红外探测器的工作原理与应用研究毕业论文

红外探测器的工作原理与应用研究

一、 设计（论文）内容： 红外探测器是将入射的红外辐射信号转变成电信号输出的器件。现代红外探测器所利用的主要是红外热效应和光电效应。这些效应的输出大都是电量，或者可用适当的方法转变成电量。红外辐射是波长介于可见光与微波之间的电磁波，人眼察觉不到。 二、 设计（论文）的主要技术指标： 1.介绍什么是红外探测器，以及红外探测器的特点。 2.分析红外探测器的工作原理。 3.论述红外探测器的应用。 4.分析说明红外探测器的发展前景。 三、具体要求： 1. 查阅资料，做好读书笔记，复习所学的有关光电的知识。 2. 规划课题，初步确定课题要说明的内容。 3. 完成开题报告及任务书。 4. 根据确定的课题，结合资料，拟定提纲。 5. 完成论文初稿，提交指导老师。 6. 根据指导老师的反馈意见，修改论文初稿。 7. 完成终稿。 四、主要参考文献的范围： 1.张秉华 张守辉 ：《光电成像跟踪系统》，电子科技大学出版社，（2003.4） 2.徐文娟：《光电技术》，浙江大学出版社，（2005.3） 3.白延柱：《光电成像原理与技术》，北京理工大学出版社，（2006.1） 4.张敬贤等：《微光与红外成像技术》，北京理工大学出版社，（1995.9） 5.李庆辉等：《光电子技术》，电子工业出版社，（2002.5） 6.邹异松等：《光电成像原理》，北京理工大学出版社，（1996.10） 五、其他需要说明的事项： 无

毕业设计（论文）开题报告表

学生姓名 课题名称 学 号 指导教师 编号：系: 专业: 班级 红外探测器的工作原理与应用研究 2

一、课题概况（本课题的意义及目前的发展状况等） 概述：红外探测器是将入射的红外辐射信号转变成电信号输出的器件。现代红外探测器所利用的主要是红外热效应和光电效应。这些效应的输出大都是电量，或者可用适当的方法转变成电量。红外辐射是波长介于可见光与微波之间的电磁波，人眼察觉不到 应用：红外探测器应用广泛，主要应用于安防体系。在军事和国防领域、消防方面、工厂机器检测、医疗上都得到广泛应用。除了上面所说的几方面外，量子阱红外探测器还在气候监测、资源勘探、天文观测等很多方面有着重要的应用。 发展：一个国家红外探测器的技术水平代表着其红外技术发展的水平。现代的红外技术可以说是从二次世界大战开始的。利用当时新出现的硫化铅光电型红外探测器制成多种军用装备,因而受到重视。半个多世纪以来,红外技术有了很大的发展,在军事技术、空间探索、科学研究、工农业生六医疗卫生及日常生活中有着广泛的应用。但是最重要的应用仍然是在军事技术方面。红外探测器是红外技术的核心部件,也是红外技术发展的先导,因而它的研究受到特别的重视,它的发展也一直受到军事技术需要的引导和驱使。在现阶段,红外探测器的发展工作主要集中在“红外焦平面列阵”(FPA)的研制上,以适应各种红外成象的需要。 二、课题内容（本课题的研究内容、方法、手段及预期成果等） 本课题的研究内容：初步了解红外探测器的工作原理以及应用。 方法及手段：通过查询专业知识的书籍和上网，进行收集与红外探测器有关并可以加以利用的资料。 预期成果：对红外探测器的原理，应用以及发展能有深入了解，使我们对红外探测器的知识得到加深。 三、课题工作进度安排（任务完成的阶段安排及时间安排，完成任务所具备的条件因素等） 阶段安排： 第一阶段：上网查阅，下载相关资料，做好读书笔记，复习所学光电知识以及课题相关的知识。 第二阶段：书籍资料的补充，收集，规划课题，初步确定课题所要写的内容。 第三阶段：通过整理好的资料，列出方案，完成初步论文设计。 第四阶段：思考，检验，对论文设计进行合理裁剪增添。 第五阶段：优化设计，并完成终稿。 所具备的条件及因素：掌握必备的相关专业知识，从而开拓自己的思路。 3

