（物理电子学专业论文）热释电探测器综合理论模型分析.pdf

摘要本文首先介绍了红外探测器的发展状况及其工作原理，并把光子探测器与热探测器在工作原理、性能和应用方面进行了比较。对热释电探测器的特性参数和噪声进行了详细分析，探讨了电压响应率和电流响应率是设计探测器的重要参数。本文介绍了热释电探测器结构，对热释电探测器建立的一维、二维、三维模型分析进行了总结，由于一维热分析的计算比较简单而且能够得到解析解，所以它可以满足大多数设计计算的要求。但是一维热分析忽略了热的横向扩散，因而高估了探测器的响应度。二维，三维模型热分析，考虑了热的横向扩散，但是这些模型及理论都是对某一种探测器建立的，本文对多种探测器建立较完整的理论模型并导出较普遍的响应度公式作了尝试。关键词：热释电探测器模型分析探测率响应度a b s t r a c t舷p a p e ri n t r o d u c e dt h ed e v e l o p m e n ta n dp r i n c i p l eo ft h ei n f r a r e dd e t e c t o ra tf i r s t , a n dc o m p a r e dt h ep h o t o nd e t e c t o ra n dt h et h e r m o e l e c t r i cd e t e c t o ri nt h ep r i n c i p l eo fw o r k , t h ep e r f o r m a n c ea n dt h ea p p l i c a t i o na s p e c t l a b o r e dt h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t 盯a n dt h en o i s eo ft h ep y r o e l e c t r i cd e t e c t o r , h a dk n o w nt h a tt h ev o l t a g er e s p o n s i b i l i t ya n dt h ec u r r e n tr e s p o n s i b i l i t yi st h ei m p o r t a n tp a r a m e t e ro ft h ed e s i g n si nt h ed e t e c t o r 1 1 l i sp a p e ri n t r o d u c e dt h es t r u c t u r eo ft h ep y r o c l c c t r i cd e t e c t o r , s u mu pt h eu n i d i m e n s i o n a l , t w o d i m e n s i o n a l t h et h r e e - d i m e n s i o n a lm o d c la n a l y s i sw h i c he s t a b l i s h i n gi nt h ep y r o e l e c t r i cd e t e c t o r b e c a u s ec o m p u t a t i o nw a sq u i t es i m r i l ea n do b t a i n e dt h ea n a l y t i cs o l u t i o ne a s i l yi nt h eu n i d i m e n s i o n a lt h e r m a la n a l y s i s , s oi tc a ns a t i s f yt h er e q u e s to ft h em a j o r i t yd e s i g nc a l c u l a t i o n b u tt h et m i d i m e n s i o n a lt h e r m a la n a l y s i sh a sn e g l e c t e dt h et h e r m a ll a t e r a lp e r v a s i o n t h u sw eh a so v e r e s t i m a t e dt h ed e t e c t o rr e s p o n s e t w o - d i m e n s i o n a l ，t h r e e d i n l e n s i n n a lm o d e lt h e r m a la n a l y s i s ，h a sc o n s i d e r e dt h et h e l m a ll a t e r a lp e r v a s i o n , b u tt h e s cm o d e l sa n dt h et h e o r ya l la r e ：e s t a b l i s h e st os o m ek i n do fd e t e c t o r , t h i sp a p e r 仃i c dt oe s t a b l i s ht h em o r ec o m p l e t et