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1、第十章 红外热成像器件成像物理n10.1. 红外探测器的分类n10.2. 红外探测器的工作条件与性能参数n10.3. 光电导型红外探测器n10.4. 光伏型红外探测器n10.5. 红外焦平面阵列探测器n10.6. 非致冷红外焦平面阵列探测器n10.7. 量子阱红外探测器DateDate10.1 红外探测器的分类,按波长分：近红外: 0.763m中红外：36m远红外： 815m,按工作温度分：低温探测器中温探测器室温探测器,按用途和结构分 ：单元探测器多元探测器凝视列阵探测器,按工作转换机理分： 热敏探测器（热电效应） l热释电摄像管（如TGS等） l热探测器阵列 Y热释电型非制冷焦平面阵列 Y
2、微测辐射热计非制冷焦平面阵列（ Micro-Bolometer ） Y微测辐射热电堆 光子探测器（光电效应） l光电导探测器（PC效应） l光伏探测器（PV效应） l肖特基势垒探测器（PtSi探测器） l量子阱探测器DateDate10.1 红外探测器的分类n热电效应：吸收红外辐射后，产生温升，伴随着温 升而发生某些物理性质的变化。如产生温差电动势 ，电阻率变化，自发极化强度变化，气体体积和压 强变化等。n只需测量其中一种物理量的变化，便知其吸收红外 入射的能量和功率n利用各类热电效应制成的热探测器：n热电偶：测量温差电动势的变化n热敏电阻（或电阻测辐射热计）：测量电阻率的变化n气体探测器（高
3、莱盒）：测量气体压强的变化n热释电探测器：测量自发极化强度的变化DateDate10.1 红外探测器的分类n光电效应：某些固体受到红外辐射的照射后，其中的电子直接 吸收红外辐射而发生运动状态的改变，从而导致该固体的某种 电学参量的改变，这种电学性质的改变统称固体的光电效应。 利用光电效应制成的红外探测器为光子探测器或光电探测器，这 类探测器依赖内部电子直接吸收红外辐射，不需要经过加热物 体的过程，因此反应时间快。n光电导效应：当红外辐射入射到半导体器件上，会使体内一些 电子和空穴从原来不导电的束缚状态转变成能导电的自由状态 ，从而使半导体的电导率增加，这种现象为光电导效应。n光伏效应：在半导体
4、P-N结及其附近区域吸收能量足够大的光子 后，在结区及结的附近释放出少数载流子（自由电子或空穴） 它们在结区附近靠扩散进入结区，而在结区内则受内建电场的 作用，电子漂移到N区，空穴漂移到P区，如果P-N结开路，则 两端会产生电压。这种现象为光生伏特效应。DateDate10.1 红外探测器的分类n光磁电效应：当红外光入射到半导体表面，如有外磁场存在， 则半导体表面附近产生的电子空穴对在半导体内部扩散的过 程中，电子和空穴各偏向一侧，因而在半导体两端产生电位差 ，这种现象为光磁电效应。n各类光子型探测器n光电子发射探测器：红外光阴极等利用外光电效应工作的 探测器。n光电导探测器（PC器件）：利用
5、光电导效应工作的探测 器。n光伏探测器（PV器件）：利用光伏效应工作的探测器。n光磁电探测器：利用光磁电效应制成的红外探测器。n肖特基势垒器件：光子牵引效应。n量子阱器件：利用量子阱效应。DateDate10.2. 红外探测器的工作条件与性能指标评价红外探测器的性能的指标称为性能优值，即其性能参数。 因一个探测器的性能参数往往与其测量方法和使用条件，几何 尺寸等物理性质相关故讨论红外探测器性能指标的同时，需说 明其工作条件。 工作条件n入射辐射的光谱分布：对探测器进行性能描述时，必须说明入射到探测 器响应平面的光谱分布及空间辐射功率。实验室多采用500K黑体辐射源作 信号源。n探测器的几何参数
