電效應(yīng)。因此，光子探測(cè)器的探測(cè)率一般比熱探測(cè)器要大1到2個(gè)數(shù)量級(jí)，其響應(yīng)時(shí)間為微秒或納秒級(jí)。光子探測(cè)器的光譜響應(yīng)特性與熱探測(cè)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(gè)光子的能量是：當(dāng)入射光子與金屬中的電子碰撞時(shí)，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(fù)存在。如果電子獲得的能量到達(dá)足以使其穿過外表的勢(shì)壘，就能從外表逸出。這

16、一效應(yīng)稱為外光電效應(yīng)或光電子發(fā)射效應(yīng)。電子逸出所需做的功與材料特性有關(guān)。由于光子能量隨頻率而變，故存在一個(gè)長(zhǎng)波限，或稱之為截止波長(zhǎng)。超過截止波長(zhǎng)的光子的能量均低于逸出功，缺乏以產(chǎn)生自外表逸出的自由電子。因此，光發(fā)射探測(cè)器的響應(yīng)只能延伸到近紅外的一個(gè)小圍。波長(zhǎng)大于1.2的光子的能量雖然缺乏產(chǎn)生電子發(fā)射，但存在光電效應(yīng)。光子傳遞的能量使電子從非導(dǎo)電狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)電狀態(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(dǎo)體。如果材料是本征的，即純潔的半導(dǎo)體，一個(gè)光子產(chǎn)生一個(gè)電子空穴對(duì)，它們分別是正、負(fù)電荷的攜帶者。如果材料是非本征，即摻雜的半導(dǎo)體，光子則產(chǎn)生單一符號(hào)的載流子，或?yàn)檎?，?/p>

17、為負(fù)，不會(huì)同時(shí)產(chǎn)生兩種載流子。如果在探測(cè)器上加電場(chǎng)，則流過探測(cè)器的電流將隨載流子數(shù)量的變化而變化，稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。如果光子在p-n結(jié)附近產(chǎn)生空穴-電子對(duì)，結(jié)間的電場(chǎng)就使兩類載流子分開，而產(chǎn)生光電壓，稱為光生伏打效應(yīng)。光生伏打型的探測(cè)器不需要外加偏壓，因?yàn)閜-n已提供了偏壓。當(dāng)電子-空穴對(duì)在半導(dǎo)體外表附近形成時(shí)，他們力圖向深處擴(kuò)展，以重新建立電中性。如果在這一過程中加上強(qiáng)磁場(chǎng)，就使兩種載流子分開而產(chǎn)生光電壓，稱為光電磁效應(yīng)。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(jiǎn)便方法，扼要介紹一下這一理論，可有助于理解探測(cè)器部產(chǎn)生的光電效應(yīng)。在簡(jiǎn)單的波爾原子模型中，繞原子核旋轉(zhuǎn)的電

18、子被限制在別離的能級(jí)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(jí)。固體的原子靠得很近，由于量子力學(xué)的結(jié)果，單個(gè)院子的別離能級(jí)擴(kuò)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(gè)較高的能帶，不管是占據(jù)或未占據(jù)有電子，都稱為導(dǎo)帶。只有導(dǎo)帶中的電子對(duì)材料的電導(dǎo)率才有奉獻(xiàn)。導(dǎo)電體、絕緣體和半導(dǎo)體有不同的能帶構(gòu)造。導(dǎo)電體的明顯標(biāo)志是導(dǎo)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(jí)，導(dǎo)帶是空的，禁帶很寬，階電子不可能獲得足夠的能量升到導(dǎo)帶中去。從電特性看，半導(dǎo)體的導(dǎo)電率介于絕緣體和金屬之間。純潔的本征半導(dǎo)體的禁帶相對(duì)窄一些，僅有幾分之

19、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(dǎo)體的一些階電子也能獲得足夠的能量，越過禁帶而到達(dá)導(dǎo)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(chǎng)或磁場(chǎng)時(shí)，空穴像電子一樣流過材料，然而兩者流動(dòng)的方向相反。在純潔半導(dǎo)體中，一個(gè)電子被激發(fā)到導(dǎo)帶，則產(chǎn)生電子空穴對(duì)載流子，兩者奉獻(xiàn)各自的電導(dǎo)率。本征半導(dǎo)體材料有鍺單晶、硅單晶以及按化學(xué)計(jì)算比例構(gòu)成的化合物。典型的光伏型本征探測(cè)器有Si, Ge, GaAs, InSb, InGaAs和HgCdTeMCT等，光伏型本征探測(cè)器有PbS、PbSe和MCT。截止波長(zhǎng)再長(zhǎng)的探測(cè)器，要求材料的禁帶寬度比本征半導(dǎo)體還要小。減小禁帶寬度的

20、一般方法，是在純潔半導(dǎo)體中參加少量的其它雜質(zhì)，稱為摻雜，所得材料稱為非本征半導(dǎo)體。在非本征材料中，只有一種載流子提供導(dǎo)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(cè)器都用鍺、硅作為非本征材料的主體材料，可表示為Si*、Ge*。鍺、硅原子有4個(gè)階電子，它們和4個(gè)周圍的電子構(gòu)成共價(jià)鍵。如果把3個(gè)價(jià)電子的雜質(zhì)原子摻到鍺中，則產(chǎn)生一個(gè)過剩的空穴。由于雜質(zhì)能級(jí)恰好靠近主體材料價(jià)帶的頂部，所以，電子從價(jià)帶躍遷到雜質(zhì)空穴，只需要很小的能量。留在價(jià)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(gè)或更多價(jià)電子的雜質(zhì)，摻雜后稱為n型材料。n型、p型材料原則上都可以用來制作紅外探測(cè)器，通常