h e o r e t i c a lm o d e lt ot h em a n yk i n d so fd e t e c t o r sa n dd e r i v e st h em o r eu n i v e r s a lr e s p o n s i b i l i t yf o r m u l a k e yw o r d s ：p y r o e l e c t r i cd e t e c t o rm o d e la n a l y s i sr a t eo ft h e长春理工大学硕士( 或博士) 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的硕士( 或博士) 学位论文，论文题目是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签名：翌! ! 星遵1 年_ 5 _ y l o of t长春理工大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。作者签名：曼! j ! 至塑2 年上月盟日勰翮虢幽年土月竺日1 1 引言第一章绪论热释电探测器是7 0 年代以来取得重大进展的一种新型热探测器。它利用某些特殊材料的热释电效应探测目标物体的红外辐射能量。从结构来看，热释电红外焦平面探测器主要有混合式和单片式两种i l j 混合式焦平面探测器的探测器列阵芯片和读出电路芯片分别用不同的材料制作，然后通过铟柱互连这样，就可使探测器列阵芯片和读出电路芯片分别测试以确保各自的性能，然后才互连在一起，于是能保证互连后焦平面探测器的整体性能。这种结构的热释电焦平面探测器是目前的主流产品单片式焦平面探测器是采用读出电路上生长微桥作为光敏元材料支撑和热隔离结构。经过近2 0 年的发展，微桥结构的热释电焦平面探测器的灵敏度已达到第一代和第二代致冷焦平面探测器之间的水平，其n e t d 通常优于0 1 k ，可达0 0 5 k 红外焦平面探测器是获取目标景物红外光辐射信息的重要光电器件，其中的热释电焦平面探测器所具有的性价比高、可靠性好、长波工作、功耗小、寿命长、重量轻、体积小等优势，使其在军事和民用方面都有广阔的应用前景一个具有较高性能的集成热释电红外探测器，并不是若干具有一定功能并执行特定任务的膜层的简单叠加。在一个设计良好的探测器系统中，所有任务的完成都不是单独进行的。例如对红外吸收而吉，除了吸收层的吸收作用之外，热释电薄膜的吸收也不可忽视，而且金属吸收层本身的吸收特性受热释电薄膜介电性质的影响也非常大实际上，热释电红外探测器的主要性能参数，均与各膜层材料的选择及探测系统的结构设计密切相关因此，热分析成为设计热释电红外探测器的一个关键部分。1 2 热释电红外探测器的发展状况1 8 0 0 年，英国科学家海谢尔1 2 j 做了一个实验，他把阳光分成彩色光带以后，用温度计来测量各种光的温度，发现了一个奇怪的现象：靠近太阳光深红色光外的不可见部分，温度竟比红光还高这是一个意外的发现。因为以前只知道太阳光有七色，至于在七色之外的黑暗中还存在着什么物质，是不清楚的于是，海谢尔设想在太阳的辐射中，除了可见光以外，一定还包含着一种人的肉眼看不见的辐射后来经过实验证明：这种辐射还存在于其他物体发出的辐射中。当时，人们就称它为“不可见辐射”由于这种“不可见辐射”是在红光的外边发现的，所以，后来就称它为红外辐射，又叫它红外线。1 8 8 7 年，人们在实验室中成功地产生了红外线，使人们认识到：可见光、红外线和无线电波在本质上都是一样的。到了2 0 世纪，由于生产实践的需要，推动了各项新技术的发展，红外科学也从实验室走出来，开始应用到生产上，并形成了一门崭新的技术红外技术。红外线亦称“红外光”在电磁波谱中，波长介于红光和微波间的电磁辐射。在可见光的范围以外，波长比红光要长，有显著的热效应，可以用温差电偶、光敏电阻等仪器来测量，波长在0 7 7 3 微米为近红外区：3 3 0 微米为中红外区；3 0 1 0 0 0 微米为远红外区红外线容易被物体吸收，转化为物体的内能：在通过云雾等充满悬浮粒子的物质时，不易发生散射，具有较强的穿透能力，红外线应用很广，可用以焙制食品、烘干油漆以及进行医疗等物质对红外线的吸收光谱对研究物质的分子结构、化学分析及化学工业上的控制有重要意义军事上常用红外探测器来探测目标，以及红外通信等。1 9 5 6 年，c h y n o w e t h 利用辐射调制方法研制钛酸钡的动态热释电响应，这一方法为研究材料极化的温度特性提供了重要实验手段，为利用热释电效应实现热成像探测提供了基础同年，b a t h a i s 利用t g s 制成了实用的热释电探测器，使得此类材料在随后的一段很长时间里成为研究重点，并于1 9 6 9 年用于热成像探测。1 9 6 1 年，h a n e l 首次揭示了介电测辐射热计效应，这在当时并不是一个引起很大重视的工作，但随后在对钽钪酸铅( p s t ) 钛酸锶钡( b s t ) 类相变型热释电材料的深入研究之后，一种新的探测机制建立起来了对典型热释电材料研究的深入，伴随着铁电理论和热释电探测理论的发展和完善虽然在热释电现象的理论研究方面还有许多未知的领域，但是热释电探测原理已经在热力学分析的基础上很好的建立起来2了。