四、参考文献资料（要求至少查阅6篇以上正式刊物的文献资料） 文献资料： 1.张秉华 张守辉 ：《光电成像跟踪系统》，电子科技大学出版社，（2003.4） 2.徐文娟：《光电技术》，浙江大学出版社，（2005.3） 3.白延柱：《光电成像原理与技术》，北京理工大学出版社，（2006.1） 4.邹异松等：《光电成像原理》，北京理工大学出版社，（1996.10） 5.李庆辉等：《光电子技术》，电子工业出版社，（2002.5） 6.张敬贤等：《微光与红外成像技术》，北京理工大学出版社，（1995.9） 7.袁继俊：《激光与红外》，北京出版社，（2006.12） 8.解金山：《光通信研究》，武汉出版社，（1976.1） 五、指导教师意见 红外探测技术涵盖了信号探测技术、信号处理技术、信息传输技术等方面，其所涉及到的知识几乎包括了电学专业的各门课程，通过对该课题的研究，加深对知识的理解，提高应用能力，尤其是对红外探测技术有更深的认识。该选题符合高职毕业生毕业论文选题要求。 指导教师签名：许万里 日期：2010 年02月 25日

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红外探测器的工作原理与应用研究

【摘要】：红外探测器是将入射的红外辐射信号转变成电信号输出的器件。现代红外探测器所利用的主要是红外热效应和光电效应。这些效应的输出大都是电量，或者可用适当的方法转变成电量。红外辐射是波长介于可见光与微波之间的电磁波，人眼察觉不到。 【关键词】：红外探测器 工作原理 基本特性 应用

目录

1．引言----------------------------------------------------------------8 2．概述----------------------------------------------------------------8 3．红外探测器的分类----------------------------------------------------8 3.1热探测器--------------------------------------------------------8 3.2光电子探测器----------------------------------------------------9 4．常用的光电探测器---------------------------------------------------10 4.1光电子发射探测器-----------------------------------------------10 4.2光电导探测器---------------------------------------------------10 4.3光伏探测器-----------------------------------------------------11 4.4光磁电探测器---------------------------------------------------11 5．红外探测器的工作条件和性能参数-------------------------------------11 5.1红外探测器的工作条件-------------------------------------------11 5.2红外探测器的性能参数-------------------------------------------13 6．光电导探测器-------------------------------------------------------18 7．光电导探测器的基本概念和基本方程-----------------------------------18 7.1光电导探测器的分类---------------------------------------------18 7.2入射光强的衰减规律---------------------------------------------18 8．本征电导探测器的性能分析-------------------------------------------19 8.1本征光电导探测器的响应度---------------------------------------19 8.2本征光电导探测器的探测率---------------------------------------20 8.3本征光电导的响应时间-------------------------------------------20 8.4调制信号的影响-------------------------------------------------20 9．杂质（非本征）光电导探测器性能的分析-------------------------------20 9.1杂质光电导探测器的响应度---------------------------------------21 9.2杂质光电导器件的探测率-----------------------------------------21 10．光电导探测器材料与工作模式----------------------------------------21 10.1对光电导材料的要求--------------------------------------------21 10.2光电导探测器的工作模式----------------------------------------21 11．红外探测器的应用及发展--------------------------------------------21 12．总结与体会--------------------------------------------------------22 13．致谢--------------------------------------------------------------22 14．参考文献----------------------------------------------------------22 15．读书笔记----------------------------------------------------------23

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1.引言

红外探测器是将入射的红外辐射信号转变成电信号输出的器件。现代红外探测器所利用的主要是红外热效应和光电效应。这些效应的输出大都是电量，或者可用适当的方法转变成电量。红外辐射是波长介于可见光与微波之间的电磁波，人眼察觉不到。

2.概述

红外探测器是红外系统、热成像系统的核心组成部分。红外探测器的研究，始终是红外物理和红外技术发展的核心。自从1880年人类发现红外辐射的存在以来，一直在位利用这个宽阔的电磁波谱段探知自然，扩展人类视野而进行着不懈的努力。特别是第二次世界大战以后，出于军事上的需要和要求，人们对红外探测器在结构上和性能上的研究发展到了相当高的水平。目前，利用固体受辐射照射而发生电学性质改变的光电效应支撑的光子探测器的敏感范围已延伸到30微米波段以上，近、中、远红外的单元探测器的性能不能少也已达到或接近背景限的理论水平。第二代光电子器件，单元数在数千元以下的线阵和面阵探测器的性能达到或结晶背景极限，器件的均匀性和成品率也达到了相当高的水平。特别是采用CCD成功地解决了焦平面光子探测器列阵输出信号、积分、延迟和多路输出等问题，而使焦平面列阵实用化，信噪比和信息率大幅度提高，从结构上引起了红外成像系统的根本变化。

3.红外探测器的分类

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、中红外和远红外探测器，其分别对应0.76~3.0um、3.0~6.0um和6.0~15.0um这样三个谱段；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、多元和凝视列阵探测器等。而红外探测器在光电成像系统中，主要是用来完成红外入射辐射向电信号的转换，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分类，就其工作机理而言，一般可分为热探测器和光电子探测器（或称光电探测器）两大类。