21、用的還是p型材料，摻入的雜質(zhì)有錋、砷、鎵、鋅等。2.3 光導(dǎo)探測(cè)器光電導(dǎo)探測(cè)器的機(jī)理是探測(cè)器吸收了入射的紅外光子，產(chǎn)生自由載流子，進(jìn)而改變了敏感元件的電導(dǎo)率?？梢詫?duì)光導(dǎo)探測(cè)器加一個(gè)恒定的偏流，檢測(cè)電導(dǎo)率的變化。敏感元件的電阻可表示為： 2-1式中：為長(zhǎng)度，為敏感元面積，為電導(dǎo)率。光導(dǎo)探測(cè)器響應(yīng)率正比于光照后電導(dǎo)率的相對(duì)變化，而后者又可表示為： 2-2式中：為量子效率，為自由載流子壽命，為遷移率，e是電子電荷量，d為探測(cè)器厚度。從式中可以看出，高響應(yīng)率要求探測(cè)器有較高的量子效率，自由載流子壽命長(zhǎng)，遷移率高，厚度應(yīng)最小。自由載流子壽命取決于復(fù)合過程，在一定程度上可由材料配方和雜質(zhì)含量來控制。自由載

22、流子壽命是一個(gè)極其重要的參數(shù)，除影響響應(yīng)率外，還影響探測(cè)器的時(shí)間常數(shù)。高響應(yīng)率還要求探測(cè)器在無光子輻照時(shí)有較低的電導(dǎo)率，即將非光子效應(yīng)產(chǎn)生的載流子數(shù)降低到最小。對(duì)長(zhǎng)波響應(yīng)的探測(cè)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(huì)產(chǎn)生大量熱激發(fā)載流子，只能通過制冷探測(cè)器來解決。一般來講，如果不制冷的話，大多數(shù)光電導(dǎo)探測(cè)器的響應(yīng)波段不會(huì)超過3微米。響應(yīng)波段在3到8微米的，要求中等制冷77K。響應(yīng)超過8微米的，要求制冷到絕對(duì)溫度幾度。當(dāng)光導(dǎo)探測(cè)器面積一定時(shí)，高響應(yīng)率需要高的量子效率，以便盡可能利用所有入射光子，可在敏感元后面設(shè)反射器或敏感元外表鍍?cè)鐾改ぁ９鈱?dǎo)器件前放的典型電路如圖5。光導(dǎo)探

23、測(cè)器的輸出阻抗較低，要求毫安級(jí)的恒流偏置，實(shí)際做法是用恒壓源經(jīng)一個(gè)串聯(lián)的負(fù)載電阻產(chǎn)生所需的偏流。負(fù)載電阻阻值應(yīng)遠(yuǎn)大于探測(cè)器阻，電壓源要求低紋波，防止引入噪聲。探測(cè)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(jí)的弱信號(hào)，前放放大倍數(shù)高達(dá)數(shù)千倍，前放應(yīng)有較低的噪音系數(shù)，設(shè)計(jì)中一般要求前放的等效輸入電壓噪聲為探測(cè)器的1/10，即認(rèn)為此時(shí)可忽略放大器本身噪聲的影響。前放輸入阻抗與探測(cè)器輸出是否匹配對(duì)放大器的噪音系數(shù)影響很大，是設(shè)計(jì)中必須考慮的因素。2.4 光伏探測(cè)器光伏探測(cè)器是利用光生伏打效應(yīng)。在光伏過程中，半導(dǎo)體部或半導(dǎo)體外表存在一個(gè)p-n結(jié)。入射光子產(chǎn)生電子空穴對(duì)，然后被結(jié)上的電場(chǎng)分開，

24、在探測(cè)器輸出開路情況下可形成光電壓。如將探測(cè)器輸出短路，可產(chǎn)生短路電流。光伏探測(cè)器受到輻照后，其伏安特性曲線將會(huì)下移。設(shè)信號(hào)的輻射通量為，則光電流為： 2-3式中：為量子效率，e為電子電荷量。使用時(shí)可選擇適宜的工作點(diǎn)。一般說來，光伏探測(cè)器工作于短路狀態(tài)時(shí)，即零偏壓狀態(tài)，能產(chǎn)生最正確信噪比。有時(shí)也對(duì)光伏探測(cè)器加適當(dāng)?shù)姆聪蚱?。加反向偏置能增加耗盡層的厚度，從而減小時(shí)間常數(shù)，探測(cè)器有較好的高頻特性。探測(cè)器開路狀態(tài)時(shí)，后接放大器應(yīng)有較高的輸入阻抗，可對(duì)光伏器件輸出開路電壓VO進(jìn)展電壓放大。如光伏探測(cè)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(yīng)很低，可采用如圖8所示的電流-電壓放大電路

25、。光伏探測(cè)器在理論上能到達(dá)的最大探測(cè)率比光電導(dǎo)探測(cè)器大40%。另外，光伏探測(cè)器能零偏置工作，由于是高阻抗器件，即使加反向偏置，偏執(zhí)功耗也很低。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(cè)器至今均是光伏型的。光伏器件既可用于輻射探測(cè)，也可用作能量轉(zhuǎn)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(diǎn)在伏安曲線的第四象限，工作機(jī)理也是光生伏打效應(yīng)，只是器件構(gòu)造更注重能量的轉(zhuǎn)換效率而已。2.5 光電磁探測(cè)器光電磁探測(cè)器由本征半導(dǎo)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(duì)被外加磁場(chǎng)所分開，它不需要電偏置。這類探測(cè)器不需制冷，可響應(yīng)到7微米。主要特點(diǎn)是時(shí)間常數(shù)很