1 9 7 0 年p u t l e y p 全面总结和阐述了热释电探测器的工作原理及热探测器的理论探测极限。在此基础上，他还演示了具有接近探测极限性能的单元探测器，为设计和制造有极限探测性能的探测器建立了基本原则。1 9 7 8 年l i u 等全面总结了热释电材料与期间的发展，指明了具有正常热释电效应的材料的局限。1 9 8 6 年，w h a t m o r e t 4 j 再次全面总结了热释电探测器的原理，器件设计及应用，较系统地提出了介电测辐射热计效应的应用，对器件设计，制造中的一些关键因素作了简要地总结随后，k u l w i c k 、m a r a l t 等又对随后的研究进展作了总结这些理论和总结，基本上完整地勾画出了热释电探测在理论，材料及器件诸方面的发展状况1 9 9 3 年，- y o n m u n c h 等人研究了用未极化的p v d f t r f e 聚合物作为主要热绝缘材料的单片式热释电红外探测器通过调节组份可降低p v d f t r f e 聚合物的热导率，仅为0 1 2 8 7 w m l 【，约为s i o ，的1 1 0 、s i ，n 的1 8 0 通过旋转涂胶法( s p i n - c o a t i n g ) 在r o i c 硅片上方制备两层- 1 0 n n p v d f l 。t r f 氏。聚合物薄膜，上层作为探测灵敏元材料，下层薄膜作为隔热层探测灵敏元的下电极分布在两层聚合物之间，并穿过下层聚合物薄膜与读出电路的m o s 管连接探测器的探测率为d = l x l 0 7 c m h z 啦w 该探测器可以实现单片集成，但工艺步骤较为繁琐特别是连接下电极与读出m o s 管时，首先要刻蚀a l 形成掩模，再湿法刻蚀聚合物，很容易导致聚合物性质变坏1 9 9 8 年，n o r i of u j i t s u k a 等人利用硅微机械加工技术制作了一种单片式热释电红外探测器。该探测器在硅衬底上通过各向异性腐蚀形成空腔，由四条支撑臂将热释电薄膜支撑在空腔上方，只有细长的支撑臂作为热流通道，从而大大降低了热导。热释电材料采用p v d f 聚合物，薄膜厚度为o 7i lm 。金属电极采用热导率比a i 小一个量级的钛( t i ) 电极真空中测得探测率d - 2 4 x 1 0 7 删胁v 2 ，响应率r 。- i x l 0 4 v w 整套工艺相对简单，探测率也有了一定的提高，但空腔、支撑结构与读出电路分布在同一水平面上，占据了很大硅片面积国内方面，中国科学院上海技术物理研究所在热释电探测器方面的研究是比较权威的冷丽国、王模昌根据电功补偿的探测原理设计了一种宽波段大市场红外辐射探测器例，根据探测原理的分析，这种腔体探测器灵敏度要求的实现，主要依赖于腔体和热沉的精密温控他们通过分析腔体和热沉的温度变化对探测灵敏度的影响来对腔体和热沉的温控精度设计，并通过引入补偿腔后的对称结构降低热沉的温控精度克服环境变化的影响。我国“神州三号”地球辐射探测仪就是这种探测器3的典型应用，该仪器的探测波段较宽( 0 2 a n 一5 0 a n ) ，视场较大( 4 5 0 ) ，因此对探测器的时间响应要求不高，而对探测器的吸收率，角响应性能和稳定性等有较高的要求，适于采用腔体探测器，该仪器于2 0 0 2 年3 月2 5 e i 随“神州三号”飞船发射并顺利完成了为期半年的在轨探测试验，获取了大量探测数据。2 0 0 5 年9 月，昆明物理研究所1 6 j 采用锆钛酸铅( p z t ) 体材料、研制成功1 6 0 x 1 2 0 元、探测元中心尺寸5 0 埘x 5 0 m l 的非制冷焦平面探测器。热释电探测器不仅保持了热探测器的共同优点，即室温款波段工作，而且在很宽的频率和温度范围内具有较高的探测率【7 j 、能承受大的辐射功率并具有较小的时间常数等等特点，因此得到了广泛应用。例如，利用热释电探测器探测目标本身的热辐射强度，就可得到室温物体本身的热辐射图像，这就是通常所说的热成像。这种热成像系统不宜被干扰，是对目标与背景的温差进行探测，因此容易发现隐蔽物体，并能在有烟和雾的条件下工作用热释电靶代替光电导靶的热释电摄像器件，即可在红外波段工作，有无需机械扫描装置，并兼有室温工作的优点用这种器件制成的热释电摄像机可用于空中与地面侦察、入侵报警、战地观察、火情观测、医用热成像、环境污染监视以及其它领域。在空间技术中，热释电探测器主要用来测量温度分布和适度分布，或用于搜集地球的有关数据。地球大气系统的热辐射和大气组分的光谱吸收带主要位于3 - 2 5 a n 范围内，而且用于测量这些辐射的一起工作频率又不十分高，因此使用热释电探测器是合适的例如，在艾托斯- d卫星上装备有t g s 的竖直温度分布辐射计所用的t g s 的n e p 值小于1 5 x 1 0 “形i t z v 2 ；工作温度为3 5 c ；调制频率为1 6 1 1 z ；光敏面积为2 2 5 删：。