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紅外探測器的相關介紹
3. 1紅外探測器特忡參數 3. 1. 1紅外探測器分類
紅外探測器是一種輻射能轉換器,主要用于將接收到的紅外輻射能轉換為便 于測罱或觀察的電能、熱能等其他形式的能罱。根據能罱轉換方式,紅外探測器 可分為熱探測器和光子探測器兩大類。
熱探測器的工作機理是基于入射輻射的熱效應引起探測器某一電特性.的變 化,而光子探測器是基于入射光子流與探測材料相互作用產生的光電效應,具體 表現為探測器響應元S由載流子(即電子和/或空穴)數S的變化。由于這種變 化是由入射光子數的變化引起的,光子探測器的響應正比于吸收的光子數。而熱 探測器的響應正比與所吸收的能量。
熱探測器的換能過程包括:熱阻效應、熱伏效應、熱氣動效應和熱釋電效應。光子探測 器的換能過程包括:光生伏特效應、光電導效應、光電磁效應和光發射效應。
各種光子探測器、熱探測器的作用機理姐然各有不同,但其基本特性都可用 等效噪聲功率或探測率、響應率、光譜響應、響應時間等參數來描述。
3. 1. 2等效噪聲功率和探測率
我們將探測器輸出信號等于探測器噪聲時,入射到探測器上的輻射功率定義 為等效噪聲功率,單位為瓦。由于信噪比為1時功率測景不太方便,可以在高信 號電平下測罱,再根據下式計算:
由于探測器響應與輻射的調制頻率有關,測最等效噪聲功率時,黑體輻射 源發出的輻射經調制盤調制后,照射到探測器光敏面上,輻射強度按同定頻率作 正弦變化。探測器輸出信號濾除高次諧波后,用均方根電壓表測竜:基波的有效值。
必須指出:等效噪聲功率可以反映探測器的探測能力,但不等于系統無法探 測到強度弱于等效噪聲功率的輻射信號。如果采取相關接收技術,即使入射功率 小于等效噪聲功率,由于信號是和關的,噪聲是不相關的,也是可以將信號檢測 出來的,但是這種檢測是以增加檢測時間為代價的。另外,強度等于等效噪聲功 率的輻射信號,系統并不能可靠地探測到。在設計系統時通常要求最小可探測功 率數倍于等效噪聲功率,以保證探測系統有較高的探測概率和較低的虛警率。輻 射測最系統由于有較高的測最粘度要求,對弱信號也要求有一定的信噪比。
等效噪聲功率被用來度量探測器的探測能力,但是等效噪聲功率最小的探測 器的探測能力卻是最好的,很多人不習慣這樣的表示方法。Jones建議用等效噪 聲功率的倒數表示探測能力,稱為探測率,這樣較好的探測器有較高的探測率。 因此,探測率可表達為:
探測器的探測率與測量條件有關,包括:
-入射輻射波長;
一探測器溫度;
—調制頻率;
一探測器偏流;
一探測器面積:
一測竜:探測器噪聲電路的帶寬:
一光學視場外熱背景。
為了對不問測試條件下測衍的探測率進行比較,應盡罱將測試條件標準化。 采取的做法是:
—輻射波長、探測器溫度
由于探測率和波長之間,探測率和探測器溫度之間,在理論上無明顯關 系,波長和制冷溫度只能在測量條件中加以說叨。
一輻射調制頻率
解決探測率隨調制頻率變化的最簡單的方法是將頻率選得足夠低,以避 開探測器時間常數帶來的限制。或注明調制頻率。
-探測器偏流:一般調到使探測率最大。
一探測器面積和測景電路帶寬
廣泛的理論和實驗研宄表明,有理山假定探測器輸出的信噪比與探測 器面積的平方根成正比,即認為探測率與探測器面積的平方根成反比。探測 器輸出噪聲&含各種頻率成分,敁然,噪聲電壓是測量電路帶寬的函數。由 于探測器總噪聲功率譜在中頻段較為平択,可認為測衍的噪聲電壓只與測貴 電路帶寬的平方根成正比,即探測率與測景電路帶寬的平方根成反比。一次, 可定義:
