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红外探测器的相关介绍
3. 1红外探测器特忡参数 3. 1. 1红外探测器分类
红外探测器是一种辐射能转换器,主要用于将接收到的红外辐射能转换为便 于测罱或观察的电能、热能等其他形式的能罱。根据能罱转换方式,红外探测器 可分为热探测器和光子探测器两大类。
热探测器的工作机理是基于入射辐射的热效应引起探测器某一电特性.的变 化,而光子探测器是基于入射光子流与探测材料相互作用产生的光电效应,具体 表现为探测器响应元S由载流子(即电子和/或空穴)数S的变化。由于这种变 化是由入射光子数的变化引起的,光子探测器的响应正比于吸收的光子数。而热 探测器的响应正比与所吸收的能量。
熱探测器的换能过程包括:热阻效应、熱伏效应、熱气动效应和热释电效应。光子探测 器的换能过程包括:光生伏特效应、光电导效应、光电磁效应和光发射效应。
各种光子探测器、热探测器的作用机理姐然各有不同,但其基本特性都可用 等效噪声功率或探测率、响应率、光谱响应、响应时间等参数来描述。
3. 1. 2等效噪声功率和探测率
我们将探测器输出信号等于探测器噪声时,入射到探测器上的辐射功率定义 为等效噪声功率,单位为瓦。由于信噪比为1时功率测景不太方便,可以在高信 号电平下测罱,再根据下式计算:
由于探测器响应与辐射的调制频率有关,测最等效噪声功率时,黑体辐射 源发出的辐射经调制盘调制后,照射到探测器光敏面上,辐射强度按同定频率作 正弦变化。探测器输出信号滤除高次谐波后,用均方根电压表测竜:基波的有效值。
必须指出:等效噪声功率可以反映探测器的探测能力,但不等于系统无法探 测到强度弱于等效噪声功率的辐射信号。如果采取相关接收技术,即使入射功率 小于等效噪声功率,由于信号是和关的,噪声是不相关的,也是可以将信号检测 出来的,但是这种检测是以增加检测时间为代价的。另外,强度等于等效噪声功 率的辐射信号,系统并不能可靠地探测到。在设计系统时通常要求最小可探测功 率数倍于等效噪声功率,以保证探测系统有较高的探测概率和较低的虛警率。辐 射测最系统由于有较高的测最粘度要求,对弱信号也要求有一定的信噪比。
等效噪声功率被用來度量探测器的探测能力,但是等效噪声功率最小的探测 器的探测能力却是最好的,很多人不习惯这样的表示方法。Jones建议用等效噪 声功率的倒数表示探测能力,称为探测率,这样较好的探测器有较高的探测率。 因此,探测率可表达为:
探测器的探测率与测量条件有关,包括:
-入射辐射波长;
一探测器温度;
—调制频率;
一探测器偏流;
一探测器面积:
一测竜:探测器噪声电路的带宽:
一光学视场外热背景。
为了对不问测试条件下测衍的探测率进行比较,应尽罱将测试条件标准化。 采取的做法是:
—辐射波长、探测器温度
由于探测率和波长之间,探测率和探测器温度之间,在理论上无明显关 系,波长和制冷温度只能在测量条件中加以说叨。
一辐射调制频率
解决探测率随调制频率变化的最简单的方法是将频率选得足够低,以避 开探测器时间常数带来的限制。或注明调制频率。
-探测器偏流:一般调到使探测率最大。
一探测器面积和测景电路带宽
广泛的理论和实验研宄表明,有理山假定探测器输出的信噪比与探测 器面积的平方根成正比,即认为探测率与探测器面积的平方根成反比。探测 器输出噪声&含各种频率成分,敁然,噪声电压是测量电路带宽的函数。由 于探测器总噪声功率谱在中频段较为平択,可认为测衍的噪声电压只与测贵 电路带宽的平方根成正比,即探测率与测景电路带宽的平方根成反比。一次, 可定义:
