第三章 红外探测器

第三章红外探测器 3 1红外探测器的分类 任何温度高于绝对零度的物体都会产生红外辐射 如何检测它的存在 测定它的强弱并将其转变为其他形式的能量 多数情况是转变为电能 以便应用 就是红外探测器的主要任务 红外探测器是红外系统中最关键的元件之一 红外探测器所用的材料是制备红外探测器的基础 没有性能优良的材料就制备不出性能优良的红外探测器 完整的红外探测器的构成 一个完整的红外探测器包括红外敏感元件 红外辐射入射窗口 外壳 电极引出线以及按需要而加的光阑 冷屏 场镜 光锥 浸没透镜和滤光片等 在低温工作的探测器还包括杜瓦瓶 有的还包括前置放大器 按探测器工作机理区分 可将红外探测器分为热探测器和光子探测器两大类 3 1 1热探测器 工作原理 热探测器吸收红外辐射后产生温升 然后伴随发生某些物理性能的变化 测量这些物理性能的变化就可以测量出它吸收的能量或功率 常见的类型 常利用的物理性能变化有下列四种 利用其中一种就可以制备一种类型的热探测器 1 热敏电阻热敏物质吸收红外辐射后 温度升高 阻值发生变化 阻值变化的大小与吸收的红外辐射能量成正比 利用物质吸收红外辐射后电阻发生变化而制成的红外探测器叫做热敏电阻 热敏电阻常用来测量热辐射 所以又常称为热敏电阻测辐射热器 电阻测辐射热器 有半导体测辐射热器 金属测辐射热器和超导体测辐射热器 热敏电阻是一种半导体测辐射热器 常用Mn Co和Ni的氧化物按一定比例混匀烧结成薄片 在吸收红外辐射的表面制备一层吸收层 引出电极 封装好后性能达到要求的即可使用 光敏面积一般为10的 2次平方毫米到几个平方毫米 为了在确保所需视场的情况下提高探测灵敏度 常制备成浸没型热敏电阻探测器 2 热电偶把两种不同的金属或半导体细丝 也有制成薄膜结构 连成一个封闭环 当一个接头吸热后其温度和另一个接头不同 环内就产生电动势 这种现象称为温差电现象 利用温差电现象制成的感温元件称为温差电偶 也称热电偶 温差电动势的大小与接头处吸收的辐射功率或冷热两接头处的温差成正比 因此 测量热电偶温差电动势的大小就能测知接头处所吸收的辐射功率或冷热两接头处的温差 制造温差电偶的材料有纯金属 合金和半导体 常用于直接测温的热电偶一般是纯金属与台金相配而成 如铂锭 铂 镍铬 镍铝和铜 康铜等 它们被广泛用于测量1300 以下的温度 用半导体材料制成的温差电偶比用金属作成的温差电偶的灵敏度高 响应时间短 常用作红外辐射的接收元件 将若干个热电偶串联在一起就成为热电堆 在相同的辐照下 热电堆可提供比热电偶大得多的温差电动势 因此 热电堆比单个热电偶应用更广泛 两种不同材料或材料相同而逸出功不同的物体 当它们构成闭环回路时 如果两个接点的温度不相同 环路中就产生温差电动势 这就是温差电效应 也称为塞贝克效应 单个热电偶提供的温差电动势比较小 满足不了某些应用的要求 所以常把几个或几十个热电偶串联起来组成热电堆 热电堆比热电偶可以提供更大的温差电动势 新型的热电堆采用薄膜技术制成 可称为薄膜型热电堆 3 气体探测器气体在体积保持一定的条件下吸收红外辐射后引起温度升高 压强增大 压强增加的大小与吸收的红外辐射功率成正比 由此 可测量被吸收的红外辐射功率 利用上述原理制成的红外探测器叫做气体探测器 高莱管就是一种典型的气体探测器 高莱管 工作原理 当辐射通过红外窗口到吸收膜上时 膜吸收辐射并传给气室的气体 气体温度升高 压力增大 柔镜膨胀 为了测出它的移动量 另用一光源将投射到柔镜背面的反射膜上 在没有辐照时 气室内气压稳定 柔镜处于正常状态 由柔镜背面反射的光因被光栅遮挡照射不到光电管上 当有辐照时 辐射透过窗口照射到吸收膜 吸收膜将吸收的能量传给气室 气室温度升高 气压增大 柔镜膜片变形 从而引起反射光线的移动 通过光栅到达光电管的光强发生变化 由此可检测红外辐射的强弱 4 热释电探测器有些晶体 如硫酸三甘肽 钽酸锂和铌酸锶钡等 当受到红外辐射时 温度升高 在某一晶轴方向上产生电压 