红外探测器的种类很多，分类方法也很多。如根据波长 可分为近红外(短波)、中红外(中波)和远红外(长波)探 测器，其分别对应0.76～3.0μm、3.0～6.0μm和8.0～ 15.0μm三个谱段；根据工作温度，又可以分为低温、中 温和室温探测器；根据用途和结构，还可以分为单元、 多元和凝视型阵列探测器等。红外探测器在光电成像系 统中，主要用来完成红外入射辐射到电信号的转换，所 以它可以是成像型的，也可以是非成像型的。因此，从 理论上一般多按工作转换机理来进行分类。就其工作机 理而言，一般可分为热探测器和光子探测器(或称光电探 测器)
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§10.1 红外探测器的分类
10.1.1 热探测器 10.1.2 光子探测器(光电探测器)
10.1.1 热探测器
热探测器吸收红外辐射后，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。 测量这些变化就可以测量出它们吸收的红外辐射的能 量和功率。上述四种是常见的物理变化，利用其中的 一种物理变化就可以制成一种类型的红外探测器。
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10.3.3 非本征光电导探测器的性能分析
2.杂质光电导器件的探测率D*λ
在不同情况下，限制杂质光电导探测器性能的主要噪声仍然为热噪 声或产生 - 复合噪声。 下面，仍然考虑一种杂质的光电导探测器。根据前边的讨论有 ① 热噪声限制下杂质光电导器件的D*λ (D*J(λ))。 ② 产生 - 复合噪声限制下杂质光电导器件的D*gr(λ)。
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10.1.2 光子探测器(光电探测器)
常用的光电探测器有如下几类： 1 2 光电导探测器 3 4
除以上介绍的几类器件外，还有利用光子牵引效应的 探测器件、红外上转换器件和量子阱器件等。
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§10.2 红外探测器的工作条件与性能参 数
10.2.1 红外探测器的工作条件 10.2.2 红外探测器的性能参数
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10.3.2 本征光电导探测器的性能分析
3.本征光电导的响应时间
光电导探测器的响应时间表现在：接收红外辐射后，光生载 流子浓度逐渐增大，经过一段时间才趋向稳定值，而在稳定的 状态下，突然撤去红外辐射，光生载流子也要经过一段时间才 能趋于零。这两种现象均称为滞后现象(或惰性)。在弱光辐射
(1) 上升 (2) 光电导探测器在强光照射下的响应曲线已不再按指数变化，其 响应时间也较为复杂。从宏观讲，其已与辐照度有关，一般说 来，光越强，其滞后越小。
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10.3.2 本征光电导探测器的性能分析
4.调制信号的影响
在实际应用中，为适应高速运动目标的变化，有时要对入射光进 行调制。基本调制波形为正弦或余弦形式。 余弦调制光照射探测器时，光生载流子浓度也随之作余弦变化。 在余弦调制下，输出信号电压多了两个因子。对于探测不同的目 标，由于目标运动速度不同，必须选用不同的调制频率，所以必
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10.3.2 本征光电导探测器的性能分析
2.本征光电导探测器的探测率
对于本征光电导探测器，除1/f噪声外，其最基本的噪声是热噪声 和产生 - 复合噪声。关于1/f噪声目前还没有严密的理论，实验发 现它与器件电极及表面陷阱有关，可通过改善器件设计和制造工艺 来降低它。所以，可以只考虑探测器的基本噪声热噪声和产生 复合噪声。
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10.1.1 热探测器
3.微测辐射热电堆
微测辐射热电堆是将若干个测辐射热电偶串接起来构成的热探测 器件，原理上采用的是温差电效应。即当两种不同材料的金属或半 导体构成闭合回路形成热电偶时，如果两个联结结点中的一个受到 入射辐射照射温度升高，而另一结点未受到入射辐射照射而温度保 持不变，则由于两个结点处于不同的温度而使闭合电路中产生温差 电动势，测量该温差电动势便可以得到待测的辐射能量或功率的大 小。
3.杂质光电导的响应时间 4.
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10.3.4 SPRITE探测器
SPRITE(Signal Processing in The Elements)探测器属
光电导效应型器件，由于这种器件利用了红外图像扫描 速度与光生非平衡载流子双极运动速度相等的原理，实 现了在器件内部进行信号探测、时间延迟和积分三种功 能，大大地简化了焦平面外的电子线路，从而使得探测 器尺寸、重量、成本显著下降，并提高了工作的可靠性。 因此，这里单独对它进行讨论。根据该器件的工作原理， 习惯上将之称为扫积型探测器。SPRITE探测器是20世纪 80年代英国人CTElliot，ABlockburn等人为高性能快速 实时热成像系统研制出来的一种红外探测器。
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10.2.1 红外探测器的工作条件
1. 入射辐射的光谱分布
在对探测器性能进行描述时，必须说明入射到探测器响应平面上的 光谱分布及空间辐射功率。
2. 探测器的几何参数
探测器的几何参数主要指探测器的面积、形状及接收入射辐射信号 的立体角。
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10.2.1 红外探测器的工作条件
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10.2.2 红外探测器的性能参数
1. 响应度R
2.