在云雨5 号卫星上，为测量七个波长间隔内有部分云层时的温度分布和水汽分布，所用探测器也是t g s ，其n e p 值小于2 5 x 1 0 w 恐1 1 2 ：工作温度为3 7 c ；调制频率为3 5 1 t z ；光敏面积为2 5 6 r a m 2 再如，在云雨6 号卫星上所使用的压力调制辐射计和地球平衡测量仪都使用了热释电探测器前者使用了两个t g s 器件，用以测量4 0 k i n 和8 5 k i n 高度范围内的大气温度分布；后者使用了工f 砌d ，探测器，以测量太阳和地球的辐射该器件的n e p 值为1 7 5 x 1 0 - g w 尼：叫2 。由于热释电探测器具有较宽的线性动态特性，使它在激光测量中获得了广泛应用。例如，用于芦一w 激光脉冲测量及高功率脉冲激光的震荡频率、光束的空间与时间分布测量等41 3 论文研究目的和内容本文首先简单介绍热释电探测器的发展状况及其工作原理，并把光子探测器与热探测器在工作原理、性能和应用方面进行了比较，结果热探测器具有响应速度快，响应频率宽，室温工作无须制冷，易于热成像及性能价格比高等优点，已广泛应用于军事、航空航天等尖端技术领域以及非接触测温、环境监测、入侵防盗火灾报警、生产工艺和家电自动控制等工业和民用领域。因此，为了使热释电探测器能更好的应用到生产、生活中，对其进行理论模型分析，设计出探测率更高的器件，是极其必要的通过对热释电探测器基本性能参数的分析，通常以电流响应率b和电压响应率r ，来度量探测器的灵敏度我们知道电压响应率和电流响应率是设计探测器的重要参数文献中已报道了许多对热释电红外探测器进行一维热分析的研究，在一维热分析 8 1 中，假设探测器中的热导仅存在于与探测器表面垂直的方向上，可以由导热系数矩阵得到热传导问题的解析解由于一维热分析的计算比较简单而且能够得到解析解，所以它可以满足大多数设计计算的要求但是一维热分析忽略了热的横向扩散，因而高估了探测器的响应二维1 9 l l o l l ”，三维模型热分析m j ，考虑了热的横向扩散，但是这些模型及理论都是对某一种探测器建立的，本文对多种探测器建立较完整的理论模型并导出较普遍的响应度公式作了尝试。5第二章红外探测器2 1 红外探测器分类红外探测器呻j 是一种辐射能转换器，主要用于将接收到的红外辐射能转换为便于测量或观察的电能、热能等其他形式的能量根据能量转换方式，红外探测器可分为热探测器和光子探测器两大类热探测器的工作机理是基于入射辐射的热效应引起探测器某一电特性的变化，而光子探测器是基于入射光子流与探测材料相互作用产生的光电效应，具体表现为探测器响应元自由载流子( 即电子和或空穴)数目的变化。由于这种变化是由入射光子数的变化引起的，光子探测器的响应正比于吸收的光子数。而热探测器的响应正比与所吸收的能量。热探测器的换能过程包括：热阻效应、热伏效应、热气动效应和热释电效应。光子探测器的换能过程包括：光生伏特效应、光电导效应、光电磁效应和光发射效应各种光子探测器、热探测器的作用机理虽然各有不同，但其基本特性都可用等效噪声功率或探测率、响应率、光谱响应、响应时间等参数来描述2 2 光子探测器2 2 1 光电效应概述光子探测器是最有用的红外探测器，它的工作机理是光子与探测器材料直接作用，产生内光电效应因此，光予探测器的探测率一般比热探测器要大1 至2 个数量级，其响应时闻为微秒或纳秒级。光子探测器的光谱响应特性与热探测器完全不同，通常需要制冷至较低温度才能正常工作。按照普朗克的量子理论，辐射能量是以微粒形式存在的，这种微粒称为光子或量子一个光子的能量是e j j i ，丝a( 2 1 )当入射光子与金属中的电子碰撞时，则将能量传递给电子。如果电子获得光子全部能量，则光予不复存在如果电子获得的能量大到足以使其穿过表面的势垒，就能从表面逸出这一效应称为外光电效应或光6电子发射效应。电子逸出所需做的功与材料特性有关由于光子能量随频率而变，故存在一个长波限，或称为截止波长。超过截止波长的光子的能量均低于逸出功，不足以产生自表面逸出的自由电子因此，光发射探测器的响应只能延伸到近红外的一个小范围。波长大于1 2 微米的光子的能量虽然不足产生电子发射，但存在内光电效应光子传递的能量使电子从非导电状态变为导电状态，从而产生了载流子载流子的类型取决于材料的特性，这些材料几乎都是半导体。如果材料是本征的，即纯净的半导体，一个光子产生一个电子空穴对，它们分别是正、负电荷的携带者如果材料是非本征，即掺杂的半导体，光子则产生单一符号的载流子，或为正，或为负，不会同时产生两种载流子。如果在探测器上加电场，则流过探测器的电流将随载流子数量的变化而变化，称为光电导效应如果光子在p _ n 结附近产生空穴一电子对，结间的电场就使两类载流子分开，而产生光电压，称为光生伏特效应光生伏特型的探测器不需要外加偏压，因为p - n 已提供了偏压当电子一空穴对在半导体表面附近形成时，它们力图向深处扩展，以重新建立电中性如果在这一过程中加上强磁场，就使两种载流子分开而产生光电压，称为光电磁效应2 2 2 固体能带理论固体能带理论是表示固体中电子能量分布方式的一种简便方法，扼要介绍一下这一理论，可有助于理解探测器内部产生的光电效应在简单的波尔原子模型中，绕原子核旋转的电子被限制在分立的能级上，它们各有各的轨道直径除非原子被激发，电子都占据着较低的能级。固体的原子靠得很近，由于量子力学的结果，单个原子的分立能级扩展成近于连续的能带，这些能带被电子的禁带所隔离最低的能带是完全充满的，称为价带下一个较高的能带，不管是占据或未占据有电子，都称为导带只有导带中的电子对材料的电导率才有贡献。