的物理意义可理解为1瓦辐射功率入射到光敏面积1厘米=的探测器 上,并用带宽为1赫电路测罱所得的信噪比。/广是归一化的探测率,称为比
探测率,读作D星。用//來比较两个探测器的优劣,可避免探测器面积或测
量带宽不同对测是结果的影响。比探测率和前面介绍的探测率定义上是有区 别的,但由于探测率未对面积、带宽归一化,确实没有多大实用意义,一般
文献报告中都不把D‘称之为“比探测率”,而是称为“探测率”,这只是一种 约定俗成的做法。
3. 1. 3单色探测率和D双星 1)黑体探测率和单色探测率
测量//时如采用黑体辐射源,测得的Z/称为黑体//,有时写作D、。为 了进一步叨确测量条件,黑体D•后面括号中耍注明黑体温度和调制频率。如 D、(500/ST,800)表示是对500K黑体,调制频率为800Hz所测得的值。
测竜:时如用单色辐射源,测得的探测率为单色探测率,写作
2) LT
背蹵辐射对红外探测器至关重要,为了减少光学视场外热背枭(如腔体)无 规则辐射在探测器上产生的噪声,往往在探测器外加一个冷屏。从探测器中心向 冷屏孔的张角叫探测器视角。设置冷屏能有效地减少了背踅光子迎最,增加探测 率。但是这并不意味探测器本身性能的提苡,而是探测器视角的减小。而视角减 小将影响光学系统的聚光能力。
未加冷屏时,探测器在整个半球接收光子,n = 7T,等于//。D”实际
上是将测得的探测率折算为半球背贵下的探测率,这样可真实反映探测器本身的 探测性能。
/V•对红外探测器研制者有指导意义,在工程中不常使用。制造商提供的红
外探测器的探测率迎常是指含冷屏的探测器组件的探测率。使用者只须注意探测 器的视角是否会限制光学系统的孔径角,以及冷屏的屏敝效率。
3. 1. 1背景噪声对探测率的限制
光子探测器和热探测器比探测率的最终极限将受竹景噪声的限制。
对于光电导狈探测器,//的理论极大值为:
光子探测器己有不少接近?¥贺附
对于热探测器,背踅辐射的起伏将引起探测器温度的起伏,并且探测器本身 辐射也将引起统计性温度起伏。如果信号辐射引起的温度变化低于这两种温度起 伏,就探测不到信号辐射。温度起伏也是一种噪声,受温度噪声限制的热探测器 的等效噪声功率为:
目前,热敏电阻探测器由于受1/f噪声和电阻热噪声的限制,其探测率与极 附值尚差两个数景级。但是对热释电探测器来说,由于它不是电阻恍器件而是可 看作电容性器件,不受热噪声限制,电流噪声也较小,因此它的探测率与极限值 相差己不到一个数景级。
3. 1. 5响应率
响应率等于单位辐射功率入射到探测器上产生的信号输出。响应率一般以电 压形式表示。对以电流方式输出的探测器,如输出短路电流的光伏探测器,也可 用电流形式表示。
因为测最响应率时是不管噪声大小的,可不注明只与噪声有关的电路」取宽。 响应率与探测器的响应速度有关,光丫•探测器的频率响应特蚀如•个低迎滤波 器。在低频段响应较为平W,超过转角频率后响应明敁下降。一般均在低频下测
景响应率,以消除调制频率的影响。
表面上看,只要探测率足够高,探测器输出有足够的信噪比,信号较弱是 可以用电路放大的方法弥补的。实际上响应率过低,就必须提高前置放大器的放 大倍率,高倍率的前胃.放大器会引入更多噪声,如选用探测率较低但响应率商的 探测器,系统的探测蚀能可能更好一驻。因此,对系统设计者来说,探测器的响 应率和探测率是同样值得关注的。
3. 1. 6光镨响应
探测器的光谱响应是指探测器受不同波长的光照射时,K/?、//随波长变
化的悄•况。设照射的是波长为/1的单色光,测得的/?、可用义、表示, 称为单色响应率和单色比探测率,或称为光谱响应率和光谱比探测率。