NEP
3. 探测率D和归一化探测率D *
4. 响应时间(或时间常数)
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§10.3 光电导型红外探测器
10.3.1 10.3.2 10.3.3 10.3.4 10.3.5
光电导探测器的分类和基本关系 本征光电导探测器的性能分析 非本征光电导探测器的性能分析 SPRITE探测器 光电导探测器材料与工作模式
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10.1.1 热探测器
2.微测辐射热计
微测辐射热计是一种利用探测器材料吸收入射辐射使其自身温度 变化，进而使探测器的其他物理性质(诸如电阻、电容等)发生变化 的原理制成的热探测器阵列。常用的微测辐射热计有： (1) 热敏电阻微测辐射热计，其以烧结的半导体薄膜作为光敏元件； (2) 金属薄膜微测辐射热计，采用电阻温度系数大的金属为材料制 作成薄膜，表面涂黑作为光敏元件； (3) 介质微测辐射热计，它是利用介质材料的参数随温度变化而变 化的原理制成的器件。
10.3.2 本征光电导探测器的性能分析
(1)
对实际器件制作具有指导意义的结论，即：
① 响应度与光生载流子寿命τ成正比。因此，如要提 高响应度，则应提高载流子寿命。
②响应度与载流子浓度成反比。因此，有效地降低无信 号时的载流子浓度可提高响应度。
③ 响应度与外加电场成正比关系，但实际上E的增加将 带来焦耳热而使探测器温度上升。
第十章 红外热成像器件成像物理
§10.1 §10.2 §10.3 §10.4 §10.5 §10.6 §10.7
红外探测器的分类 红外探测器的工作条件与性能参数 光电导型红外探测器 光伏型红外探测器 红外焦平面阵列探测器 非制冷红外焦平面阵列探测器 量子阱红外探测器Biblioteka §10.1 红外探测器的分类
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10.1.1 热探测器
1. 热释电探测器
热释电探测器的工作原理同热释电摄像管靶的工作原理一样，只是 在面积大小和信号读出方式等方面有较大的差别。热释电探测器与 CCD器件混合提供了不需制冷的工作前景。由于热释电的差动特性， 在用于凝视阵列成像时需要进行入射辐射的调制，当然也可以用于扫 描阵列。在组件扫描阵列上，其较难达到0.1K灵敏度所需要的探测率。 最好的250μm2单元的TGS在10Hz调制频率下能达到的探测率最大值为 5×109cm·Hzl/2/W
dE=-αEdz
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照度
10.3.1 光电导探测器的分类和基本关系
3.激发率和复合率
在探测器内，单位时间、单位体积内吸收的光辐射量为
E aE0 (1 )eaz
(10-28)
式中，Q即为体激发率，它表示单位时间、单位体积内所产生的电子空穴对数
Q aE0 (1 )eaz
hv
(10-30)
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。 光激发率、热激发率和复合率
QT和复合R。Qp、QT和R分别为
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10.3.3 非本征光电导探测器的性能分析
① 当探测器的工作温度尚未达到足够低时，热产生 电子浓度n0t将大于背景辐射电子浓度n0b ② 在足够低的工作温度下，如果受主浓度NA远大于 背景辐射产生的电子浓度，
③ 由于杂质光电导吸收系数很小，因此器件对信号 的吸收总是不充分的。
2.入射光强的衰减规律
光照射产生的非平衡载流子称为光生载流子，光电导的强弱取决 于光生载流子的多少。入射到探测器表面的红外辐射，一部分被 吸收并透射到内部，另一部分被反射回去。若入射到探测器表面 的辐照度为E0，表面反射比为ρ，则实际进入探测器的辐照度为 E0(1-ρ)，如图所示。
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若材料的吸收系数为α，则在z到z＋dz处，其辐 减弱的量值可写为
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10.3.3 非本征光电导探测器的性能分析
1.杂质光电导探测器的响应度
N
ND，受主浓度为NA
ND＞
＞NA
N
响电子的统计分布。因为受主可以获得导带的电子而电离，降低自
由电子的浓度，达到较高暗电阻的要求。假定无光照时自由电子的
浓度为n0,未电离施主的浓度为ni0 产生三种情况，即光激发Qp
(10-46)
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10.3.2 本征光电导探测器的性能分析
1.本征光电导探测器的响应度
当用恒定的红外辐射照射探测器时，开始时光生载流子逐渐 增加，探测器的电导率也随之增加，经过一段时间后，光生载 流子的数目趋于稳定，电导率也相应稳定在某一值上。这一稳 定情况称为稳态(或定态)。
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(1) 探测器面积
由于实际探测器响应平面上各点的响应不相等，所以探测器面积 常用如下两种形式给出： ①标称面积An ②有效面积Ae (2) 通常在辐射信号入射方向上以入射角的余弦作为权重的立体角为权