紅外探測器原理及分類

不同種類的物體發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對物體目標的探測與跟蹤。將不可見的紅外輻射光探測出并將其轉換為可測量的信號的技術就是紅外探測技術。從目前應用的情況來看，紅外探測有如下幾個優點：環境適應性優于可見光，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的信號，比雷達和激光探測安全且保密性強，不易被干擾；由于是*目標和背景之間的溫差和發射率差形成的紅外輻射特性進行探測，因而識別偽裝目標的能力優于可見光；與雷達系統相比，紅外系統的體積小，重量輕，功耗低；探測器的光譜響應從短波擴展到長波；探測器從單元發展到多元、從多元發展到焦平面；發展了種類繁多的探測器和系統；從單波段探測向多波段探測發展；從制冷型探測器發展到室溫探測器；由于紅外探測技術有其獨特的優點從而使其在軍事國防和民用領域得到了廣泛的研究和應用，尤其是在軍事需求的牽引和相關技術發展的推動下，作為高新技術的紅外探測技術在未來的應用將更加廣泛，地位更加重要。紅外探測器是將不可見的紅外輻射能轉變成其它易于測量的能量形式的能量轉化器，作為紅外整機系統的核心關鍵部件，紅外探測器的研究始終是紅外物理與技術發展的中心。自1800年Herschel發現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展，新器件不斷涌現。紅外探測器制備涉及物理、材料、化學、機械、微電子、計算機等多學科，是一門綜合科學。
　　1.2.1熱探測器熱探測器吸收紅外輻射后，溫度升高，可以使探測材料產生溫差電動勢、電阻率變化，自發極化強度變化，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。
　　(2) 熱電偶和熱電堆：利用了溫度梯度可使不同材料間產生溫差電動勢的溫差電效應。
　　(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紅外探測。
　　(4)測輻射熱計：利用材料的電阻或介電常數的熱敏效應—輻射引起溫升改變材料電阻—用以探測熱輻射。因半導體電阻有高的溫度系數而應用最多，測溫輻射熱計常稱“熱敏電阻”。另外，由于高溫超導材料出現，利用轉變溫度附近電阻陡變的超導探測器引起重視。如果室溫超導成為現實，將是21世紀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，當受到紅外輻射照射溫度升高時，引起自發極化強度變化，結果在垂直于自發極化方向的晶體兩個外表面之間產生微小電壓，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，本身發生電子狀態的改變，從而引起內光電效應和外光電效應等光子效應，從光子效應的大小可以測定被吸收的光子數。
　　(1)光電導探測器：又稱光敏電阻。半導體吸收能量足夠大的光子后，體內一些載流子從束縛態轉變為自由態，從而使半導體電導率增大，這種現象稱為光電導效應。利用光電導效應制成的光電導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結的光生伏特效應。能量大于禁帶寬度的紅外光子在結區及其附近激發電子空穴對。存在的結電場使空穴進入p區，電子進入n區，兩部分出現電位差，外電路就有電壓或電流信號。與光電導探測器比較，光伏探測器背景限探測率大40%，不需要外加偏置電場和負載電阻，不消耗功率，有高的阻抗。
　　(3)光發射-Schottky勢壘探測器：金屬和半導體接觸，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，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；量子阱中基態電子濃度受摻雜限制，量子效率不高；響應光譜區窄；低溫要求苛刻。