6、：探测器面积（标称面积、有效面积），形状及接收 入射辐射信号的立体角n标称面积：制造商提供的响应面积，是实际响应面积的近似值。n有效面积：若s为响应平面，R(x,y)为对应点的响应度，则有效面积定 义为DateDate红外探测器的工作条件n探测器接收辐射信号的立体角：辐射信号入射方向上以入射角 的余弦作为权重的立体角。n标称权重立体角：制造商提供的立体角。n有效权重立体角：设,为轴线 垂直于响应平面的球坐标系的极角 和方位角；R(x,y,)为探测器响应平面s上某点(x,y)对(,)方向入射辐 射的响应度，则有效权重立体角为：对于响应度与方位角无关的圆形对称探测器若响应元中心到 探测器光阑的视场
7、角为，其权重立体角交可简化为：=sin(/2) ，若为朗伯探测器，则=。n探测器的输出信号：输出信号电压的振幅是施加在探测 器的偏置电源b，辐射调制频率f，波长及入射辐射功率 Ps的函数。即：Vs=Vs(b,f, , Ps)DateDate红外探测器的工作条件n探测器的工作温度与背景：不致冷时指环境温度 ，致冷时指致冷的标称温度。背景辐射：由探测器 的视场和被背景照射的光谱范围来描述。n探测器的阻抗：n探测器两端瞬时电压V(t)对通过探测器的瞬时电流i(t) 的导数，包括容抗和直流阻抗。多数探测器的阻抗与纯 电阻等效，100 以下为低阻器件，需与放大器做变压 器耦合，100 1M 为中阻器件,
8、最容易与放大器匹配 ;1M 以上为高阻器件，需高阻抗放大器输入才能匹配 。n特殊工作条件：对于某些特殊器件，还有湿度、 入射辐射功率、视场立体角、以及背景温度等。DateDate10.2. 红外探测器的工作条件与性能指标n红外探测器的性能参数n响应度R：描述入射到探测器上的单位辐射功率所产 生的信号大小能力的性能参数：红外辐射垂直入射到 探测器光敏元上，探测器输出信号电压均方根值Vs与 入射辐射功率均方根值Ps之比。n噪声等效功率NEP：红外辐射信号入射到探测器响 应平面上，若产生的电输出信号的均方根值正好等于 探测器本身在单位带宽内的噪声均方根值（信噪比为 1）时，探测器表面所接收到的入射辐
9、射功率均方根 之为NEP。DateDate红外探测器的性能指标n探测率D和归一化探测率D*：D=1/NEP；因大多数红外探测 器的NEP与光敏面积的平方根成正比，还与放大器的带宽f 有关，因此NEP的数值很难比较两个不同探测器的性能优劣 。而定义归一化探测率D*实际上是探测器单位面积、单位放大器带宽，单位辐射功 率所获得的信噪比。 一般D*与调制频率f、辐射源与工作条件有关，单位为 cmHz1/2/W。黑体源测得的D*称为黑体探测率，用D*(T,f,1) 表示，1表示单位带宽，T多数情况下为500K。 n响应时间（或时间常数）：指探测器将入射辐射转变为电 输出的弛豫时间，是表示探测器工作速度的
10、一个定量参数。DateDate红外探测器的性能指标n还可以利用频率响应来描述响应 时间，因为大多数探测器响应度随 调制频率的变化有如公式，其中 R(0)为零频下的响应度，由此关系 规定的响应时间为响应度下降到 最大值的0.707时的角频率(2f)的 倒数值。n有些探测器有两个响应时间。n其它指标n响应度与辐射强度之间的线性关系n响应度的均匀性n与光学系统匹配时，接收面积与光学 系统所成像的大小相同n与前置放大器连用时，探测器内阻应 与放大器的阻抗相匹配。R(f)随f变化的关系曲线具有两个响应时间的频率响应 DateDate10.3. 光电导型红外探测器n光电导探测器的工作原理与性能分 析nSP
11、RITE探测器nSPRITE探测器的工作原理及结构nSPRITE探测器的性能指标n光电导探测器材料光电导率：如果半导体受到外界作用，有非平衡载流子注入，就会附 加电导率产生。当是由光照注入的非平衡载流子所产生时，称之 为光电导率。光照射产生的非平衡载流子称为光生载流子。能产生 光电导效应的材料称为光电导体。DateDate10.3. 光电导型红外探测器工作原理与性能分析n光电导探测器的基本概念和基本方程n光电导探测器的分类n入射光强的衰减规律n激发率和复合率n光生载流子的基本方程n本征光电导探测器的性能分析n响应度n探测率n响应时间n调制信号的影响DateDate10.3. 光电导型红外探测器