如果在某一波长&处,响应率、探测器达到峰值,则\称为峰值波长,而
义、%分别称为峰值响应率和峰值比探测率。此时的D +可记做//(&,/),注
明的是峰值波长和调制频率,而黑体比探测率//(7:,/)注明黑体温度和调制频
如以横坐标表示波长,纵坐标为光谱响应率,则光谱响应曲线表示每单位 波长间隔内恒定辐射功率产生的信号电压。有时纵坐标也可表示为对峰值响应归 一化的相对响应。
光子探测器和热探测器的光谱响应曲线是不问的,理想情况如图所示。热 探测器的响应只与吸收的辐射功率有关,而与波长无关,因为其•温度的变化只取 决于吸收的能景。
对于光子探测器,仅当入射光子的能景大于某一极小值.吋才能产生光电
效应。也就是说,探测器仅对波长小于4,或者频率大于W的光子才有响应。
光子探测器的光谱响应正比于入射的光子数,由于光子能量与波长A成正 比,在单位波长间隔内辐射功率不变的前提下,入射光子数同样与波长成正比。
因此,光子探测器的响应响应随波长A线性.上升,然后到某一截止波长<突然下 降为零。
理想情况下,截止波长弋即峰值波长实际曲线稍有偏离。例如光子探 测器实际光谱响应在峰值波长附近迅速下降,一般将响应下降到峰值响应的 50%处的波长称为截止波长之。
系统的工作波段通常是根据S标辐射光谱特性和应用需求而设定的,则选 用的探测器就应该在此波段中有较高的光谱响应。因为光子探测器响应截止的斜 率很陡,不少探测器的商1~1并不镀成带迎滤光片,而是镀成前截止滤光片,可起 到抑制背景的效果。
3. 1. 7响应时间
当一定功率的辐射突然照射到探测器上吋,探测器输出信号要经过一定吋 间才能上升到与这一辐射功率相对应的稳定值。当辐射突然去除时,输出信号也 要经过一定时间才能下降到辐照之前的值。这种上升或下降所需的时间叫探测器 的响应时间,或吋间常数。
系统设计时,应保证探测器在系统带宽范围内响应率与频率无关。由于光 子探测器的时间常数可达数十纳秒至微秒,所以在一个很宽的频率范_内,频率 响应是平坰的。热探测器的时间常数较大,如热敏电阻为数亳秒至数十毫秒,因 此频率响应平坦的范围仅几十周而己。
在设计光机扫描沏系统时,探测器的时间常数应当选择得比探测器在瞬时视 场上的驻帘时间为短,否则探测器的响应速度将跟+上扫描速度。当对突发的辐 射信号进行检测时,则应根据入射辐射的时频特忡.,选择响应速度较快的探测器。 如激光功率计在检测连续波激光时,探头的探测器可以用响应较慢的热电堆,检 测脉冲激光吋则必须用响应速度较快的热释电探测器,如來激光脉宽很窄,需要 用光子探测器检测。
3. 2光子探测器 3. 2. 1光电效应概述
光子探测器是最有用的红外探测器,它的工作机理是光子与探测器材料直接 作用,产生内光电效应。因此,光子探测器的探测率一般比热探测器要大1至2 个数量级,其响应时间为微秒成纳秒级。光子探测器的光谱响应特恍与热探测器 完全不M,迎常需要制冷至较低温度才能正常工作。
按照普朗克的景子理论,辐射能量是以微粒形式存在的,这种微粒称为光子 或景子。一个光子的能最是
当入射光子与金属中的电子碰掩吋,则将能罱传递给电子。如來电子获得光 子全部能罱,则光子不S存在。如果电子获得的能罱大到足以使其穿过表面的势 垒,就能从表面逸出。这一效应称为外光电效应或光电子发射效应。
电子逸出所需做的功与材料特蚀有关。由于光子能量随频率而变,故存在一 个长波限,或称为截止波长。超过截止波长的光子的能景均低于逸出功,不足以 产生Q表面逸出的0由电子。因此,光发射探测器的响应只能延伸到近红外的一 个小范围。