26、小，可小于1ns。由于光電磁探測(cè)器的探測(cè)率比光導(dǎo)和光伏型的低得多，一般很少使用。2.6 光發(fā)射探測(cè)器光發(fā)射探測(cè)器通常是指能產(chǎn)生外光電效應(yīng)的器件，這類探測(cè)器在可見、短波紅外有很高的靈敏度，響應(yīng)波長(zhǎng)可達(dá)1.5微米。光電倍增管就是一種利用光電發(fā)射效應(yīng)的探測(cè)器，可用于弱光光照度10-210-6L*、微弱光光照度小于10-6L*的檢測(cè)，具有高響應(yīng)速度，高靈敏度等特點(diǎn)。光電倍增管由光電陰極、陽極和819級(jí)倍增極組成。入射光子為光電陰極材料外表所吸收后，有自由電子從外表逸出。發(fā)射的電子加速打到另一個(gè)電極上，在電極上每一個(gè)電子會(huì)產(chǎn)生許多二次電子。這些電子又依次加速打到第三電極，并屢次重復(fù)這一過程，得到很高的部

27、放大增益。硅化鉑PtSi探測(cè)器也是一種光發(fā)射探測(cè)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(dǎo)體材料中。2.7 量子阱探測(cè)器量子阱紅外光子探測(cè)器QWIP是由非常薄的GaAs和Al*Gal-*As晶體層交疊而成的，在部形成多個(gè)量子阱。采用分子束外延技術(shù)可將GaAs、Al*Gal-*As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(zhǎng)大于0.92微米的探測(cè)器。但量子阱電子可處于基態(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)。器件的構(gòu)造參數(shù)可保證受激載流子能從勢(shì)阱頂部逸出。并在電場(chǎng)的作用下，被

28、視為光電流。QWIP響應(yīng)的峰值波長(zhǎng)是由量子阱的基態(tài)和激發(fā)態(tài)的能級(jí)差決定的，它的光譜響應(yīng)與本征紅外探測(cè)器不同，QWIP的光譜響應(yīng)峰較窄、較陡。但它的峰值波長(zhǎng)、截止波長(zhǎng)可以靈活、連續(xù)的剪裁，在同一塊芯片上制造出雙色、多色的成像面陣。與其他光子探測(cè)器相比，QWIP獨(dú)特之處首先在于它的響應(yīng)特性可通過制造理想的束縛能級(jí)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AIGaAs合金中Al的分子比，可改變勢(shì)阱高度，從而在較大圍調(diào)整子能帶之間的帶隙，探測(cè)器就可以響應(yīng)3到20微米的輻射。再次，它獲得真正的無噪聲固態(tài)光電倍增效應(yīng)。由于QWIP采用了GaAs生長(zhǎng)和處理的成熟技術(shù)，可以制作成大規(guī)模的成像面陣。

29、量身定制的量子阱陣列完全可以做到：每個(gè)探測(cè)器具有要求的峰值響應(yīng)，并且陣列中的每一個(gè)探測(cè)器可以和一個(gè)獨(dú)立的光電倍增管相連。這樣的陣列就好似是一個(gè)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(zhǎng)波長(zhǎng)，并有較小的構(gòu)造尺寸和較低的功耗。量子阱探測(cè)器的缺點(diǎn)是光譜響應(yīng)峰較窄，因此，研制寬波段的紅外大規(guī)模面陣是開展趨勢(shì)，如814微米、100萬像素的量子阱成像面陣?？梢灶A(yù)見，屆時(shí)紅外相機(jī)和可見光CMOS相繼的差距將大大縮小。3. 熱探測(cè)器3.1 熱電效應(yīng)熱探測(cè)器也統(tǒng)稱為能量探測(cè)器，其原理是利用輻射的熱效應(yīng)，通過熱電變換來探測(cè)輻射。入射到探測(cè)器光敏面的輻射被吸收后，引起響應(yīng)元的溫度升高，響應(yīng)元材料的

30、*一物理量隨之而發(fā)生變化。利用不同物理效應(yīng)可設(shè)計(jì)出不同類型的熱探測(cè)器，其中最常用的有電阻溫度效應(yīng)熱敏電阻、溫差效應(yīng)熱電偶、熱電堆和熱釋電效應(yīng)。由于各種熱探測(cè)器都是現(xiàn)將輻射轉(zhuǎn)化為熱并產(chǎn)生溫升，而這一過程通常很慢，熱探測(cè)器的時(shí)間常數(shù)要比光子探測(cè)器大得多。熱探測(cè)器性能也不像光子探測(cè)器那樣有些已接近背景極限。即使在低頻下，它的探測(cè)率要比室溫背景極限值低一個(gè)數(shù)量級(jí)，高頻下的差異就更大了。因此，熱探測(cè)器不適用于快速、高靈敏度的探測(cè)。熱探測(cè)器的最大優(yōu)點(diǎn)是光譜響應(yīng)圍較寬且較平坦。3.2 熱敏電阻嚴(yán)格來說，利用輻射熱效應(yīng)而引起電阻變化的熱探測(cè)器應(yīng)稱之為測(cè)熱輻射計(jì)Bolometer，俗稱熱敏電阻。當(dāng)用橋式測(cè)量電路

31、時(shí)，兩個(gè)熱敏電阻具有一樣的溫度特性，分別測(cè)量和補(bǔ)償。當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，不會(huì)破壞電橋的平衡。用較為簡(jiǎn)單的測(cè)量電路時(shí)，只有熱敏電阻電壓的變化量才能通過耦合電容傳遞給信號(hào)放大電路。當(dāng)照射到熱敏電阻的輻射發(fā)生變化時(shí)，引起溫度變化有一個(gè)時(shí)間延遲，此延遲取決于熱敏電阻部的熱學(xué)構(gòu)造。用熱平衡方程可表達(dá)為： 3-1式中：為入射輻射功率增量，單位W；為探測(cè)元溫度增量，單位K；為探測(cè)元有效熱導(dǎo)，單位WK-1；C為探測(cè)元熱容，單位JK-1。公式的物理意義是：入射的輻射功率一局部通過傳導(dǎo)和輻射方式耗散，具體取決于探測(cè)元的熱導(dǎo)。另一局部以蓄熱方式儲(chǔ)存起來，該局部取決于探測(cè)元的熱容。如入射輻射按正弦變化：該微分方程的穩(wěn)定

