红外探测器的发展历史

1800年，F.W.赫歇耳在太阳光谱中发现了红外辐射的存在。

当时，他使用的是水银温度计，即最原始的热敏型红外探测器。

1830年，L.诺比利利用当时新发现的温差电效应（也称塞贝克效应），制成了一种以半金属铋和锑为温差电偶的热敏型探测器。

称作温差电型红外探测器（也称真空温差电偶）。

其后，又从单个温差电偶发展成多个电偶串联的温差电堆。

1880年，S.P.兰利利用金属细丝的电阻随温度变化的特性制成另一种热敏型红外探测器，称为测辐射热计。

1947年，M.J.E.高莱发明一种利用气体热膨胀制成的气动型红外探测器（又称高莱管）。

在40年代，又用半导体材料制作温差电型红外探测器和测辐射热计，使这两种探测器的性能比原来使用半金属或金属时得到很大的改进。

半导体的测辐射热计又称热敏电阻型红外探测器。

60年代中期，出现了热释电型探测器。

它也是一种热敏型探测器，但其工作原理与前三种热敏型红外探测器有根本的区别。

最早的光电型红外探测器是利用光电子发射效应即外光电效应制成的。

以 Cs-O-Ag为阴极材料的光电管（1943年出现）可以探测到 1.3微米。

外光电效应的响应波长难以延伸，因此，它的发展主要是近红外成像器件，如变像管。

利用半导体的内光电效应制成的红外探测器，对红外技术的发展起了重要的作用。

内光电效应分光电导和光生伏特两种效应。

利用这些效应制成的探测器分别称为光导型红外探测器和光伏型红外探测器（见光子型探测器）。

在半导体中引起电导改变或产生电动势是一个激活过程，需要有一定的能量墹E。

因此，入射辐射的光子能量必须大于墹E。

也就是光电型探测器有一个最长的响应波长，称为长波限λ。

1917年，T.W.卡斯发明Tl2S光电型红外探测器，但长波限仅到1.1微米。

30年代末期，德国人研究PbS光导型探测器，室温工作时长波限为3微米，液氮温度时可到5微米。

第二次世界大战之后，相继研制成PbTe和PbSe光电型探测器，响应波长延伸到7微米。

50年代起，由于半导体物理学的发展，光电型探测器所能探测的波长不断延伸。

对于有重要技术用途的 1～13微米波段和限于实验室应用的13～1000微米波段，都有适当的光电型探测器可供使用。

60年代起，又研究成Hg1-xCdxTe三元半导体红外探测器，配制不同组分x的材料，可以制得不同响应波长的红外探测器。

整流型红外探测器也是60年代开始问世的。

由于激光的出现，就有可能利用外差技术进行接收。

因此，把微波波段用的结型检波器推广应用到更高的频率范围，即短毫米波和亚毫米波。

光电导探测器

photoconductive detector

利用半导体材料的光电导效应制成的一种光探测器件。所谓光电导效应，是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象。光电导探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；在红外波段主要用于导d制导、红外热成像、红外遥感等方面。光电导体的另一应用是用它做摄像管靶面。为了避免光生载流子扩散引起图像模糊，连续薄膜靶面都用高阻多晶材料,如PbS-PbO、Sb2S3等。其他材料可采取镶嵌靶面的方法，整个靶面由约10万个单独探测器组成。

1873年，英国W.史密斯发现硒的光电导效应，但是这种效应长期处于探索研究阶段，未获实际应用。第二次世界大战以后，随着半导体的发展，各种新的光电导材料不断出现。在可见光波段方面，到50年代中期，性能良好的硫化镉、硒化镉光敏电阻和红外波段的硫化铅光电探测器都已投入使用。60年代初，中远红外波段灵敏的Ge、Si掺杂光电导探测器研制成功，典型的例子是工作在3～5微米和8～14微米波段的Ge:Au（锗掺金）和Ge:Hg光电导探测器。60年代末以后,HgCdTe、PbSnTe等可变禁带宽度的三元系材料的研究取得进展。

工作原理和特性 光电导效应是内光电效应的一种。当照射的光子能量hv等于或大于半导体的禁带宽度Eg时，光子能够将价带中的电子激发到导带，从而产生导电的电子、空穴对,这就是本征光电导效应。这里h是普朗克常数，v是光子频率,Eg是材料的禁带宽度（单位为电子伏）。因此，本征光电导体的响应长波限λc为