导电体、绝缘体和半导体有不同的能带结构导电体的明显标志是导带没有被电子全部占据绝缘体的电子刚好占据了价带中的全部能级，导带是空的，禁带很宽，价电子不可能获得足够的能量升到导带中去。从电特性看，半导体的导电率介于绝缘体和金属之问纯净的本征半导体的禁带相对窄一些，仅有几分之一电子伏特，而绝缘体的禁带是3 电子伏特或更大些因此，即使在室温下，半导体的一些价电子也能获得足够的能量，跃过禁带而到达导带。这些电子原来占据的位置成了7正电荷，称为空穴存在电场或磁场时，空穴像电子一样流过材料，然而两者流动的方向相反在纯净半导体中，一个电子被激发到导带，则产生电子空穴对载流子，两者贡献各自的电导率。本征半导体材料有锗单晶、硅单晶以及按化学计算比例构成的化合物。典型的光伏型本征探测器有s i ，g e ，g a a s ，i n s b ，i n g a a s ，和h g c d t e ( m c t ) 等，光伏型本征探测器有p b s 、p b s e 和m c t 截止波长再长的探测器，要求材料的禁带宽度比本征半导体还要小。减小禁带宽度的一般方法，是在纯净半导体中加入少量的其它杂质，称为掺杂，所得材料称为非本征半导体。在非本征材料中，只有一种载流子提供导电率，n 型材料的载流子是电子，而p 型的是空穴许多红外探测器都用锗、硅作为非本征材料的主体材料。可表示为s i x 、g e x 锗、硅原子有4 个阶电子，它们和4 个周围的子构成共价键。如果把3 个价电子的杂质原子掺到锗中，则产生一个过剩的空穴。由于杂质能级恰好靠近主体材料价带的顶部，所以，电子从价带跃迁到杂质空穴，只需要很小的能量留在价带中的空穴成为载流子，材料则是p型的与此类似，如果掺入有5 个或更多价电子的杂质，掺杂后成为n型材料。n 型、p 型材料原则上都可用来制作红外探测器，通常用的还是p 型材料，掺入的杂质有翎、砷、镓、锌等。2 2 3 光导探测器光电导探测器的机理是探测器吸收了入射的红外光子，产生自由载流子，进而改变了敏感元件的电导率可以对光导探测器加一个恒定的偏流，检测电导率的变化敏感元件的电阻可表示为：of石( 2 2 )式中f 为长度，4 为敏感元面积，盯为电导率光导探测器响应率正比于光照后电导率的相对变化，而后者又可表示为：一a o 。翌堡( 2 3 )。一l 6 u ，口d 口式中；叩为量子效率，f 为自由载流子寿命；p 为迁移率，e 是电子电荷量，d 为探测器厚度8从式中可以看出，高响应率要求探测器有较高的量子效率，自由载流子寿命长，迁移率高，厚度应最小。自由载流子寿命取决于复合过程，在一定程度上可由材料配方和杂质含量来控制。自由载流子寿命是一个极其重要的参数，除影响响应率外，还影响探测器的时间常数。高响应率还要求探测器在无光子辐照时有较低的电导率，即将非光子效应产生的载流子数降低到最小对长波响应的探测器材料，必须有小的禁带宽度，但禁带宽度小，在室温下，无光照就会产生大量热激发载流子，只能通过致冷探测器来解决一般来讲，如果不致冷的话，大多数光电导探测器的响应波段不会超过3 微米。响应波段在3 到8 微米的，要求中等致冷( 7 7 k ) 响应超过8 微米的，要求致冷到绝对温度几度当光导探测器面积定时，高响应率需要高的量子效率，以便尽可能利用所有入射光子，可在敏感元后面设反射器或在敏感元表面上镀增透膜。光导探测器的输出阻抗较低，要求毫安级的恒流偏置，实际做法是用恒压源经一个串联的负载电阻产生所需的偏流负载电阻阻值应远大于探测器内阻，电压源要求低纹波，避免引入嗓声。探测器输出通过电容耦合到前置放大器，由于前放输入通常为毫伏级的弱信号，前放放大倍数高达数千倍，前放应有较低的噪音系数，设计中一般要求前放的等效输入电压噪声为探测器的1 1 0 ，即认为此时可忽略放大器本身噪声的影响。前放输入阻抗与探测器输出是否匹配对放大器的噪音系数影响很大，是设计中必须考虑的因素。2 2 4 光伏探测器光伏探测器利用光生一伏特效应。在光伏过程中，半导体内部或半导体表面存在一个p _ n 结。入射光子产生电子空穴对，然后被结上的电场分开，在探测器输出开路情况下可形成光电压。如将探测器输出短路，可产生短路电流光伏探测器受到辐照后，其伏安特性曲线特性将会下移设信号的辐射通量为丸，则光电流为：，班杰( 2 4 )式中：叮为量子效率，e 为电子电荷量使用时可选择合适的工作点一般说来，光伏探测器工作于短路状态时，即零偏压状态，能产生最佳信噪比。有时也对光伏探测器加适当9的反向偏置。加反向配置能增加耗尽层的厚度，从而减小时间常数，探测器有较好的高频特性。探测器开路状态工作时，后接放大器应有较高的输入阻抗，可对光伏器件输出开路电压v 。进行电压放大如光伏探测器工作于短路状态，输出短路电流i 。，后接放大器的输入阻抗应很低光伏探测器在理论上能达到的最大探测率比光电导探测器大4 0 另外，光伏探测器能零偏置工作，由于是高阻抗器件，即使加反向偏置，偏置功耗很低与同样为高阻抗的c m o s 读出电路也容易匹配光伏器件即可用于辐射探测，也可用作能量转换。如太阳电池或光电池就是在不加偏置电压条件下工作的，其工作点在伏安曲线的第四象限，工作机理也是光生一伏特效应，只是器件结构更注重能量的转换效率而已2 2 5 光电磁探测器光电磁探测器由本征半导体材料薄片和稀土永久磁铁组成，入射光子产生的电子空穴对被外加磁场所分开，它不需要电偏置这类探测器不需致冷，可响应到7 微米主要特点是时间常数很小，可小于i n s 。