32、解為： 3-2響應(yīng)元電阻變化為： 3-3式中：響應(yīng)元電阻；溫度系數(shù)；響應(yīng)元比輻射率即吸收率，即熱容與有效熱導(dǎo)之比，即熱時(shí)間常數(shù)，單位為秒。公式清楚地說明：要減小熱時(shí)間常數(shù)，響應(yīng)元應(yīng)有較小的熱容和較大的熱導(dǎo)或較小的熱阻。但是，熱導(dǎo)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(huì)影響響應(yīng)率。因此，熱敏電阻響應(yīng)元通常具有薄片狀構(gòu)造，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(shí)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(jié)而成，由于材料本身吸收不是很好，制作時(shí)必須黑化。熱敏電阻噪聲主要是1/f噪聲和熱噪聲。對(duì)于有最正確信噪比的大偏置電流的情況，主要是1/f

33、噪聲。偏置電流足夠小時(shí)，熱噪聲其主要作用。此時(shí)，熱敏電阻的噪聲譜是平的，僅依賴于響應(yīng)元的電阻和溫度。3.3 熱電偶和熱電堆當(dāng)加熱兩種不同材料的接點(diǎn)處時(shí)，將在開路的兩端產(chǎn)生電壓，這就是熱伏效應(yīng)。這個(gè)接點(diǎn)就稱為熱電偶，由一個(gè)以上熱電偶組成的響應(yīng)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(diǎn)J1，固定在黑化的接收器上，接收器即響應(yīng)元。冷接點(diǎn)J2保持基準(zhǔn)溫度。當(dāng)響應(yīng)元溫度從上升到時(shí)，熱接點(diǎn)J1也上升到同樣溫度，建立的開路熱電電動(dòng)勢(shì)為： 3-4其中，為兩種材料的熱電率，為接收器的比輻射率，為熱接點(diǎn)和響應(yīng)元熱阻之和。開路情況下，對(duì)恒定的入射輻射的響應(yīng)率為： 3-5為到達(dá)高響

34、應(yīng)率，響應(yīng)元應(yīng)有高吸收率，熱電偶材料應(yīng)有高熱電率，并選用高熱阻材料。對(duì)應(yīng)交流入射功率的響應(yīng)率為： 3-6式中為時(shí)間常數(shù)，要減少響應(yīng)時(shí)間必須減小熱容或減小熱阻，熱阻過小溫升也小，響應(yīng)率會(huì)降低。所有熱探測(cè)器響應(yīng)率和響應(yīng)速度都受到熱構(gòu)造的限制，其時(shí)間常數(shù)有時(shí)候就直接稱為熱時(shí)間常數(shù)。熱電堆的時(shí)間常數(shù)一般在幾十毫秒。除雙金屬結(jié)點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生熱伏效應(yīng)外，如果用兩塊N型和P型的半導(dǎo)體作電偶對(duì)也會(huì)產(chǎn)生十分顯著的溫差效應(yīng)，稱為Peltier效應(yīng)。Peltier效應(yīng)有可逆性：如果把兩種導(dǎo)體連接成電偶對(duì)，當(dāng)有直流電通過電偶對(duì)時(shí)，將在電偶對(duì)的兩端產(chǎn)生溫差。改變電流的方向，可產(chǎn)生加熱效應(yīng)或制冷響應(yīng)。反之，則會(huì)產(chǎn)生熱伏效應(yīng)。

35、以半導(dǎo)體的Peltier效應(yīng)是不顯著的，用兩塊N型和P型的半導(dǎo)體制作電偶對(duì)的效應(yīng)就比擬顯著。用半導(dǎo)體熱電堆測(cè)量輻射功率的儀器稱為卡路里計(jì)，其原理是將吸收的熱流轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電流。3.4 熱釋電探測(cè)器但凡有自發(fā)極化的晶體，其外表會(huì)出現(xiàn)面束縛電荷。而這些面束縛電荷平時(shí)被晶體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(qiáng)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(gè)端面會(huì)出現(xiàn)交變的端電壓。與所有熱探測(cè)器一樣，熱釋電探測(cè)器的工作原理可以用三個(gè)過程來描述：輻

36、射熱為吸收過程，熱溫度為加熱過程，溫度電則為測(cè)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(duì)周期變化的紅外輻射響應(yīng)元溫升為： 3-7式中：正弦變化輻射功率峰值；響應(yīng)元比輻射率；G響應(yīng)元熱導(dǎo)，單位WK-1；即熱容與有效熱導(dǎo)之比，即熱時(shí)間常數(shù)，單位為秒。熱釋電探測(cè)器是一個(gè)電容性的低噪聲器件，等效電路可表達(dá)為：熱釋電電流與輻射角頻率、響應(yīng)元面積、溫升成正比，可表達(dá)為： 3-8式中 P稱為熱電系數(shù)。信號(hào)電壓 3-9式中：、分別為探測(cè)器和前放等效輸入電阻、等效電容；為電時(shí)間常數(shù)。將溫升結(jié)果代入 3-10響應(yīng)率、輻射角頻率、熱時(shí)間常數(shù)、電時(shí)間常數(shù)對(duì)熱釋電器件響應(yīng)率的影響可歸納為：響應(yīng)率為零

37、，隨角頻率增加而增加； 響應(yīng)率為常數(shù)； 響應(yīng)率與角頻率成反比。熱釋電材料有單晶、瓷、薄膜等種類。單晶熱釋電晶體的熱釋電系數(shù)高，介質(zhì)損耗小，至今性能最好的熱釋電探測(cè)器大多項(xiàng)選擇用單晶制作。如TGS、LATGS、LiTaO3等。瓷熱釋電晶體本錢較低，響應(yīng)較慢。如入侵報(bào)警用PZT瓷探測(cè)器工作頻率0.25Hz。薄膜熱釋電材料可以用濺射法、液相外延法等方法制備。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(duì)于制作高性能的熱釋電探測(cè)器十分有利。熱釋電探測(cè)器光譜響應(yīng)圍較寬，可以非制冷工作，已廣泛用于輻射測(cè)量。由于探測(cè)器性能均勻，功耗低，成像型的熱釋電面陣有很好的應(yīng)用背景。4. 商用

