红外光子探测器

光电子技术术语

红外光子探测器都是利用内光电效应，红外光子直接把材料束缚态电子激发成传导电子，参与导电，实现光—电转换，电信号大小与吸收的光子数成比例。

分类及工作原理

按光—电信号转换的不同原理，光子探测器分为光电导型、光伏型和光磁电型等，如图1-1所示。

光电导型

受红外线激发，探测器芯片传导电子增加，因而电导率增加，在外加偏压下，引起电流增加，增加的电流大小与光子数成比例。光电导探测器俗称光敏电阻。光电导又分本征型激发和非本征型（杂质型）激发两种。本征型是指红外光子把电子从价带激发至导带，产生电子—空穴对，即导带中增加电子，价带中产生空穴。杂质型是指红外光子把杂质能级的束缚电子（或空穴）激发至导带（或价带），使导带中增加电子（或价带中增加空穴）。应用最多的本征型光电导探测器有硫化铅、硒化铅、锑化铟、碲镉汞等；杂质型光电导探测器主要有锗掺汞、硅掺镓等。

光伏型

在半导体材料中，使导电类型不同的两种材料相接触，制备成PN结，形成势垒区。红外线激发的电子和空穴在PN结势垒区被分开，积累在势垒区两边，形成光生电动势。连接外电路，就会有电信号输出。光伏探测器也称光电二极管。光伏红外探测器主要有锑化铟、碲镉汞、碲锡铅等。还有一种称为肖特基势垒型探测器，它是由某些金属与半导体接触，形成一种势垒称为肖特基势垒，与PN结势垒相似，红外线激发的载流子通过内光电发射产生电信号，实现光电探测。常用肖特基势垒探测器有硅化铂、硅化铱等。

光磁电型

由红外线激发的电子和空穴，在材料内部扩散运动过程中，受到外加磁场的作用，就会使正、负电荷分开，分别偏向相反的一侧，电荷在材料侧面积累。若连接外电路，就会有电信号产生。光磁电型探测器主要有锑化铟、碲镉汞等。由于光磁电型探测器要在探测器芯片上加磁场，结构比较复杂，所以它现在很少使用。

主要特点

光子探测器的特点是：光谱响应有选择性，只对短于某一特定波长的红外辐射有响应，这一特定波长称为截止波长（指在长波端）；响应速度快，比热探测器要高几个数量级，一般光电导探测器响应时间在微秒级，光伏探测器的响应时间在纳秒级或更快，这对于军用探测快速运动目标是非常重要的；探测灵敏度高，与热探测器相比，大约高出两个数量级；探测器灵敏度与工作温度有关，工作温度降低，探测器灵敏度就能提高，有的光子探测器只能在低温工作，需要制冷条件。光子探测器大都是由化合物半导体材料制成，材料生长难度大，器件制造技术要求高，所以价格也比较贵，目前主要在军事上用于高性能、远距离、快速目标的探测。但随着技术进步，工艺水平提高，价格降低，它们在民用中也占有一定市场，并具有广阔发展前景。

基本结构

根据不同需要，光子探测器工作温度范围为4K~300K。为了保证低温工作条件，探测器结构非常重要，必须考虑与制冷器配合、密封性能和组件标准化设计等问题。

1、常温工作的探测器结构

在常温下工作的探测器，结构比较简单，只要提供保护外壳，引出电极和透红外窗口就可以了。如硫化铅、硒化铅探测器，一般采用TO-5型晶体管外壳，前面加透红外窗口，如图1-2所示。

2、带半导体制冷器的结构

当探测器工作温度在195K~300K之间时，采用半导体制冷形式最为方便。制冷器冷端上安装探测器芯片，热端与外壳底座相连，并加散热器散热。一般采用真空密封结构，把半导体制冷器和探测器芯片均封装在真空腔中，以保持其制冷效果。其典型结构如图1-3所示。

3、低温杜瓦结构

低温工作的探测器大多工作在100K以下，以77K工作为主。有些锗、硅掺杂光电导器件工作在4K~60K之间。低温工作的探测器的芯片需要封装在真空杜瓦中。假若工作温度77K，环境温度为常温300K，就必须采取绝热措施。真空杜瓦是绝热的好办法。图1-4是杜瓦结构图。若杜瓦真空度降低，绝热性能变坏，传导散热使消耗的冷量增加，因此就需要更大的制冷功率；更为严重的是，制冷器的冷量通过传导会使杜瓦外壳温度降低，空气中的水分就会冷凝在杜瓦外壁和窗口上，轻则呈霜状，重则有水滴，俗称为杜瓦“结霜”或“出汗”。窗口“结霜”或“出汗”，影响红外线透射，所以高真空杜瓦结构是探测器正常工作的必须条件。除杜瓦必须保持高真空度以外，透红外窗口还要满足探测器工作波段的要求。

常用光子探测器

硫化铅探测器

硫化铅探测器是1um~3um波段应用很广的器件。硫化铅探测器一般为多晶薄膜结构。是光电导型器件，有单元和多元线列器件，镶嵌结构可多达2000元。硫化铅探测器的阻值适中，响应率高，可以在常温工作，使用方便；在低温工作时，性能有所提高（图1-5）。硫化铅探测器的主要缺点是响应时间常数较大，电阻温度系数大。目前，硫化铅探测器在红外探测、制导、引信、跟踪、预警、测温等领域大量使用。由于硫化铅探测器工作在短波红外（1um~3um），所以适合对高温目标（如导弹和喷气式飞机的喷口尾焰）探测。

硒化铅探测器

硒化铅探测器是薄膜光电导型器件，工作在3um~5um波段，有单元和多元器件，可以在常温工作，其性能随工作温度降低有所提高，可以用半导体制冷器制冷。工作温度在200K左右时，是3um~5um波段的首选器件。

锑化铟探测器

工作在3um~5um波段，有光电导型与光伏型两种。光电导型器件可以在常温工作，但性能稍低，不如低温时高。常用锑化铟探测器工作在77K，以光伏型为主，有单元、多元器件，线列可长达256元以上。锑化铟探测器的灵敏度高、响应速度快，是目前3um~5um波段最成熟、应用最广的探测器，广泛用于热成像、制导、跟踪、探测、告警等。用于制导时可以迎头或全方位攻击空中目标。

锗掺杂探测器

锗掺杂探测器是一种杂质光电导探测器，以锗材料为基体，掺入不同杂质会有不同的响应波长。锗掺杂探测器工艺简单、灵敏度高。在碲镉汞探测器成熟之前（约20世纪60年代末），锗掺汞是工作在8um~14um的主要长波探测器。为了减少热激发的影响，长波锗掺杂器件必须在很低温度下工作，一般在30K以下，由于制冷比较困难，因此限制了硅掺杂探测器的应用。

硅掺杂探测器

硅掺杂探测器也是一种杂质光电导探测器，以硅材料为基体，掺入不同杂质会有不同的响应波长，因为硅掺杂探测器必须工作在很低的温度，应用受到限制。但由于硅掺杂探测器可以和Si信号处理器电路单片集成，受到一定重视。

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