3.1热探测器

热探测器是吸收红外辐射后，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红外辐射的能量和功率。上述四种是最常见的物理变化，利用其中一种物理变化，就可以制成一种类型的红外探测器。如利用温差电效应制成的热电偶；利用电阻率变化的热敏电阻或电阻测辐射热计；利用气体压强变化的气体探测器（高莱盒）等。这里主要介绍可用于热成像的热释电探测器。

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热探测器

热探测器的性能较好，其中以LiTaO3探测器性能最好。因为它不潮解，结构稳定，居里温度高（618℃），所以，其探测率较高，有可能代替目前盛行的TGS探测器而得到广泛应用。此外，锆钛酸铅（PZT）也是一种新型的热释电材料，这种材料具有优良的物理化学性能和机械性能，耐潮解，耐高温，抗氧化，而且居里温度高，能承受大功率辐射。因此该材料除用于各种热辐射测量如温测、红外报警，红外光谱分析等外，还可用于大功率激光器能量和功率的测量。

热释电探测器与CCD器件混合提供了不需致冷的工作前景。由于热释电的差动特性，不能用于凝视列阵，但能用于扫描列阵。在组件扫描列阵上，不大可能达到0.1K灵敏度所需要的探测率。最好的250um2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-1

影响探测率的两个因素是：①热释电探测器的响应度。这意味着在直接耦合的情况下，将以CCD的噪声为主。因此，在探测器与CCD之间需要放大；②热释电探测器在硅片界面上要产生散热损失。如若硅片上的TGS层厚度为20um，则在20Hz的调制频率下，信号大约下降到1／30。

热释电——CCD混合的红外电荷耦合器件的结构是在MOS场效应晶体管的沟道和金属栅之间制作热释电薄膜，即与栅极串联组成红外电荷耦合器件，由热释电探测器产生的电压来调节MOS结构的势阱深度。这样，信号电荷由于势阱深度变化而进行传递。当电压是一个常数且足够大时，势阱深度可达几个kT，而电荷使势阱基本上充满，漏极是在N势垒的上面并进入CCD沟道，调节电压，使景物的调制不再被暗电流削弱为止。

典型的采用厚度为600×10-10m氧化层上面积为10-5cm2的TGS制成的红外电荷耦合器件，以20帧／秒工作在8～12um窗口时，最小可分辨温差△TMRTD为0.3K。这里应指出，为使实际器件达到预期的性能，需要更高的热绝缘，以避免衬底的热负载以及各像元之间的串音干扰。

3.2光子探测器（光电探测器） 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

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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为固体的光电效应。而光电效应又分为内光电效应和外光电效应两种形式。由光电效应的大小，可以测量被吸收的光子数。利用光电效应制成的红外探测器也称为光子探测器或光电探测器。这类探测器是依赖内部电子直接吸收红外辐射，不需要经过加热物体的中间过程，因此反应快。此外，这类探测器的结构都比较牢靠，能在比较恶劣的条件下工作。因而光电探测器是当今发展最快、应用最为普遍的红外探测器。

光电探测器

4.常用的光电探测器

4.1光电子发射探测器

当光照射到某些金属、氧化物或半导体表面上时，如果光子能量足够大，就能够使其表面发射电子，这种现象叫做光电子发射或外光电效应。利用光电子发射制成的可见光探测器和红外辐射探测器，统称为光电子发射探测器。如本书前边所介绍的变像管、象增强器以及摄像管中的一部分均属此类器件。此外光电管、光电倍增管也属此类器件。这类器件的时间常数很短，只有几个毫微秒。所以在激光通讯中，常采用特制的光电倍增管。

如前边介绍过的那样，大部分光电子发射探测器，只对可见光起作用。能够用于近红外和微光的光阴极只有银氧铯光阴极S-1和多碱光阴极系列，以及负电子亲和势光阴极。所以发展新的红外光阴极也是红外技术中很迫切的任务之一。

4.2光电导探测器

当红外辐射入射到半导体器件时，会使体内一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增加，这种现象称为光电导效应。利用光电导效应制造的红外探测器叫做光电导探测器（简称PC器件）。这类器件结构简单，种类最多，应用最广。