38、紅外探測(cè)器4.1 紅外探測(cè)器開展歷史20世紀(jì)40年代后期到50年代，為提高紅外探測(cè)器的靈敏度和響應(yīng)速度，光子探測(cè)器得到迅速開展。PbS是第一種實(shí)用的紅外探測(cè)器，可響應(yīng)至3微米，PbS在二次大戰(zhàn)期間在德國開展起來的，并在戰(zhàn)爭(zhēng)中得到多種應(yīng)用。20世紀(jì)40年代后期到50年代，開展了多種紅外探測(cè)器材料，例如利用35微米大氣窗口的PbSe、PbTe和InSb材料，他們響應(yīng)波長(zhǎng)都超過了PbS。同時(shí)出現(xiàn)了響應(yīng)在814微米大氣窗口和1430微米的長(zhǎng)撥大氣窗口非本征鍺器件。50年代末，首次提出-、-、-族半導(dǎo)體合金的概念，如英國人提出的HgCdTe半導(dǎo)體合金。這種合金允許調(diào)整與光譜響應(yīng)所對(duì)應(yīng)的半導(dǎo)體禁帶寬度，以

39、滿足不同響應(yīng)波長(zhǎng)的需要，是至今應(yīng)用最廣泛的材料。60年代初，由于光刻技術(shù)的應(yīng)用，產(chǎn)生了第一個(gè)非本征鍺摻汞長(zhǎng)波線列，并應(yīng)用于紅外前視系統(tǒng)。60年代末和70年代初，開展了第一代HgCdTe光導(dǎo)探測(cè)器線列。這類探測(cè)器允許長(zhǎng)波紅外前視系統(tǒng)只采用一個(gè)單級(jí)制冷機(jī)，工作溫度為80K。這就使系統(tǒng)構(gòu)造更為緊湊、輕便，功耗也大幅下降。用于戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用的光導(dǎo)HgCdTe線列大批生產(chǎn)了十多年。在此期間得到開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(cè)器線列的每一個(gè)探測(cè)元都有一根獨(dú)立的信號(hào)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，構(gòu)造限制了第一代線列的元數(shù)必須小于200.英國創(chuàng)造的SPR

40、ITE器件，將普通的光導(dǎo)HgCdTe技術(shù)和信號(hào)的時(shí)間延遲積分TDI糅合在單個(gè)延長(zhǎng)的探測(cè)元上。盡管只是10元左右的線列，它提供了一代半的技術(shù)。60年代后期，由于硅CCD的創(chuàng)造，使得帶焦平面信號(hào)讀出的第二代探測(cè)器陣列的設(shè)想成為現(xiàn)實(shí)。這種讀出構(gòu)造能多路傳輸大陣列器件的信號(hào)，但是實(shí)施時(shí)對(duì)探測(cè)器有阻抗要求。只有InSb、PtSi和HgCdTe那樣的光伏型探測(cè)器和PbSe、PbS之類高阻抗光導(dǎo)器件才能提供與多路傳輸器的場(chǎng)效應(yīng)管輸入級(jí)互聯(lián)的適宜阻抗。由于光導(dǎo)HgCdTe是低阻抗器件，偏置功耗也較大，所以并不適合制成大陣列。因此，70年代后期，甚至整個(gè)80年代，HgCdTe技術(shù)幾乎集中在光伏器件的開展。作為第

41、二代紅外探測(cè)器標(biāo)志的二維大陣列有兩大類：一類是具有TDI功能的線列構(gòu)造，用于掃描成像；另一類是面陣構(gòu)造，用于凝視成像系統(tǒng)。表1 常見商用光子探測(cè)器和熱探測(cè)器光子探測(cè)器熱探測(cè)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Si*Lead Zirconium Titanite (PbZT)光發(fā)射PtSiBarium Strontium Titanite (BST)量子阱GaAs/AlGaAs熱容Bimetals自CCD創(chuàng)造到帶讀

42、出電路的紅外焦平面探測(cè)器的成熟，經(jīng)歷了近20年時(shí)間?，F(xiàn)在，光子探測(cè)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(cè)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(cè)率不如光子探測(cè)器，這種面陣可在室溫下工作，只需用一級(jí)熱電制冷穩(wěn)定芯片溫度和防止熱串?dāng)_。室溫?zé)崽綔y(cè)器面陣功耗小，價(jià)格低廉，應(yīng)用十分廣泛?，F(xiàn)在，紅外傳感技術(shù)正處于從第一代器件向第二代器件轉(zhuǎn)化的時(shí)期。紅外焦平面器件功能目前只包含了信號(hào)讀出?？梢灶A(yù)計(jì)，紅外焦平面技術(shù)開展趨勢(shì)能將紅外成像傳感器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信息處理器相結(jié)合，具有類似動(dòng)物眼睛作用的新功能。4.2 商用探測(cè)器性能概述商用光子探測(cè)器和熱探測(cè)