的物理意義可理解為1瓦輻射功率入射到光敏面積1厘米=的探測器 上,并用帶寬為1赫電路測罱所得的信噪比。/廣是歸一化的探測率,稱為比
探測率,讀作D星。用//來比較兩個探測器的優劣,可避免探測器面積或測
量帶寬不同對測是結果的影響。比探測率和前面介紹的探測率定義上是有區 別的,但由于探測率未對面積、帶寬歸一化,確實沒有多大實用意義,一般
文獻報告中都不把D‘稱之為“比探測率”,而是稱為“探測率”,這只是一種 約定俗成的做法。
3. 1. 3單色探測率和D雙星 1)黑體探測率和單色探測率
測量//時如采用黑體輻射源,測得的Z/稱為黑體//,有時寫作D、。為 了進一步叨確測量條件,黑體D•后面括號中耍注明黑體溫度和調制頻率。如 D、(500/ST,800)表示是對500K黑體,調制頻率為800Hz所測得的值。
測竜:時如用單色輻射源,測得的探測率為單色探測率,寫作
2) LT
背蹵輻射對紅外探測器至關重要,為了減少光學視場外熱背梟(如腔體)無 規則輻射在探測器上產生的噪聲,往往在探測器外加一個冷屏。從探測器中心向 冷屏孔的張角叫探測器視角。設置冷屏能有效地減少了背踅光子迎最,增加探測 率。但是這并不意味探測器本身性能的提苡,而是探測器視角的減小。而視角減 小將影響光學系統的聚光能力。
未加冷屏時,探測器在整個半球接收光子,n = 7T,等于//。D”實際
上是將測得的探測率折算為半球背貴下的探測率,這樣可真實反映探測器本身的 探測性能。
/V•對紅外探測器研制者有指導意義,在工程中不常使用。制造商提供的紅
外探測器的探測率迎常是指含冷屏的探測器組件的探測率。使用者只須注意探測 器的視角是否會限制光學系統的孔徑角,以及冷屏的屏敝效率。
3. 1. 1背景噪聲對探測率的限制
光子探測器和熱探測器比探測率的最終極限將受竹景噪聲的限制。
對于光電導狽探測器,//的理論極大值為:
光子探測器己有不少接近?¥賀附
對于熱探測器,背踅輻射的起伏將引起探測器溫度的起伏,并且探測器本身 輻射也將引起統計性溫度起伏。如果信號輻射引起的溫度變化低于這兩種溫度起 伏,就探測不到信號輻射。溫度起伏也是一種噪聲,受溫度噪聲限制的熱探測器 的等效噪聲功率為:
目前,熱敏電阻探測器由于受1/f噪聲和電阻熱噪聲的限制,其探測率與極 附值尚差兩個數景級。但是對熱釋電探測器來說,由于它不是電阻恍器件而是可 看作電容性器件,不受熱噪聲限制,電流噪聲也較小,因此它的探測率與極限值 相差己不到一個數景級。
3. 1. 5響應率
響應率等于單位輻射功率入射到探測器上產生的信號輸出。響應率一般以電 壓形式表示。對以電流方式輸出的探測器,如輸出短路電流的光伏探測器,也可 用電流形式表示。
因為測最響應率時是不管噪聲大小的,可不注明只與噪聲有關的電路」取寬。 響應率與探測器的響應速度有關,光丫•探測器的頻率響應特蝕如•個低迎濾波 器。在低頻段響應較為平W,超過轉角頻率后響應明敁下降。一般均在低頻下測
景響應率,以消除調制頻率的影響。
表面上看,只要探測率足夠高,探測器輸出有足夠的信噪比,信號較弱是 可以用電路放大的方法彌補的。實際上響應率過低,就必須提高前置放大器的放 大倍率,高倍率的前胃.放大器會引入更多噪聲,如選用探測率較低但響應率商的 探測器,系統的探測蝕能可能更好一駐。因此,對系統設計者來說,探測器的響 應率和探測率是同樣值得關注的。
3. 1. 6光鐠響應
探測器的光譜響應是指探測器受不同波長的光照射時,K/?、//隨波長變
化的悄•況。設照射的是波長為/1的單色光,測得的/?、可用義、表示, 稱為單色響應率和單色比探測率,或稱為光譜響應率和光譜比探測率。
