红外探测器技术的发展

　　所有物体均发射与其温度和特性相关的热辐射，环境温度附近物体的热辐射大多位于红外波段。红外辐射占据相当宽的电磁波段（0.8μm～1000μm）。可知，红外辐射提供了客观世界的丰富信息，充分利用这些信息是人们追求的目标。

　　将不可见的红外辐射转换成可测量的信号的器件就是红外探测器。探测器作为红外整机系统的核心关键部件，探测、识别和分析红外信息并加以控制。

　　热成像是红外技术的一个重要方面，得到了广泛应用，首要的当属军事应用。反之，由于应用的驱使，红外探测器的研究、开发乃至生产，越来越受重视而得以长足发展。

　　1800年Herschel 发现太阳光谱中的红外线用的涂黑水银温度计为最早的红外探测器，此后，尤其是二次大战以来，不断出现新器件。现代科学技术的进展提供红外探测器研制的广阔天地，高性能新型探测器层出不穷。今天的探测器制备已成为涉及物理、材料等基础科学和光、机、微电子和计算机等多领域的综合科学技术。

　　2、物理学的进展是红外探测器的基础

　　红外辐射与物质（材料）相互作用产生各种效应。100多年来，从经典物理到20世纪开创的近代物理，特别是量子力学、半导体物理等学科的创立，到现代的介观物理、低维结构物理等等，有许多而且越来越多可用于红外探测的物理现象和效应。

　　2.1热探测器

　　热辐射引起材料温度变化产生可度量的输出。有多种热效应可用于红外探测器。

　　（1）热胀冷缩效应的液态的水银温度计、气态的高莱池（Golay cell）;

　　（2）温差电（Seebeck）效应。可做成热电偶和热电堆，主要用于测量仪器。

　　（3）共振频率对温度的敏感可制作石英共振器非致冷红外成像阵列。

　　（4）材料的电阻或介电常数的热敏效应--辐射引起温升改变材料电阻用以探测热辐射- 测辐射热计（Bolometer）：半导体有高的温度系数而应用最多，常称 “ 热敏电阻”。利用转变温度附近电阻巨变的超导探测器引起重视。如果室温度超导成为现实，将是21世纪最引人注目的探测器。

　　（5）热释电效应：快速温度变化使晶体自发极化强度改变，表面电荷发生变化，可作成热释电探测器。 热探测器一般不需致冷（ 超导除外 ）而易于使用、维护，可靠性好；光谱响应与波长无关，为无选择性探测器；制备工艺相对简易，成本较低。但灵敏度低，响应速度慢。热探测器性能限制的主要因素是热绝缘的设计问题。

　　2.2光电探测器

　　红外辐射光子在半导体材料中激发非平衡载流子（电子或空穴），引起电学性能变化。因为载流子不逸出体外，所以称内光电效应。量子光电效应灵敏度高，响应速度比热探测器快得多，是选择性探测器。为了达到最佳性能，一般都需要在低温下工作。光电探测器可分为：

（1）光导型：又称光敏电阻。入射光子激发均匀半导体中的价带电子越过禁带进入导带并在价带留下空穴，引起电导增加，为本征光电导。从禁带中的杂质能级也可激发光生载流子进入导带或价带，为杂质光电导。截止波长由杂质电离能决定。量子效率低于本征光导，而且要求更低的工作温度。

　　（2）光伏型：主要是p－n结的光生伏特效应。能量大于禁带宽度的红外光子在结区及其附近激发电子空穴对。存在的结电场使空穴进入p区，电子进入 n 区，两部分出现电位差。外电路就有电压或电流信号。与光导探测器比较，光伏探测器背影限探测率大于40％；不需要外加偏置电场和负载电阻，不消耗功率，有高的阻抗。这些特性给制备和使用焦平面阵列带来很大好处。

　　（3）光发射－Schottky势垒探测器：金属和半导体接触，典型的有PtSi/Si结构，形成Schott ky势垒，红外光子透过Si层为PtSi吸收，电子获得能量跃上 Fermi能级，留下空穴越过势垒进入Si衬底，PtSi层的电子被收集，完成红外探测。充分利用Si集成技术，便于制作，具有成本低、均匀性好等优势，可做成大规模（1024×1024甚至更大）焦平面阵列来弥补量子效率低的缺陷。有严格的低温要求。用这类探测器，国内外已生产出具有像质良好的热像仪。Pt Si/Si结构FPA是最早制成的IRFPA。

（4）量子阱探测器（QWIP）：将两种半导体材料A和B用人工方法薄层交替生长形成超晶格，在其界面，能带有突变。电子和空穴被限制在低势能阱A层内，能量量子化，称为量子阱。利用量子阱中能级电子跃迁原理可以做红外探测器。90年代以来发展很快，已有512×512、64 0×480规模的QWIP GaAs/AlGaAs焦平面制成相应的热像仪诞生。因为入射辐射中只有垂直于超晶格生长面的电极化矢量起作用，光子利用率低；量子阱中基态电子浓度受掺杂限制，量子效率不高；响应光谱区窄；低温要求苛刻。人们正深入研究