43、器常見的如表1所示：幾種典型紅外光子探測(cè)器探測(cè)率的光譜特性曲線如圖20所示。使用者不僅要注意探測(cè)器的探測(cè)率和光譜響應(yīng)圍，還應(yīng)注意：光子探測(cè)器的光譜響應(yīng)截止波長(zhǎng)越長(zhǎng)，探測(cè)器工作溫度越低。不同工作溫度下一些可制成陣列的探測(cè)器材料的光譜截止波長(zhǎng)如表2：表2 一些探測(cè)器材料的光譜截止波長(zhǎng)工作溫度K300190801.560制冷方式室溫四級(jí)熱電，氟利昂13，干冰液氮，焦湯制冷，單級(jí)機(jī)械制冷二級(jí)、三級(jí)機(jī)械制冷，液氖，液氫或液氦PbS3.03.33.6-PbSe4.45.46.5-InSb7.06.15.55.0PtSi-4.8-光伏HgCdT導(dǎo)HgCdTe111311525122

44、5非本征硅-832非本征鍺-72004.3 典型光子探測(cè)器的性能特點(diǎn)1HgCdTeHgCdTe材料具有較寬的光譜覆蓋圍，其光譜適應(yīng)性直接與它能生長(zhǎng)的合金組分圍有關(guān)，這樣可對(duì)*特定波長(zhǎng)的響應(yīng)最優(yōu)化。光伏HgCdTe器件的波長(zhǎng)一般小于12m，對(duì)于35m中波紅外應(yīng)用、可在175220K溫度下工作。這樣可以采用熱電制冷。對(duì)于短波紅外應(yīng)用，可以在更高溫度下工作，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

45、件采用液相外延材料，器件外表鍍抗反射膜。器件采用直接混成或間接混成構(gòu)造，即用銦柱實(shí)現(xiàn)探測(cè)器與讀出電路直接或間接軟金屬互連。光伏HgCdTe陣列技術(shù)上日趨成熟，已形成較完整的產(chǎn)品系列。光導(dǎo)HgCdTe器件在80K下可將響應(yīng)延伸到25m，但是，探測(cè)率還不能像80K工作的短波器件那樣到達(dá)背景限。在過去10年中，光導(dǎo)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(gè)關(guān)鍵的因素。提高增益的另一個(gè)好處是大大減少了1/f噪聲。一般光導(dǎo)HgCdTe器件1/f噪聲的拐點(diǎn)通常在1000Hz，而在高增益情況下，1/f噪聲的拐點(diǎn)只有幾百赫茲，甚至更

46、低。目前光導(dǎo)HgCdTe器件僅限于線列，每個(gè)探測(cè)元的信號(hào)都通過杜瓦瓶連接到前放或多路開關(guān)，采用焦平面多路傳輸技術(shù)解決光導(dǎo)探測(cè)器低阻抗問題的研究至今沒有結(jié)果。2PtSiPtSi探測(cè)器件陣列是目前可使用的最大紅外圖像傳感器，已生產(chǎn)的產(chǎn)品方形構(gòu)造最大面陣可達(dá)10241024元，矩形構(gòu)造最大480640元。還有帶16行或4行TDI功能的2048元和4096元長(zhǎng)線列器件。PtSi探測(cè)器陣列除銦柱互聯(lián)的混成構(gòu)造外，還有將信號(hào)處理電路做在探測(cè)器/讀出芯片四周的單片構(gòu)造。PtSi探測(cè)器可以做成大陣列，響應(yīng)均勻性好，成品率也高，許多PtSi熱像儀現(xiàn)已商售。PtSi的光譜響應(yīng)或量子效率隨波長(zhǎng)成指數(shù)衰減，在45m光

47、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(yīng)用場(chǎng)合。3InSb光伏InSb是在80K下中波波段性能最正確的一種探測(cè)器。InSb材料是高度均勻的材料，再與平面注入工藝相結(jié)合能使陣列響應(yīng)率的均勻性最正確?，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(yīng)應(yīng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)。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，工作溫度聲道145K還是可行的。InSb器件對(duì)衛(wèi)星應(yīng)用是十分有效的，因?yàn)樵谛l(wèi)星上依靠輻射制冷。4非本征硅探測(cè)器非本征硅探測(cè)器的光譜響應(yīng)與雜質(zhì)如銦、鎵、砷等的能級(jí)以及摻雜濃度有關(guān)，準(zhǔn)確的長(zhǎng)波截止波長(zhǎng)

48、是摻雜濃度的函數(shù)。非本征硅探測(cè)器的性能通常是背景限的，峰值相應(yīng)處的量子效率通常為10%50%。非本征硅探測(cè)器主要用于低背景天文應(yīng)用。5PbS和PbSePbS和PbSe是高阻抗光導(dǎo)器件，探測(cè)器的阻抗與工作溫度、背景通量和化學(xué)摻雜有關(guān)。工作溫度從77K300K均可，隨溫度增加，其光譜響應(yīng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)。PbS和PbSe響應(yīng)率的不均勻性在3%10%，量子效率最高可達(dá)30%。PbS和PbSe光導(dǎo)器件的高阻抗使得它們可以與CMOS讀出電路互聯(lián)，制成陣列的成品率也較高。由于PbSe的1/f噪聲顯著，77K時(shí)，拐點(diǎn)頻率300Hz；200K時(shí)為750Hz；300K時(shí)可達(dá)7000Hz，這極限制了PbSe器件在成

49、像掃描系統(tǒng)中的應(yīng)用。5. 探測(cè)器噪聲和低噪聲電子設(shè)計(jì)5.1 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(cè)器、電路元件產(chǎn)生的隨機(jī)電起伏。本質(zhì)上講，大多數(shù)物理量都是不連續(xù)的或顆粒狀的。例如：電路是由電子流組成的，每一個(gè)電子都帶有一份獨(dú)立的電荷。電子通過電路中*一點(diǎn)的速率的隨機(jī)起伏，就表現(xiàn)為電噪聲。電噪聲是一種隨機(jī)變量，在任一瞬間，隨機(jī)噪聲的幅度和該瞬時(shí)前后出現(xiàn)的幅度完全無關(guān)，只能用統(tǒng)計(jì)的方法去表示*一幅值出現(xiàn)的概率。我們可以用一定時(shí)間間隔，電壓或電流的均方根差來表示噪聲電壓或噪聲電流。即： 5-1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(gè)或更多獨(dú)

