紅外探測器原理及分類

　　不同種類的物體發(fā)射出的紅外光波段是有其特定波段的，該波段的紅外光處在可見光波段之外。因此人們可以利用這種特定波段的紅外光來實現(xiàn)對物體目標(biāo)的探測與跟蹤。將不可見的紅外輻射光探測出并將其轉(zhuǎn)換為可測量的信號的技術(shù)就是紅外探測技術(shù)。從目前應(yīng)用的情況來看，紅外探測有如下幾個優(yōu)點：環(huán)境適應(yīng)性優(yōu)于可見光，尤其是在夜間和惡劣天候下的工作能力；隱蔽性好，一般都是被動接收目標(biāo)的信號，比雷達(dá)和激光探測安全且保密性強，不易被干擾；由于是*目標(biāo)和背景之間的溫差和發(fā)射率差形成的紅外輻射特性進(jìn)行探測，因而識別偽裝目標(biāo)的能力優(yōu)于可見光；與雷達(dá)系統(tǒng)相比，紅外系統(tǒng)的體積小，重量輕，功耗低；探測器的光譜響應(yīng)從短波擴(kuò)展到長波；探測器從單元發(fā)展到多元、從多元發(fā)展到焦平面；發(fā)展了種類繁多的探測器和系統(tǒng)；從單波段探測向多波段探測發(fā)展；從制冷型探測器發(fā)展到室溫探測器；由于紅外探測技術(shù)有其獨特的優(yōu)點從而使其在軍事國防和民用領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用，尤其是在軍事需求的牽引和相關(guān)技術(shù)發(fā)展的推動下，作為高新技術(shù)的紅外探測技術(shù)在未來的應(yīng)用將更加廣泛，地位更加重要。紅外探測器是將不可見的紅外輻射能轉(zhuǎn)變成其它易于測量的能量形式的能量轉(zhuǎn)化器，作為紅外整機(jī)系統(tǒng)的核心關(guān)鍵部件，紅外探測器的研究始終是紅外物理與技術(shù)發(fā)展的中心。自1800年Herschel發(fā)現(xiàn)太陽光譜中的紅外線時所用的涂黑水銀溫度計為最早的紅外探測器以來，隨著紅外實驗和理論的發(fā)展，新器件不斷涌現(xiàn)。紅外探測器制備涉及物理、材料、化學(xué)、機(jī)械、微電子、計算機(jī)等多學(xué)科，是一門綜合科學(xué)。
　　1.2.1熱探測器熱探測器吸收紅外輻射后，溫度升高，可以使探測材料產(chǎn)生溫差電動勢、電阻率變化，自發(fā)極化強度變化，或者氣體體積與壓強變化等，測量這些物理性能的變化就可以測定被吸收的紅外輻射能量或功率。分別利用上述不同性能可制成多種熱探測器：
　　(1) 液態(tài)的水銀溫度計及氣動的高萊池（Golay cell）：利用了材料的熱脹冷縮效應(yīng)。
　　(2) 熱電偶和熱電堆：利用了溫度梯度可使不同材料間產(chǎn)生溫差電動勢的溫差電效應(yīng)。
　　(3) 石英共振器非制冷紅外成像列陣：利用共振頻率對溫度敏感的原理來實現(xiàn)紅外探測。
　　(4)測輻射熱計：利用材料的電阻或介電常數(shù)的熱敏效應(yīng)—輻射引起溫升改變材料電阻—用以探測熱輻射。因半導(dǎo)體電阻有高的溫度系數(shù)而應(yīng)用最多，測溫輻射熱計常稱“熱敏電阻”。另外，由于高溫超導(dǎo)材料出現(xiàn)，利用轉(zhuǎn)變溫度附近電阻陡變的超導(dǎo)探測器引起重視。如果室溫超導(dǎo)成為現(xiàn)實，將是21世紀(jì)最引人注目的一類探測器；
　　(5) 熱釋電探測器：有些晶體，如硫酸三甘酞、鈮酸鍶鋇等，當(dāng)受到紅外輻射照射溫度升高時，引起自發(fā)極化強度變化，結(jié)果在垂直于自發(fā)極化方向的晶體兩個外表面之間產(chǎn)生微小電壓，由此能測量紅外輻射的功率。
　　1.2.2光子探測器光子探測器吸收光子后，本身發(fā)生電子狀態(tài)的改變，從而引起內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)等光子效應(yīng)，從光子效應(yīng)的大小可以測定被吸收的光子數(shù)。
　　(1)光電導(dǎo)探測器：又稱光敏電阻。半導(dǎo)體吸收能量足夠大的光子后，體內(nèi)一些載流子從束縛態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂蓱B(tài)，從而使半導(dǎo)體電導(dǎo)率增大，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。利用光電導(dǎo)效應(yīng)制成的光電導(dǎo)探測器分為多晶薄膜型和單晶型兩種。
　　(2)光伏探測器：主要利用p-n結(jié)的光生伏特效應(yīng)。能量大于禁帶寬度的紅外光子在結(jié)區(qū)及其附近激發(fā)電子空穴對。存在的結(jié)電場使空穴進(jìn)入p區(qū)，電子進(jìn)入n區(qū)，兩部分出現(xiàn)電位差，外電路就有電壓或電流信號。與光電導(dǎo)探測器比較，光伏探測器背景限探測率大40%，不需要外加偏置電場和負(fù)載電阻，不消耗功率，有高的阻抗。
　　(3)光發(fā)射-Schottky勢壘探測器：金屬和半導(dǎo)體接觸，形成Schottky勢壘，紅外光子透過Si層被PtSi吸收，使電子獲得能量躍遷至費米能級，留下空穴越過勢壘進(jìn)入Si襯底，PtSi層的電子被收集，完成紅外探測。
　　(4)量子阱探測器（QWIP）：將兩種半導(dǎo)體材料用人工方法薄層交替生長形成超晶格，在其界面有能帶突變，使得電子和空穴被限制在低勢能阱內(nèi)，從而能量量子化形成量子阱。利用量子阱中能級電子躍遷原理可以做紅外探測器。因入射輻射中只有垂直于超晶格生長面的電極化矢量起作用，光子利用率低；量子阱中基態(tài)電子濃度受摻雜限制，量子效率不高；響應(yīng)光譜區(qū)窄；低溫要求苛刻。