如果在某一波長&處,響應率、探測器達到峰值,則\稱為峰值波長,而
義、%分別稱為峰值響應率和峰值比探測率。此時的D +可記做//(&,/),注
明的是峰值波長和調制頻率,而黑體比探測率//(7:,/)注明黑體溫度和調制頻
如以橫坐標表示波長,縱坐標為光譜響應率,則光譜響應曲線表示每單位 波長間隔內恒定輻射功率產生的信號電壓。有時縱坐標也可表示為對峰值響應歸 一化的相對響應。
光子探測器和熱探測器的光譜響應曲線是不問的,理想情況如圖所示。熱 探測器的響應只與吸收的輻射功率有關,而與波長無關,因為其•溫度的變化只取 決于吸收的能景。
對于光子探測器,僅當入射光子的能景大于某一極小值.吋才能產生光電
效應。也就是說,探測器僅對波長小于4,或者頻率大于W的光子才有響應。
光子探測器的光譜響應正比于入射的光子數,由于光子能量與波長A成正 比,在單位波長間隔內輻射功率不變的前提下,入射光子數同樣與波長成正比。
因此,光子探測器的響應響應隨波長A線性.上升,然后到某一截止波長<突然下 降為零。
理想情況下,截止波長弋即峰值波長實際曲線稍有偏離。例如光子探 測器實際光譜響應在峰值波長附近迅速下降,一般將響應下降到峰值響應的 50%處的波長稱為截止波長之。
系統的工作波段通常是根據S標輻射光譜特性和應用需求而設定的,則選 用的探測器就應該在此波段中有較高的光譜響應。因為光子探測器響應截止的斜 率很陡,不少探測器的商1~1并不鍍成帶迎濾光片,而是鍍成前截止濾光片,可起 到抑制背景的效果。
3. 1. 7響應時間
當一定功率的輻射突然照射到探測器上吋,探測器輸出信號要經過一定吋 間才能上升到與這一輻射功率相對應的穩定值。當輻射突然去除時,輸出信號也 要經過一定時間才能下降到輻照之前的值。這種上升或下降所需的時間叫探測器 的響應時間,或吋間常數。
系統設計時,應保證探測器在系統帶寬范圍內響應率與頻率無關。由于光 子探測器的時間常數可達數十納秒至微秒,所以在一個很寬的頻率范_內,頻率 響應是平坰的。熱探測器的時間常數較大,如熱敏電阻為數亳秒至數十毫秒,因 此頻率響應平坦的范圍僅幾十周而己。
在設計光機掃描沏系統時,探測器的時間常數應當選擇得比探測器在瞬時視 場上的駐簾時間為短,否則探測器的響應速度將跟+上掃描速度。當對突發的輻 射信號進行檢測時,則應根據入射輻射的時頻特忡.,選擇響應速度較快的探測器。 如激光功率計在檢測連續波激光時,探頭的探測器可以用響應較慢的熱電堆,檢 測脈沖激光吋則必須用響應速度較快的熱釋電探測器,如來激光脈寬很窄,需要 用光子探測器檢測。
3. 2光子探測器 3. 2. 1光電效應概述
光子探測器是最有用的紅外探測器,它的工作機理是光子與探測器材料直接 作用,產生內光電效應。因此,光子探測器的探測率一般比熱探測器要大1至2 個數量級,其響應時間為微秒成納秒級。光子探測器的光譜響應特恍與熱探測器 完全不M,迎常需要制冷至較低溫度才能正常工作。
按照普朗克的景子理論,輻射能量是以微粒形式存在的,這種微粒稱為光子 或景子。一個光子的能最是
當入射光子與金屬中的電子碰掩吋,則將能罱傳遞給電子。如來電子獲得光 子全部能罱,則光子不S存在。如果電子獲得的能罱大到足以使其穿過表面的勢 壘,就能從表面逸出。這一效應稱為外光電效應或光電子發射效應。
電子逸出所需做的功與材料特蝕有關。由于光子能量隨頻率而變,故存在一 個長波限,或稱為截止波長。超過截止波長的光子的能景均低于逸出功,不足以 產生Q表面逸出的0由電子。因此,光發射探測器的響應只能延伸到近紅外的一 個小范圍。