50、立的噪聲源，其總效果可將各個(gè)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一樣，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(hào)帶寬的噪聲電壓。即 或。5.2 探測(cè)器噪聲的類型不僅響應(yīng)率會(huì)隨輻射頻率變化，探測(cè)率也會(huì)隨輻射頻率變化。因?yàn)?5-2D*與f的關(guān)系與探測(cè)器噪聲的類型有關(guān)。對(duì)于受白噪聲噪聲大小與頻率無關(guān)限制的探測(cè)器，D*與f的關(guān)系和R與f的關(guān)系有一樣的形式，對(duì)于受其他形式噪聲限制的探測(cè)器，D*與f的關(guān)系往往和R與f的關(guān)系不同。探測(cè)器噪聲從機(jī)理上區(qū)分大致有以下幾類：Joh

51、nson噪聲也稱熱噪聲，存在于所有探測(cè)器。一個(gè)電阻器就是一個(gè)熱噪聲發(fā)生器。熱平衡時(shí)，電阻元件中的電荷載流子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)在元件兩端產(chǎn)生的隨機(jī)電壓。當(dāng)電阻溫度上升時(shí)，電荷載流子的平均動(dòng)能增加，則噪聲電壓增加。熱噪聲存在于所有探測(cè)器，其噪聲電壓可表達(dá)為： 5-3熱噪聲的譜密度為： 5-4在給定溫度下，熱噪聲的噪聲電壓只與電阻有關(guān)，如果噪聲源是一個(gè)阻抗，則噪聲電壓只取決于阻抗的電阻局部，而與電容、電感局部無關(guān)。噪聲電壓與帶寬的平方根成正比，而與頻率上下無關(guān)，即熱噪聲的譜密度與頻率無關(guān)，故稱之為白噪聲。2溫度噪聲由于熱探測(cè)器敏感元件跟周圍的輻射交換或與散熱片之間的傳導(dǎo)交換，使敏感元件的溫度發(fā)生隨機(jī)起伏，而

52、引起信號(hào)電壓的隨機(jī)起伏，這種噪聲稱為溫度噪聲。溫度噪聲僅在熱探測(cè)器中能觀察到，熱探測(cè)器性能的理論極限是根據(jù)溫度噪聲計(jì)算的。31/f噪聲也稱調(diào)制噪聲或閃爍噪聲，產(chǎn)生的物理機(jī)理尚不清楚。1/f噪聲對(duì)低頻段影響較大，可用來表征其功率譜，n取0.82。4產(chǎn)生-復(fù)合噪聲產(chǎn)生-復(fù)合噪聲是敏感元件電荷載流子的產(chǎn)生率和復(fù)合率的統(tǒng)計(jì)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(dá)率的隨機(jī)性而引起。如果背景光子起伏對(duì)產(chǎn)生-復(fù)合率的起伏起主要奉獻(xiàn)，則這種噪聲也稱為光子噪聲、輻射噪聲或背景噪聲。產(chǎn)生-復(fù)合噪聲存在于所有光子探測(cè)器，對(duì)于光伏探測(cè)器，由于只有自由載流子產(chǎn)生率的起伏對(duì)噪聲有奉獻(xiàn)，光伏探測(cè)器的

53、值要小倍。5散彈噪聲這種噪聲是由于流過p-n結(jié)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(jī)噪聲或電壓，短路噪聲電壓可表達(dá)為： 5-5通常存在于光伏探測(cè)器和薄膜探測(cè)器，光導(dǎo)探測(cè)器由于沒有p-n結(jié)，所以不存在散彈噪聲。探測(cè)器的總噪聲是以上各種噪聲的均方根，不同類型探測(cè)器，在不同頻率段，其主導(dǎo)作用的噪聲也是不同的。5.3 低噪聲電子設(shè)計(jì) 噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)也叫噪聲因素，是器件或電路對(duì)于噪聲的品質(zhì)因素。如一個(gè)放大電路的增益為G，則它的噪聲系數(shù)定義為： 5-6由于，代入上式，得 5-7因?yàn)樵肼曄禂?shù)是功率比，所以也可用分貝表示，稱為對(duì)數(shù)噪聲系數(shù)。NF=10log F 5-8噪聲系數(shù)是

54、放大器引起的信噪比惡化程度的量度。一個(gè)好的放大器是在源噪聲根底上不增加噪聲的放大器，其噪聲系數(shù)F=1，或者說對(duì)數(shù)噪聲系數(shù)NF=0。低噪聲電子設(shè)計(jì)的目的是使實(shí)際放大器的噪聲系數(shù)接近這種理想的狀態(tài)。探測(cè)器輸出微弱信號(hào)通常需經(jīng)多級(jí)放大，我們可以導(dǎo)出級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)，以分析系統(tǒng)的最重要的放大源在哪里。設(shè)有兩級(jí)功率增益分別為G1和G2的放大器級(jí)聯(lián)，它們單獨(dú)使用時(shí)噪聲系數(shù)分別為F1和F2，即： 5-9級(jí)聯(lián)后第一級(jí)的輸出噪聲即第二級(jí)輸入噪聲為： 5-10級(jí)聯(lián)后總輸出噪聲可認(rèn)為有兩局部組成：第一局部是第一級(jí)輸出噪聲放大倍后形成的噪聲，即： 5-11 第二局部則是第二級(jí)放大器增加的噪聲。按的定義，當(dāng)?shù)诙?jí)輸入

