第十一章、红外探测器（谢泽钧）

11.1 红外探测器的分类（根据能量转换方式或红外辐射与物质相互作用效应的不同）

11.1.1 热探测器

（1）测辐射热电偶和热电堆：

            把两种不同的金属或半导体细丝连成一个封闭环路，当一个接头的温度与另一个接头的温度不同时，环路内就产生电动势，其大小与冷热两节点处的温差成正比，这种效应称为温差电效应。利用温差电效应制成的感温元件称为热电偶。如果两结点处的温差是由一端吸收辐射而引起的，则通过测量热电偶温差电动势的大小，就能得到结点处所吸收的辐射功率。此时被称为测辐射热电偶。

若干个热电偶串联在一起就成为热电堆，热电堆可以获得比热电偶大得多的温差电动势

（2）测辐射热计

            热敏材料吸收红外辐射后，温度升高，阻值发生变化，其阻值变化的大小与吸收的红外辐射能量近似成正比。利用材料吸收红外辐射后电阻发生变化而制成的红外探测器称为红外辐热计

（3）热释电探测器

            有些晶体当受到红外辐射照射时，温度升高，引起自发极化强度的变化，结果而垂直于自发极化方向的晶体两个外表面之间产生微小电压，电压的大小与吸收的红外辐射功率成正比，利用这一原则制成的红外探测器称为热释电探测器

（4）气动探测器

            气动探测器由一个内部充满气体，外壳上覆盖有柔性薄膜的容器构成。气体或薄膜吸收入射红外辐射后，容器内气体温度升高、压力增大，柔性薄膜发生膨胀而产生微小形变。该形变可用光学方式或电学方式的系统来检测。由于高莱探测器的灵敏度低，且易受振动影响，因而不宜在野外场合使用。

（5）双材料探测器

            双材料探测器的热敏单元通常是由两种材料构成某种形式的悬臂梁。由于双材料的热膨胀系数不同，当温度变化时，由双材料组成的悬臂梁会因膨胀而产生形变，该形变测量可采用电学读出法或光学读出法进行。利用这种双材料效应制作的探测器常被称为双材料悬臂梁探测器。

11.1.2 光子探测器

（1）光电子发射器件：

            当光入射到某些金属、金属氧化物或半导体表面时，如果光子能量足够大，能使其表面发射电子，则这种现象统称为光电子发射效应，也称为外光电效应。利用光电子发射效应制成的器件称为光电子发射器件,如光电倍增管。光电倍增管的灵敏度很高，时间常数较短(约几毫微秒)，所以在激光通信中常使用特制的光电倍增管。

（2）光电导探测器：

            当半导体材料吸收入射光子后，半导体内有些电子和空穴从原来不导电的束缚状态转变为能导电的自由状态，从而使半导体的电导率增加，这种现象称为光电导(PC)效应。利用半导体的光电导效应制成的红外探测器称为光电导探测器。

（3）光伏探测器：

            当半导体PN结附近吸收光子并产生电子、空穴后，在结区外，它们靠扩散进入结区；在结区内，电子受静电场作用漂移到N区，空穴漂移到P区。N区获得附加电子，P区获得附加空穴,结区获得一附加电势差，它与PN结原来存在的势垒方向相反，将降低PN结原有的势垒高度，使得扩散电流增加，直到达到新的平衡为止。如果PN结两端开路，可用高阻毫伏计测量出光生伏特电压，这就是PN结的光伏(PV)效应。利用光伏效应制成的红外探测器称为光伏探测器。

（4）光电磁探测器：

            当光辐射入射到置于横向磁场中的半导体样品上时，辐射被材料所吸收，其强度按其进入材料的深度呈指数关系而降低，所以将产生一个载流子浓度梯度，方向垂直于表面。这样一来,光激发载流子由表面向体内扩散，并在扩散运动中切割磁力线。由于这些带相反电荷的载流子运动方向相同，所以它们在磁场的作用下分别向样品的相互对立的两端偏转，从而在样品的两端产生电位差。这种现象称为光电磁效应。利用光电磁效应制成的探测器称为光电磁探测器。

11.1.3 辐射场探测器

            在讨论红外辐射与一般探测器的作用时，对于人射辐射的描述均采用了平均辐射量，并不考虑辐射场的概念。利用红外辐射场(电磁场)与物质相互作用时所呈现的某些特性，也可以进行红外辐射探测。这种基于场效应的探测器称为辐射场探测器。由于辐射场探测 器常有一个天线，因此也称为天线耦合探测器。

11.1.4 热探测器与光子探测器的比较

            根据前述可知，红外探测器是利用红外辐射对物体的某些物理效应，把不可见的红外辐射转变成可以探知或测量的物理量。热探测器利用的是热效应，热效应的主要特点有热吸收与人射辐射的波长分布无关;热敏单元的温度变化较慢;通常情况下，室温环境下即可观测到热敏单元的温度变化。光子探测器利用的是光子效应，光子效应的主要特是:人射光子能量要大于一定值时才能产生光电效应;光电效应是半导体中电子直接吸收光子而产生的效应;通常情况下，必须将光敏单元冷却到较低温度才能观测到光电效应。

            由于热探测器和光子探测器的工作机理不同，因此这两类探测器有很大的差别，一般地讲，主要体现在以下三个方面。

        (1)热探测器对各种波长的红外辐射均有响应，是无选择性的探测器;光子探测器只对小于或等于特定波长的人射红外辐射才有响应，是有选择性的探测器。

        (2)热探测器的灵敏度较低，响应速度较慢;而光子探测器的灵敏度比热探测器高 1~2个数量级，响应速度比热探测器的快得多。

        (3)热探测器一般在室温下工作,不需要制冷设备;多数光子探测器必须工作在低温条件下才具有优良的性能。

11.2 红外探测器的性能参数

11.2.1 主要工作条件

            红外探测器的性能参数与探测器的具体工作条件有关，因此，在给出探测器的性能参数时，必须注明探测器的工作条件。主要的探测器工作条件有以下几个方面。

（1）辐射源的光谱分布

（2）工作温度

（3）光敏面积和形状

（4）探测器的偏置条件

（5）电路的频率范围

（6）特殊工作条件

11.2.2 主要性能参数

（1）响应度$R$

（2）噪声等效功率$NEP$

（3）比探测率$D^{。}$

（4）响应时间

（5）频率响应