光电导探测器的材料可分为多晶薄膜型和单晶型两类。薄膜型的PC探测器品种较少，常用的有PbS光电导探测器和PbSe光电导探测器。PbS适用于1～3um波段的大气窗口，PbSe适用于3～5um波段的大气窗口。单晶型的PC探测器又分为本征型和掺杂型两类。本征型最早只限于7um以下的大气窗口，主要是锑化铟（InSb）探测器。它是3～5um大气窗口的最优良的探测器。近年来又研制成功了三元半导体材料Pb1-xSnxTe和Hg1-xCdxTe。这些材料的探测器，尤其是Hg1-xCdxTe探测器，已使8～14um大气窗口的探测器的工作温度提高到液氮温度，3～5um的探测器即便在室温也有了相当好的性能，而1～3um的探测器性能也超过以前用于该波段的探测器。掺杂型的Ge：Hg探测器也适用于8～14ptm的大气窗口。此外，60K的Ge：Au探测器一度也被广泛采用，但长波限在7um左右，在大气窗口之外。

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4.3光伏探测器

在半导体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，则两端就会产生电压。这种现象称为光生伏特效应。利用该效应制成的红外探测器称之为光伏探测器（简称PV器件）。常用的有室温InAs（1～3．8)um探测器，77K下的InAs的l～3．5um探测器，77K下InSb的2～2．8um探测器，以及Hgl-xCdxTe、Pb1-xSnxTe探测器等。

光伏探测器响应速度一般较光电导探测器快，有利于作高速检测。它既可用于直接探测，电可用于外差接收。光伏型器件结构有利于排成两维面阵，因而人们对它的兴趣在于把它和CCD器件耦合组成焦平面列阵红外探测器。因此光伏探测器有着非常广阔的发展前景。

4.4光磁电探测器

当红外光照射到半导体表面时，如果有外磁场存在，则在半导体表面附近产生的电子——空穴对在向半导体内部扩散的过程中，电子和空穴将各偏向一侧，因而在半导体两端产生电位差。这种现象称为光磁电效应。利用这个效应制成的红外探测器称为光磁电探测器（简称PEM器件）。早期曾出现过光磁电型InSb探测器商品，但随着半导体材料品质的提高，加之光磁电探测器需多带一块磁铁很不方便，这种器件已很少被人们使用。目前光磁电效应有时被用来与光电导结合测量载流子寿命，以避免麻烦的辐射量校测工作，也可以测到较低的载流子寿命。

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和红外上转换器件。

5.红外探测器的工作条件和性能参数

研究红外探测器工作性能的好坏，设计红外系统和选择比较探测器的性能，都必须有一个评价标准。对红外探测器而言，这个评价的标准就是红外探测器的性能参数或称为性能优值。一个探测器的性能参数，往往与探测器的测量方法和使用条件，几何尺寸及物理性质密切相关。所以，在给出性能参数的同时，必须说明其工作条件。这里介绍红外探测器的基本工作条件和性能参数及其定义。

5.1红外探测器的工作条件 1．入射辐射的光谱分布

不同的探测器对景物辐射波长的响应是不同的。因此，在对探测器性能描述时，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。由于黑体辐射源能够提供一个已知的光谱分布和均匀的空间辐射功率，所以实验室多采用500K黑体辐射源作为信号源。如果入射辐射是黑体辐射则要给出黑体辐射温度；如果入射信号源为单色辐射，则应指明辐射波长和入射方向。当入射辐射通过大气和光学系统时，还应考虑大气和光学系统对信号的衰减。同时还须指出环境对辐射的影响。

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。 (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A n：标称面积是指探测器制造者提供的响应面积，它只表示探测器真实响应面积的近似值。

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②有效面积A e：有效面积用下式定义

（1-1）

式中，x，y为响应平面s上某点的位置坐标；

(x，y)上述点处的响应度；

为响应平面上响应度的最大值。

(2)探测器接收辐射信号的立体角

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重立体角，它也有如下两种形式：

①标称权重立体角Ω n：标称权重体重是指探测器制造者提供的立体角，它表示探测器真实权重立体角的近似值。

②有效权重立体角Ω e：有效权重立体角由下式定义

（1-2）

式中，为轴线垂直于响应平面的球坐标系的极角和方位角；

为探测器响应平面S上某点(x，y)对

射响应度；

(0，0)为(x，y，0，0)的极大值。

方向入射的辐

该式定义虽然很精确，却很难计算。但是对于响应度与方位角无关的圆形对称探

测器而言，若从响应元中心到探测器光阑的视场角为w，则权重立体角可简化为

对于朗伯探测器，其权重立体角简化为

（1-3）

（1-4）

3．探测器的输出信号

探测器的输出信号由信号电压Vs噪声电压Vn两部分组成。输出电压信号与入射到探测器响应平面上的辐射功率有关。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?，波长λ及功率Ps的函数，即

（1-5）

常用的器件，Vs与Ps是线性关系。因此对给定的b、?和λ值，Vs／Ps为一常数。此外，有些探测器的Vs与?及λ的关系，可以分离为各自独立的因子来考虑。具有这种性质的器件称为可分性探测器。此时上式可改为

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