λc=hc/Eg=1.24/Eg (μm)

式中 c为光速。本征光电导材料的长波限受禁带宽度的限制。在60年代初以前还没有研制出适用的窄禁带宽度的半导体材料，因而人们利用非本征光电导效应。Ge、Si等材料的禁带中存在各种深度的杂质能级，照射的光子能量只要等于或大于杂质能级的离化能，就能够产生光生自由电子或自由空穴。非本征光电导体的响应长波限λ由下式求得

λc＝1.24/Ei

式中Ei代表杂质能级的离化能。到60年代中后期，Hg1-xCdxTe、PbxSn1-xTe、PbxSn1-xSe等三元系半导体材料研制成功,并进入实用阶段。它们的禁带宽度随组分x值而改变，例如x＝0.2的HG0.8Cd0.2Te材料，可以制成响应波长为 8～14微米大气窗口的红外探测器。它与工作在同样波段的Ge：Hg探测器相比有如下优点：①工作温度高（高于77K），使用方便,而Ge:Hg工作温度为38K。②本征吸收系数大,样品尺寸小。③易于制造多元器件。表1和表2分别列出部分半导体材料的Eg、Ei和λc值。

通常，凡禁带宽度或杂质离化能合适的半导体材料都具有光电效应。但是制造实用性器件还要考虑性能、工艺、价格等因素。常用的光电导探测器材料在射线和可见光波段有：CdS、CdSe、CdTe、Si、Ge等在近红外波段有：PbS、PbSe、InSb、Hg0.75Cd0.25Te等在长于8微米波段有:Hg1-xCdxTe、PbxSn1-x、Te、Si掺杂、Ge掺杂等；CdS、CdSe、PbS等材料可以由多晶薄膜形式制成光电导探测器。

可见光波段的光电导探测器 CdS、CdSe、CdTe 的响应波段都在可见光或近红外区域，通常称为光敏电阻。它们具有很宽的禁带宽度（远大于1电子伏）,可以在室温下工作，因此器件结构比较简单，一般采用半密封式的胶木外壳，前面加一透光窗口，后面引出两根管脚作为电极。高温、高湿环境应用的光电导探测器可采用金属全密封型结构，玻璃窗口与可伐金属外壳熔封。

器件灵敏度用一定偏压下每流明辐照所产生的光电流的大小来表示。例如一种CdS光敏电阻,当偏压为70伏时，暗电流为10-6～10-8安，光照灵敏度为3～10安/流明。CdSe光敏电阻的灵敏度一般比 CdS高。光敏电阻另一个重要参数是时间常数 τ，它表示器件对光照反应速度的大小。光照突然去除以后，光电流下降到最大值的 1/e（约为37％）所需的时间为时间常数 τ。也有按光电流下降到最大值的10％计算τ的各种光敏电阻的时间常数差别很大。CdS的时间常数比较大（毫秒量级）。

红外波段的光电导探测器 PbS、Hg1-xCdxTe 的常用响应波段在 1～3微米、3～5微米、8～14微米三个大气透过窗口。由于它们的禁带宽度很窄，因此在室温下，热激发足以使导带中有大量的自由载流子，这就大大降低了对辐射的灵敏度。响应波长越长的光，电导体这种情况越显著，其中1～3微米波段的探测器可以在室温工作（灵敏度略有下降）。3～5微米波段的探测器分三种情况：①在室温下工作，但灵敏度大大下降，探测度一般只有1～7×108厘米·瓦-1·赫；②热电致冷温度下工作(约-60℃),探测度约为109厘米·瓦-1·赫③77K或更低温度下工作,探测度可达1010厘米·瓦-1·赫以上。8～14微米波段的探测器必须在低温下工作，因此光电导体要保持在真空杜瓦瓶中，冷却方式有灌注液氮和用微型制冷器两种。

红外探测器的时间常数比光敏电阻小得多,PbS探测器的时间常数一般为50～500微秒,HgCdTe探测器的时间常数在10-6～10-8秒量级。红外探测器有时要探测非常微弱的辐射信号,例如10-14 瓦；输出的电信号也非常小,因此要有专门的前置放大器。

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