由于光电磁探测器的探测率比光导和光伏型的低得多，一般很少使用2 2 6 光发射探测器光发射探测器通常指能产生外光电效应的器件，这类探测器在可见、短波红外有很高的灵敏度，响应波长可达1 5 埘光电倍增管就是一种利用光电发射效应的探测器，可用于弱光( 光照度1 0 - 2 l o l x ) 、微弱光( 光照度小于1 0 一l x ) 的检测，具有高响应速度，高灵敏度等特点光电倍增管由光电阴极、阳极和8 1 9 级倍增级组成入射光子为光电阴极材料表面所吸收后，有自由电子从表面逸出发射的电子加速打到另一个电极上，在电极上每一个电子会产生许多二次电子这些电子又依次加速打到第三电极，并多次重复这一过程，得到很高的内部放大增益硅化铂( p t s i ) 探测器也是一种光发射探测器，与光电倍增管不同，金属铂吸收光子后，将载流子发射到半导体材料中2 2 7 量子阱探测器量子阱红外光子探测器( 哪i p ) 是由非常薄的g a a s 和a 1 , g a 。o s 晶体层交叠而成的，在内部形成多个量子阱采用分子束外延技术可将g a a s 、a i i g a 。o s 晶体层的厚度控制到几分之一的分子层的精度。g a a s材料的带隙为1 3 5 电子伏特，通常不能制造波长大于0 9 2 微米的探测器。但量子阱内电子可处于基态或初激发态，即处于两种子能带，子能带之间的带隙较小。在光子激发下，电子由基态跃迁到初激发态。器件的结构参数可保证受激载流子能从势阱顶部逸出。并在电场的作用下，被收集为光电流。响应与本征红外探测器不同，q w i p 的光谱响应峰较窄，较陡。但它的峰值波长、截止波长可以灵活、连续地剪裁，在同一块芯片上制造出双色、多色的成像面阵与其它光子探测器相比，叫i p 独特之处首先在于它的响应特性可通过制造理想的束缚能级的方法来修正。改变晶体层的厚度可改变量子阱的宽度，改变a i g a a s 合金中 1 的分子比，可改变势阱高度，从而在较大范围内调整子能带之问的带隙，探测器就可以响应3 至2 0 微米的辐射。其次，它获得真正的“无噪声”固态光电倍增效应。由于q w i p 采用了g a a s 生长和处理的成熟技术，可以制作成大规模的成像面阵。“度身定制”的量子阱阵列完全可以做到：每个探测器具有要求的峰值响应，并且阵列中的每一个探测器可以和一个独立的光电倍增管相连。这样的阵列就好像是一个大数目的光电倍增管，不同的是它有高的量子效率，可以工作在较长波长，并有较小的结构尺寸和较低的功耗。量子阱探测器的缺点是光谱响应峰较窄，因此，研制宽波段的红外大规模面阵是发展趋势，如8 1 4 微米、1 0 0 万象素的量子阱成像面阵。可以预见，届时红外相机和可见光c m o s 相机的差距将大大缩小2 3 热探测器2 3 1 热电效应热探测器也通称为能量探测器，其原理是利用辐射的热效应，通过热电变换来探测辐射入射到探测器光敏面的辐射被吸收后，引起响应元的温度升高，响应元材料的某一物理量随之而发生变化利用不同物理效应可设计出不同类型的热探测器，其中最常用的有电阻温度效应( 热敏电阻) 、温差电效应( 热电偶，热电堆) 和热释电效应由于各种热探测器都是先将辐射转化为热并产生温升，丽这一过程通常很慢，热探测器的时间常数要比光子探测器大得多热探测器性能也不像光子探测器那样有些已接近背景极限即使在低频下，它的探测率要比室温背景极限值低一个数量级，高频下的差别就更大了因此，热探测器不适合用于快速、高灵敏度的探测。热探测器的最大优点是光i i谱响应范围较宽且较平坦。2 3 2 热敏电阻严格地说，利用辐射热效应而引起电阻变化的热探测器应称之为测热辐射计( b o l o m e t e r ) ，俗称热敏电阻。当用桥式测量电路时，两个热敏电阻具有相同的温度特性，分别用于测量和补偿当环境温度变化时，不会破坏电桥的平衡。用较为简单的测量电路时，只有热敏电阻电压的变化量才能通过耦合电容传给信号放大电路。当照射到热敏电阻的辐射发生变化时，引起温度变化有一个时间延迟，此延迟取决于热敏电阻内部的热学结构用热平衡方程可表达为：c d a 出t d + g 峨一垂( 2 5 )式中：m入射辐射功率增量，a l探测元温度增量，kq探测元有效热导，g k - 1c探测元热容，j r l公式的物理意义是：入射的辐射功率一部分通过传导和辐射方式耗散，具体取决于探测元的热导另一部分以蓄热方式储存起来，该部分取决于探测元的热容如入射辐射按正弦变化a o 一m os i n o 口1该微分方程的稳定解为：肾卉汜响应元电阻变化为峨以脚。揣绲7 )g 1 1 + r 式中：凡响应元电阻，口温度系数，响应元比辐射率( 即吸收率) ：f = ( 压热容与有效热导之比，即热时间常数，单位秒。u 此公式与r c 低通滤波电路的表达形式很相似，只是r c 电路的时间常数为电容和电阻乘积，即电容与电导之比公式清楚地表明：要减小热时间常数，响应元应有较小的热容和较大的热导( 或较小的热阻) 但是，热导大即热阻小，意味着同样的入射辐射功率产生较小的温升，就会影响响应率因此，热敏电阻响应元通常具有薄片状结构，以增大接收面积和减小热容量。