波長大于1. 2微米的光子的能景姐然不足產生電子發射,但存在內光電效應。 光子傳遞的能最使電子從非導電狀態變為導電狀態,從而產生了載流子。載流子 的類型取決于材料的特性,這些材料幾乎都是半導體。如果材料是本怔的,即純 凈的半導體,一個光子產生一個電子空穴對,它們分別是正、負電荷的攜帶者。 如果材料是非本征,即摻雜的半導體,光子則產生單一符號的載流子,或為正, 或為負,不會M時產生兩種載流子。如來在探測器上加電場,則流過探測器的電 流將隨載流子數罱的變化而變化,稱為光電導效應。
如果光子在p-n結附近產生空穴一電子對,結間的電場就使兩類載流子分開, 而產生光電壓,稱為光生伏打效應。光生伏打型的探測器不需要外加偏壓,因為 P-n己提供了偏壓。
當電子一空穴對在半導體表面附近形成吋,它們力圖向深處擴展,以重新建 立電中性。如果在這一過程中加上強磁場,就使兩種載流子分開而產生光電壓, 稱為光電磁效應。
3. 2. 2同體能帶理論
同體能帶理論是表示同體中電子能量分布方式的一種簡便方法,扼要介紹一 下這一理論,可有助于理解探測器內部產生的光電效應。
在簡單的波爾原子模璀中,繞原子核旋轉的電子被限制在分立的能級上,它 們各有各的軌道直徑。除非原子被激發,電子都占據著較低的能級。同體的原子 靠得很近,由于最f•力學的結果,單個原子的分立能級擴展成近于連續的能帶, 這呰能帶被電子的®帶所隔離。K低的能帶是完全充滿的,稱為階帶。下一個較 高的能帶,不管是占據或米占據有電子,都稱為導帶。只有導帶中的電子對材料 的電導率才有貢獻。
導電體、絕緣體和半導體有不問的能帶結構。導電體的明顯標志是導帶沒有 被電子全部占據。絕緣體的電子剛好占據了階帶中的全部能級,導帶是空的,禁 帶很寬,階電子不可能獲得足夠的能罱升到導帶中去。
從電特性看,半導體的導電率介于絕緣體和金城之間。純凈的本征半導體的 禁帶相對窄一些,僅有幾分之一電子伏特,而絕緣體的禁帶是3電子伏特或更大 些。因此,即使在室溫下,半導體的一些階電子也能獲得足夠的能量,躍過禁帶 而到達導帶。這些電子原來占據的位置成了正電荷,稱為空穴。存在電場或磁場 時,空穴像電子一樣流過材料,然而兩者流動的方向和反。
在純凈半導體中,一個電子被激發到導帶,則產生電子空穴對載流子,兩者 貢獻各自的電導率。本征半導體材料有銘單晶、硅單晶以及按化學計筧比例構成 的化合物。典型的光伏型本征探測器有Si, Gc, GaAs, InSb, InGaAs,和HgCdTc (MCT)等,光伏型本征探測器有PbS、PbSc和MCT。
截止波長再長的探測器,要求材料的禁帶寬度比本征半導體還要小。減小桀 帶寬度的一般方法,是在純凈半導體中加入少量的K它雜質,稱為摻雜,所得材 料稱為非本征半導體。在非本征材料中,只有一種載流子提供導電率,^型材料 的載流子是電子,而P型的是空穴。
許多紅外探測器邡用鍺、硅作為非木征材料的主體材料,可表示為Six、GcXo 鍺、硅原子有4個階電子,它們和4個周_的子構成共價鍵。如果把3個價電子 的雜質原子摻到鍺中,則產生一個過剩的空穴。由于雜質能級怡好靠近主體材料 價帶的頂部,所以,電子從價帶躍遷到雜質空穴,只需要很小的能景。銜在價帶 中的空穴成為載流子,材料則是P沏的。與此類似,如果摻入有5個或更多價電 子的雜質,摻雜后成為n沏材料。n沏、p沏材料原則上都可用來制作紅外探測 器,迎常用的還是P沏材料,摻入的雜質有綳、腫、鎵、鋅等。
 
 

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