电压大小与吸收红外辐射的功率成正比 小结 热探测器是一种对一切波长的辐射都具有相同响应的无选择性探测器 但实际上对某些波长的红外辐射的响应偏低 等能量光谱响应曲线并不是一条水平直线 这主要是由于热探测器材料对不同波长的红外辐射的反射和吸收存在着差异 物体吸收辐射 晶格振动加剧 辐射能转换成热能 温度升高 由于物体温度升高 与温度有关的物理性能发生变化 这种物体吸收辐射使其温度发生从而引起物体的物理 机械等性能相应变化的现象称为热效应 利用热效应制成的探测器称为热探测器 3 2光子探测器 光子探测器吸收光子后 发生电子状态的改变 从而引起几种电学现象 这些现象统称为光子效应 测量光子效应的大小可以测定被吸收的光子数 利用光子效应制成的探测器称为光子探测器 常见光子探测器 1 光电子发射器件 外光电效应 当光入射到某些金属 金属氧化物或半导体表面时 如果光子能量足够大 能使其表面发射电子 这种现象统称为光电子发射 属于外光电效应 利用光电子发射制成的器件称为光电子发射器件 如光电管和光电倍增管 光电倍增管的灵敏度很高 时间常数较短 约几个毫微秒 所以在激光通讯中常使用特制的光电倍增管 2 光电导探测器当半导体吸收入射光子后 半导体内有些电子和空穴从原来不导电的束缚状态转变到能导电的自由状态 从而使半导体的电导率增加 这种现象称为光电导效应 利用半导体的光电导效应制成的红外探测器叫做光电导探测器 是目前 它是种类最多应用最广的一类光子探测器 光电导探测器的分类 光电导探测器可分为单晶型和多晶薄膜型两类 多晶薄膜型光电导探测器的种类较少 主要的有响应于1 3微米波段的FbS 响应于3 5pm波段的PbSe和PbTe PbTe探测器 有单晶型和多晶薄膜型两种 单晶型光电导探测器 早期以锑化铟 InSb 为主 只能探测7微米以下的红外辐射 后来发展了响应波长随材料组分变化的锑镉汞 Hg1 xCdxTe 和锑锡铅 Pb1 xSnxTe 三元化合物探测器 在77K温度下对8到14微米波段的红外辐射的探测率很高 3 光伏探测器p n结及其附近吸收光子后产牛电子和空穴 在结区外 它们靠扩散进入结区 在结区内 则受结的静电场作用电子漂移到n区 空穴漂移到p区 n区获得附加电子 p区获得附加空穴 结区获得一附加电势差 它与p n结原来存在的势垒方向相反 这就要降低p n结原有的势垒高度 使得扩散电流增加 直到达到新的平衡为止 如果把半导体两端用导线连结起来 电路中就有反向电流流过 用灵敏电流计可以测量出来 如果p n结两端开路 可用高阻毫伏计测量出光生伏特电压 这就是p n结的光伏效应 利用光伏效应制成的红外探测器称为光伏探测器 简称PV器件 4 光磁电探测器在样品横向加一磁场 当半导体表面吸收光子后所产生的电子和空穴随即向体内扩散 在扩散过程中由于受横向磁场的作用 电子和空穴分别向样品两端偏移 在样品两端产生电位差 这种现象叫做光磁电效应 利用光磁电效应制成的探测器称为光磁电探测器 简称PEM器件 小结 光电子发射属于外光电效应 光电导 光生伏特和光磁电三种属于内光电效应 光子探测器能否产生光子效应 决定于光于的能量 入射光于能量大于本征半导体的禁带宽度Eg 或杂质半导体的杂质电离能Ed或Ea 就能激发出光生载流子 入射光于的最大波长 也就是探测器的长波限 与半导体的禁带宽度Eg有如下关系 热探测器与光子探测器性能比较 1 热探测器一般在室温下工作 不需要致冷 多数光子探测器必须工作在低温条件下才具有优良的性能 工作十1 3微米波段的PbS探测器主要在室温下工作 但适当降低工作温度 性能会相应提高 在于冰温度下工作性能最好 2 热探测器对各种波长的红外辐射均有响应 是无选择性探测器 光子探测器只对短于或等于截止波长入的红外辐射才有响应 是有选择性的探测器 3 热探测器的响应率比光子探酗器的响应率低1 2个数量级 响应时间比光于探测器的长得多 单晶型光子探测器与薄膜型光子探测器的性能比较 1 薄膜型光子探测器光敏面上各处的响应率难