用热特性不同的基片，热敏电阻的时间常数可为l 毫秒至5 0 毫秒。热敏电阻通常由高温度系数的金属氧化物烧结而成，由于材料本身吸收不是很好，制作时必须黑化热敏电阻噪声主要是1 f 噪声和热噪声。对于有最佳信噪比的大偏置电流的情况，主要是1 f 噪声。偏置电流足够小时，热噪声起主要作用。此时，热敏电阻的噪声谱是平的，仅依赖于响应元的电阻和温度。2 3 3 热电偶和热电堆当加热两种不同材料的接点处时，将在开路的两端产生电压，这就是热伏效应。这个接点就称为热电偶，由一个以上热电偶组成的响应单元叫热电堆。ct d - i - 6 t d图2 1 热电偶热电偶材料组合有铋一银、铜一康铜等，两种不同的金属丝连接成热接点j 。，固定在黑化的接收器上，接收器即响应元冷接点j ：保持基准温度l 当响应元温度从l 上升到l + a l 时，热接点j ，也上升到同样温度，建立的开路热电电动势为：v o 一匕乙一匕面( 2 8 )其中f i 为两种材料的热电率，e 为接收器的比辐射率，为热接点和响应元热阻之和开路情况下，对恒定的入射辐射的响应率为胄告一吒( 2 9 )为达到高响应率，响应元应有高吸收率，热电偶材料应有高热电率，并选用高热阻材料对应交流入射功率的响应率为：r 7 _ ! 丛丢( 2 1 0 )1 1 + 2 f 2r “式中f c 为时间常数，要减少响应时间必须减小热容或减小热阻，热阻过小温升也小，响应率会降低。所有热探测器响应率和响应速度都受到热结构的限制，其时间常数有时就直接称为热时问常数热电堆的时间常数一般在几十毫秒除双金属结点处会产生热伏效应外，如果用两块n 型和p 型的半导体作电偶对也会产生十分显著的温差效应，称为p o l i t e r 效应。p o l i t e r效应有可逆性，如果把两种导体连结成电偶对，当有直流电通过电偶对时，将在电偶对的两端产生温差改变电流的方向，可产生加热效应或是致冷响应。反之，则会产生热伏效应。一般导体的p o l i t e r 效应是不显著的，用两块n 型和p 型的半导体制作电偶对的效应就比较显著用半导体热电堆测量辐射功率的仪器称为卡路里计，其原理是将吸收的热流转换为可测量的电流2 3 4 热释电探测器凡是有自发极化的晶体，其表面会出现面束缚电荷。而这些面束缚电荷平时被晶体内部和外部来的自由电荷所中和，因此在常态下呈中性如果交变的辐射照射在光敏元上，则光敏元的温度、晶片的自发极化强度以及由此引起的面束缚电荷的密度均以同样频率发生周期性交化。如果面束缚电荷变化较快，自由电荷来不及中和，在垂直于自发极化矢量的两个端面间会出现交变的端电压。1 4与所有热探测器一样，热释电探测器的工作原理可以用三个过程来描述：辐射一热为吸收过程，热一温度为加热过程，温度一电则为测温过程。加热过程与热敏电阻、热电偶是类似的。根据热平衡方程，对周期变化的红外辐射响应元温升为：蝇卉 1 1 )式中：m 正弦变化辐射功率峰值；辐射角频率；p 响应元比辐射率；g 响应元热导，单位帐1 ：b = 热容与有效热导之比，即热时间常数，单位秒擀(9 拌j 图2 2 探测器的等效电路热释电电流与辐射角频率、响应元面积、温升成正比，可表达为：- o 出a a a t a其中：p 称为热电系数。信号电压1 1 , - i 1 z l d 魂a l 凡( 1 + 2 c ，- 2式中：凡、c 分别为探测器和前放等效输入电阻、等效电容；f 。- r r c 。电时间常数将温升结果代入响应率：r 一；一“a p a u a 枳 ( 1 f 圹i l + m 2 玎胆( 2 1 2 )辐射角频率、热时问常数、电时间常数对热释电器件响应率的影响可归纳为：- 0响应率为零，随角频率增加而增加；1 ，勺1 ，t响应率为常数；乏1 ，t响应率与角频率成反比。第三章热释电探测器的特性参数3 1 热释电效应介质材料中存在不同的电偶极矩，其中之一是由于分子间正负电荷中心不重合而产生的，这种偶极矩称固有电偶极矩。具有这种偶极矩的材料叫热释电材料热释电材料同普通的热电材料不同，它们有自极化效应，即使在没有外电场的情况下，也存在电偶极矩。热释电材料温度单一变化时，偶极子之间的距离和链角发生变化，使极化强度发生变化，极化强度的大小等于单位体积的偶极矩，它与出现在晶体电极表面单位面积内的面电荷成正比。当温度不变时，晶体表面的电荷被来自外部的自由电荷中和。晶体温度变化越大，极化强度变化就越大，表示大量的电荷聚集在电极。电流为单位时间电荷的变化，所以，当热释电材料温度单一变化的时候便产生电流。若d t 时间内，热释电材料吸收热辐射，温度变化d a t ，极化强度交化d p ，则材料单位面积产生的电流可表为；，竺一d a t( 3 1 )d 6 1md p d a t 称热释电系数，用p 表示，d a t d t 为温度变化率- ，p d a td i热释电材料的自极化强度与温度有关，热电系数在居里温度处有最大值。 - t - - 塞t - t 量- t - 曲4 )b )c )图3 1 热释电晶体在温度变化时所显示的熟释电效应示意a ) 恒温时b ) 温度变化时c ) 温度变化时的等效表现1 73 2 热释电探测器的基本性能参数3 2 1 探测器的响应率热释电探测器对辐射的响应分两步：首先，热释电材料吸收辐射，温度升高，这叫做光热响应；然后，由于温度变化，电极两端有电流或电压输出，这叫做热电响应光热响应与材料的吸收系数、热容量、热导率有关热电响应与材料的热电系数有关实际应用中，通常以电流响应率r ，和电压响应率r 来度量探测器的灵敏度探测器的输出信号电流与入射辐射功率之比称为电流响应率，探测器的输出信号电压与入射辐射功率之比称为电压响应度电压响应率和电流响应率是设计探测器的重要参数下面我们推导他们的解析表达式。假设以强度为e ( f ) - e ，坤照射热释电晶体，则晶体的温度升高a t ( t ) 由下式决定：以o ) g 掣+ g 嘶)a t嘶肛巳掣形a 嘶)( 3 2 )式中，a - 一晶体的吸收系数c 。晶体的热容量g _ 晶体与周围环境的热导率用l a p l a c e 变换方法解方程并利用初始条件t = 0 ，a t 一0 得r ( f ) - 去因此热释电晶体产生的电流可表示为；i p a _ d a t 坠曼i 呲 -d tg + j 砬。式中，a 为电极的面积1 、电流响应率：根据以上定义，电流响应率焉可表示为：1 8( 3 3 )( 3 4 )叫刮赫当甜 _ k 时，上式简化为凡- 警( 3 5 )( 3 6 )若以d 表示晶体的厚度，c 表示比热，墨可进一步简化为：尺，粤拿( 3 7 )。耐d式中，一p a c ，只与材料有关( 3 6 ) 式表明，当m 1 k 时，墨与调制频率无关，与晶体厚度成反比( 3 7 ) 式指出，当调制频率 丑7 时，电流响应度与调制频率无关，但它跟热释电材料的厚度成反比2 、电压响应率m热释电探测器产生的电压v 生一( 3 8 )g + j o j c式中，g 一1 ，r 探测器的总电导c _ - 探测器的总电容r 等于热释电元电阻目、负载电阻b 和f e t 的输入电阻的并联值这里，因为心、矗，远大于b ，因此，r 可用q ( 即g z ) 代替c等于热释电元电容q 和f e t 输入电容c ，的并联值这里所用的p e c 探测器，c ，比q 小得多，可忽略因此，砧可表示为：叫矧i f 蒯其中，t - c d c 。，吒- c 1 u m ，忆且磅轨时，( 3 9 ) 式简化为彤一面a p 百a吐k ，止，j热释电材料的电容c d 可表示为c d - o d r m式中，8 0 真空中的介电常数f ，材料相对介电常数( 3 9 )( 3 1 0 )( 3 1 1 )将式( 3 i i ) 代入式( 3 1 0 ) ，并利用c i - c a d ( 3 1 0 ) 式可化为彤- 石a p 一1 a m 一去c 占o ，4 其中，- 印( c 。) 为只与材料有关的参数( 3 1 2 )( 3 1 2 ) 式指出，当一帆且，班时，电压响应率与热释电材料、电极面积及斩波频率有关图3 2 为j 0 与的关系曲线彤32101 0 1i o1 0 11 0 21 0 1 0 1 0 图3 2 彤与的关系曲线3 2 2 响应波长范围响应波长范围又叫分谱响应曲线，或响应光谱红外探测器的响应率与入射辐射的波长有一定关系有两种典型的分谱响应曲线，一种是在测量范围内，响应度与波长无关；另外一种是两者之间有一定的关系，有一个响应率为最大的“响应峰”存在，波长为初在印的短波方面，响应率缓慢下降而在其长波方面，则响应率迅速下降到零我们把下降到峰值的一半所在的波长知( 较大的那个波长) ，叫做“截止波长”，或者叫做响应的“长波限”意思是说，这个红外探测器的使用波长，最长只能到知3 2 3 噪声等效功率如果投射到探测器面上的红外辐射功率所产生的输出电压正好等于探测器本身的噪声电压，这个辐射功率就叫做“噪声等效功率”意思是说，他对探测器所发生的效果与噪声相等噪声等效功率( n e p ) 仅仅是个理论界限并不是说入射辐射的功率大于n e p 就可以探测出来，小于n e p 就不可能探测到事实上，要真正肯定辐射信号的存在，入射辐射的功率应当是n e p 的2 - 6 倍，随不同的要求而定。而另一方面如果利用噪声是无规律的而入射信号是有规律的这一事实，设计适当的电子线路，还可以探测到远小于n e p 的辐射功率。噪声等效功率是一个可以测量的量。设入射辐射的功率为p ，测得的输出电压为s 然后除去辐射源，测得探测器的噪声电压为n ，则按比例计算，要是s - n 的辐射功率就是n e p 土n 一( 3 1 7 )s h yr3 2 4 探测率噪声等效功率基本上能够表达出一个红外探测器探测红外辐射的能力但是它本身还有一些缺点：它的大小依赖于探测器的敏感元的面积a ，也依赖于放大器的带宽，因此仅用噪声等效功率的数值很难比较两个不同来源的探测器的优劣而且n e p 的数值是愈小愈好，这与我们的习惯也不一致，为了避免这些缺点，就制定了另一个参数“探测率”，有时也称“归一化的探测率”，用d 来表示经过仔细的分析，我们发现大多数重要的红外探测器的n e p 都是与面积g 的平方根成正比，与带宽可的平方根成正比因而删以就应当与a 和没有关系，我们把它的倒数叫做探测率，即d 4 a a s i nn e pr _ , 石- 兰妇c r a v 2 h z 啦w( 3 1 8 )。按照上述方式所制定的探测率、原则上已与探测器的敏感元的面积无关、与放大器的带宽也无关，它的数值愈大就表明探测器的性能愈好。噪声等效功率的缺点都算是纠正过