55、噪聲為時(shí)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(jí)放大器增加的額外噪聲。因此，級(jí)聯(lián)后總輸出噪聲為上述兩局部噪聲之和： 5-12兩級(jí)級(jí)聯(lián)電路的噪聲系數(shù)為： 5-13同理，我們也可導(dǎo)出三級(jí)級(jí)聯(lián)電路的噪聲系數(shù)為： 5-14可以得出的結(jié)論是：如果第一級(jí)增益高時(shí)，級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的噪聲系統(tǒng)主要受第一級(jí)噪聲的影響。探測(cè)器信號(hào)放大電路的第一級(jí)通常為高增益的低噪聲放大器，稱為前置放大器，后級(jí)主放大增益較低，對(duì)低噪聲的要求也較低。 最正確源電阻前置放大電路用于對(duì)探測(cè)器輸出微弱電流或電壓信號(hào)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(cè)器輸出的信噪比。這樣即使前放在放大過程中引

56、入噪聲，相對(duì)于探測(cè)器噪聲而言也可以忽略。為研究前置放大器對(duì)探測(cè)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(gè)無噪聲放大器，但是在輸入端串聯(lián)一個(gè)零阻抗噪聲電壓源En和并聯(lián)一個(gè)阻抗無窮大的噪聲電流源In。探測(cè)器可視為一個(gè)電壓源VS，其源電阻Rs產(chǎn)生的熱噪聲用噪聲電壓源Et表示。 5-15這三個(gè)噪聲源又可用等效輸入噪聲Eni表示，即用位于Vs的一個(gè)噪聲源代替所有的系統(tǒng)噪聲源。如果Eni、Et、In和都是均方根值，不相關(guān)的噪聲源疊加可將它們的噪聲功率簡(jiǎn)單相加。即為： 5-16這里Eni是接上探測(cè)器后放大器輸出噪聲折算至輸入端的等效噪聲，Eni與探測(cè)器噪聲Et之比即放大器的噪聲系數(shù)，低噪

57、聲設(shè)計(jì)的目的是使Eni盡量接近Et。從圖24可以看出：放大器噪聲系數(shù)與源電阻有關(guān)。Eni中的放大器噪聲在源電阻較小時(shí)主要表現(xiàn)為電壓噪聲。當(dāng)源電阻較大時(shí)，主要是電流噪聲起作用。當(dāng)時(shí)，總等效輸入噪聲最靠近熱噪聲曲線。此時(shí)，放大器在探測(cè)器熱噪聲的根底上增加的噪聲最小，噪聲系數(shù)最小。稱為最正確源電阻。最正確源電阻不是功率傳輸最大時(shí)的電阻，它和放大器的輸入阻抗沒有直接關(guān)系，它是由放大器的噪聲機(jī)構(gòu)決定的。 晶體管噪聲如果不能忽略下一級(jí)噪聲，前置放大器應(yīng)提供足夠的增益，以抑制下一級(jí)噪聲的奉獻(xiàn)。在這種情況下，輸入晶體管是影響讀出電路噪聲的主要因素。用于低噪聲放大器的晶體管有雙極晶體管BJT、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFE

58、T和金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET。MOSFET的工作溫度圍、功率和噪聲特性較好，許多現(xiàn)代讀出集成電路都是由用CMOS工藝制造的MOSFET和其他組件組成。N型溝道的MOSFET是由注入形成的n型漏區(qū)和源區(qū)組成，引出漏極和源極。漏源之間由p摻雜硅襯底相隔離，在源區(qū)和漏區(qū)之間的半導(dǎo)體外表上，有絕緣的介質(zhì)薄層通常為SO2，引出電極為柵極。正的柵源電壓在半導(dǎo)體外表產(chǎn)生電場(chǎng)，如果柵電壓超過特定閾值，電場(chǎng)將排斥多數(shù)載流子空穴，吸引電子，在半導(dǎo)體外表形成很薄的n型導(dǎo)電溝道。P型溝道的MOSFET工作原理相仿，只是采用相反的摻雜和電壓。MOSFET和JFET的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)有所不同，結(jié)型的JFET是利用導(dǎo)電

59、溝道之間耗盡區(qū)的大小來控制漏極電流，而絕緣柵的MOSFET則是利用感應(yīng)電荷的多少來改變導(dǎo)電溝道的性質(zhì)，根本上是沒有柵流產(chǎn)生的。一個(gè)有噪聲的晶體管放大器同樣可以等效為輸入端串聯(lián)了一個(gè)噪聲電壓源和并聯(lián)了一個(gè)噪聲電流源的無噪聲放大器。圖27給出了共發(fā)射極或共源極BJT、JFET和MOSFET放大器噪聲電壓、噪聲電流的頻譜?？梢钥闯觯鼈兊淖钫_電阻不同。BJT最低，JFET次之，MOSFET最高。最正確源電阻不同，與之匹配的探測(cè)器源電阻的圍也有所不同。按阻抗可把探測(cè)器分為兩類：其一為低阻抗探測(cè)器低于10k，如長(zhǎng)波紅外HgCdTe光導(dǎo)探測(cè)器；其二為高阻抗探測(cè)器大于10k，如光伏、非本征硅及硅化鉑探測(cè)器

60、。對(duì)于通常具有10M以上阻抗的光伏探測(cè)器，MOSFET的噪聲比探測(cè)器熱噪聲小。然而，對(duì)阻抗低于100k的探測(cè)器，如低電阻的光導(dǎo)探測(cè)器，MOSFET并不是最正確選擇。在這種情況下，最好選擇雙極晶體管。JFET常用于分立元件的放大器中，接小于100M的探測(cè)器，即使在室溫下，也比MOSFET有更好的性能，并且，因?yàn)樯⒘Ｔ肼曇鸬妮斎肫秒娏麟S溫度降低明顯的減小，低溫JFET具有較好的低噪聲性能，可匹配阻抗大于100M的探測(cè)器。 常用前置放大器的噪聲前置放大器通常采用電壓放大和電流電壓放大互阻抗兩種形式。根據(jù)線性網(wǎng)絡(luò)迭加原理，電壓放大器的等效輸入噪聲電壓為： 5-17 單位為式中是放大器輸入電阻和探測(cè)