波长大于1. 2微米的光子的能景姐然不足产生电子发射,但存在内光电效应。 光子传递的能最使电子从非导电状态变为导电状态,从而产生了载流子。载流子 的类型取决于材料的特性,这些材料几乎都是半导体。如果材料是本怔的,即纯 净的半导体,一个光子产生一个电子空穴对,它们分别是正、负电荷的携带者。 如果材料是非本征,即掺杂的半导体,光子则产生单一符号的载流子,或为正, 或为负,不会M时产生两种载流子。如來在探测器上加电场,则流过探测器的电 流将随载流子数罱的变化而变化,称为光电导效应。
如果光子在p-n结附近产生空穴一电子对,结间的电场就使两类载流子分开, 而产生光电压,称为光生伏打效应。光生伏打型的探测器不需要外加偏压,因为 P-n己提供了偏压。
当电子一空穴对在半导体表面附近形成吋,它们力图向深处扩展,以重新建 立电中性。如果在这一过程中加上强磁场,就使两种载流子分开而产生光电压, 称为光电磁效应。
3. 2. 2同体能带理论
同体能带理论是表示同体中电子能量分布方式的一种简便方法,扼要介绍一 下这一理论,可有助于理解探测器内部产生的光电效应。
在简单的波尔原子模璀中,绕原子核旋转的电子被限制在分立的能级上,它 们各有各的轨道直径。除非原子被激发,电子都占据着较低的能级。同体的原子 靠得很近,由于最f•力学的结果,单个原子的分立能级扩展成近于连续的能带, 这呰能带被电子的®带所隔离。K低的能带是完全充满的,称为阶带。下一个较 高的能带,不管是占据或米占据有电子,都称为导带。只有导带中的电子对材料 的电导率才有贡献。
导电体、绝缘体和半导体有不问的能带结构。导电体的明显标志是导带没有 被电子全部占据。绝缘体的电子刚好占据了阶带中的全部能级,导带是空的,禁 带很宽,阶电子不可能获得足够的能罱升到导带中去。
从电特性看,半导体的导电率介于绝缘体和金城之间。纯净的本征半导体的 禁带相对窄一些,仅有几分之一电子伏特,而绝缘体的禁带是3电子伏特或更大 些。因此,即使在室温下,半导体的一些阶电子也能获得足够的能量,跃过禁带 而到达导带。这些电子原来占据的位置成了正电荷,称为空穴。存在电场或磁场 时,空穴像电子一样流过材料,然而两者流动的方向和反。
在纯净半导体中,一个电子被激发到导带,则产生电子空穴对载流子,两者 贡献各自的电导率。本征半导体材料有铭单晶、硅单晶以及按化学计筧比例构成 的化合物。典型的光伏型本征探测器有Si, Gc, GaAs, InSb, InGaAs,和HgCdTc (MCT)等,光伏型本征探测器有PbS、PbSc和MCT。
截止波长再长的探测器,要求材料的禁带宽度比本征半导体还要小。减小桀 带宽度的一般方法,是在纯净半导体中加入少量的K它杂质,称为掺杂,所得材 料称为非本征半导体。在非本征材料中,只有一种载流子提供导电率,^型材料 的载流子是电子,而P型的是空穴。
许多红外探测器邡用锗、硅作为非木征材料的主体材料,可表示为Six、GcXo 锗、硅原子有4个阶电子,它们和4个周_的子构成共价键。如果把3个价电子 的杂质原子掺到锗中,则产生一个过剩的空穴。由于杂质能级怡好靠近主体材料 价带的顶部,所以,电子从价带跃迁到杂质空穴,只需要很小的能景。衔在价带 中的空穴成为载流子,材料则是P沏的。与此类似,如果掺入有5个或更多价电 子的杂质,掺杂后成为n沏材料。n沏、p沏材料原则上都可用來制作红外探测 器,迎常用的还是P沏材料,掺入的杂质有綳、肿、镓、锌等。
 
 

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