12、工作原理半导体的光激发过程 (a)本征吸收；(b)非本征吸收；(c)自由载流子吸收n光电导探测器按其基本激发过程 可分为：n本征光电导探测器：入射红外辐射 的光子能量大于半导体禁带宽度， 使电子从价带激发到导带而改变其 光电导率。 其优点是工作温度比非本征型高。n杂质光电导探测器：入射辐射激发 杂质能级上的电子或空穴而改变其 电导率， 其优点是长波效应较好。n自由载流子探测器：材料吸收光子 后不引起载流子数量的变化，而是 引起载流子迁移率的变化。 这类器件常需要在极低温度下工作， 以降低能量向晶格转移。DateDate10.3. 光电导型红外探测器工作原理n入射光强的衰减规律： 辐射进入探测器
13、后，辐照 度要逐渐衰减，若材料的 吸收比为，则在z到z+dz 处，其辐照度衰减的量值 可写成dE，设探测器表面 反射率为，z=0时入射到 表面处的照度为E0，则有 辐射度随厚度的衰减公式 由此可见，辐照度随厚度 增加而呈指数衰减。入射光强随厚度变化DateDate10.3. 光电导型红外探测器工作原理n激发率与复合率n单位时间、单位体积内吸收的光子能量：n被吸收的光子数：n量子效率：探测器吸收一个光子（ h=Eg)所产生的电子空穴对的数目n体激发率Q：单位时间、单位体积内所产生 的电子空穴对数n在本征半导体材料中，通常 1，若探测 器厚度为d，略去下表面的反射，平均体激发 率为：n当入射光强减
14、小到初始值的1/e时，光经过 的距离称为光的有效透射深度，其值为1/ 。n一般的本征半导体吸收很强，InSb材料探测 器的吸收系数约为104/cm，即表面1m就达 到了有效透射深度，此后的入射光的影响可 以忽略。故，在满足e(- d)1条件下，减少探测器厚度有利于提高响应度 ；n减少反射，镀增透膜也是提高响应度的好办法。DateDate10.3. 光电导型红外探测器性能分析n本征光电导探测器的探 测率Dn对本征光电导探测器，可以不考虑 1/f噪声时，主要噪声为热噪声和产 生复合(G-R)噪声。n热噪声产生的噪声电压常记为：其 中Rd为探测器等效电阻，f为测量 仪器噪声等效带宽。n产生复合噪声产
15、生的噪声电压常表 示为。其中V0为外置偏压，Ps为入 射到探测器表面的辐射功率。n按定义有Dv*n更多时候，Dv*只受一种噪声限制DateDate10.3. 光电导型红外探测器性能分析n本征光电导探测器的响 应时间n弱光入射时，上升情况：根据载流 子浓度随时间上升的微分方程，且 t=0时，载流子浓度变化量为0，可解 得：式中p0为稳 定值，故载流子 随时间 按指数规律上升至稳定值。 显然载流子寿命越长，曲线上升越 慢。光生载流子数目随时间 上升到 稳定值的(1-1/e)时所需的时间为 上 升时间 。n下降情况：若t=0时停止光照，则 微分方程中的产生激发的载流子数 量Q为0，解得又一个指数方程
16、。显 然依然是载流子寿命越长，下降响 应越慢。光生载流子浓度p0由随 时间 下降1/e时所需的时间为 下降响 应时间 。光电导探测器的驰豫现象(或滞后现象)tDateDate本征光电导探测器的调制信号的影响n为适应高速运动目标的变化，有时对入 射光要进行调制。当使用调制频率为f的余 弦波形来调制时，有辐射照度或体激发率 的表达形式：n光生载流子浓度变化p的基本方程为：n若记p= p1+ p2,前者为与时间 无关量 ，后者为与时间 相关量，则:n考虑调 制的影响，仅需讨论 随时间变 化的部分，省去下标并用复数表示，可解 得n其中振幅和相位表达式为：n载流子浓度变化量p可写成：n从而得到调制光入射时输 出信号电压 ， 及其均方根电压 表示的信号。显然，f越高 ，信号越低。n按响应度定义可得响应度与调制频率的 关系式：n响应度随着f增加而减少，故对于载 流子寿命一定的材料，应选择 适当的 调制频率，以防响应度损失过多。n目标运动速度不
