红外探测器的工作原理与应用研究毕业论文.doc

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1、红外探测器的工作原理与应用研究一、 设计（论文）内容：红外探测器是将入射的红外辐射信号转变成电信号输出的器件。现代红外探测器所利用的主要是红外热效应和光电效应。这些效应的输出大都是电量，或者可用适当的方法转变成电量。红外辐射是波长介于可见光与微波之间的电磁波，人眼察觉不到。二、 设计（论文）的主要技术指标： 1.介绍什么是红外探测器，以及红外探测器的特点。2.分析红外探测器的工作原理。3.论述红外探测器的应用。4.分析说明红外探测器的发展前景。三、具体要求：1. 查阅资料，做好读书笔记，复习所学的有关光电的知识。2. 规划课题，初步确定课题要说明的内容。3. 完成开题报告及任务书。4. 根据确

2、定的课题，结合资料，拟定提纲。5. 完成论文初稿，提交指导老师。6. 根据指导老师的反馈意见，修改论文初稿。7. 完成终稿。四、主要参考文献的范围：1.张秉华 张守辉 ：光电成像跟踪系统，电子科技大学出版社，（2003.4）2.徐文娟：光电技术，浙江大学出版社，（2005.3） 3.白延柱：光电成像原理与技术，北京理工大学出版社，（2006.1）4.张敬贤等：微光与红外成像技术，北京理工大学出版社，（1995.9）5.李庆辉等：光电子技术，电子工业出版社，（2002.5）6.邹异松等：光电成像原理，北京理工大学出版社，（1996.10）五、其他需要说明的事项：无毕业设计（论文）开题报告表 编号

3、：系: 专业: 班级 学生姓名学 号指导教师课题名称红外探测器的工作原理与应用研究一、课题概况（本课题的意义及目前的发展状况等） 概述：红外探测器是将入射的红外辐射信号转变成电信号输出的器件。现代红外探测器所利用的主要是红外热效应和光电效应。这些效应的输出大都是电量，或者可用适当的方法转变成电量。红外辐射是波长介于可见光与微波之间的电磁波，人眼察觉不到应用：红外探测器应用广泛，主要应用于安防体系。在军事和国防领域、消防方面、工厂机器检测、医疗上都得到广泛应用。除了上面所说的几方面外，量子阱红外探测器还在气候监测、资源勘探、天文观测等很多方面有着重要的应用。发展：一个国家红外探测器的技术水平代表

4、着其红外技术发展的水平。现代的红外技术可以说是从二次世界大战开始的。利用当时新出现的硫化铅光电型红外探测器制成多种军用装备,因而受到重视。半个多世纪以来,红外技术有了很大的发展,在军事技术、空间探索、科学研究、工农业生六医疗卫生及日常生活中有着广泛的应用。但是最重要的应用仍然是在军事技术方面。红外探测器是红外技术的核心部件,也是红外技术发展的先导,因而它的研究受到特别的重视,它的发展也一直受到军事技术需要的引导和驱使。在现阶段,红外探测器的发展工作主要集中在“红外焦平面列阵”(FPA)的研制上,以适应各种红外成象的需要。二、课题内容（本课题的研究内容、方法、手段及预期成果等） 本课题的研究内容

5、：初步了解红外探测器的工作原理以及应用。方法及手段：通过查询专业知识的书籍和上网，进行收集与红外探测器有关并可以加以利用的资料。预期成果：对红外探测器的原理，应用以及发展能有深入了解，使我们对红外探测器的知识得到加深。三、课题工作进度安排（任务完成的阶段安排及时间安排，完成任务所具备的条件因素等）阶段安排：第一阶段：上网查阅，下载相关资料，做好读书笔记，复习所学光电知识以及课题相关的知识。第二阶段：书籍资料的补充，收集，规划课题，初步确定课题所要写的内容。第三阶段：通过整理好的资料，列出方案，完成初步论文设计。第四阶段：思考，检验，对论文设计进行合理裁剪增添。第五阶段：优化设计，并完成终稿。所

6、具备的条件及因素：掌握必备的相关专业知识，从而开拓自己的思路。四、参考文献资料（要求至少查阅6篇以上正式刊物的文献资料）文献资料：1.张秉华 张守辉 ：光电成像跟踪系统，电子科技大学出版社，（2003.4）2.徐文娟：光电技术，浙江大学出版社，（2005.3） 3.白延柱：光电成像原理与技术，北京理工大学出版社，（2006.1）4.邹异松等：光电成像原理，北京理工大学出版社，（1996.10）5.李庆辉等：光电子技术，电子工业出版社，（2002.5）6.张敬贤等：微光与红外成像技术，北京理工大学出版社，（1995.9）7.袁继俊：激光与红外，北京出版社，（2006.12）8.解金山：光通信研究

7、，武汉出版社，（1976.1）五、指导教师意见 红外探测技术涵盖了信号探测技术、信号处理技术、信息传输技术等方面，其所涉及到的知识几乎包括了电学专业的各门课程，通过对该课题的研究，加深对知识的理解，提高应用能力，尤其是对红外探测技术有更深的认识。该选题符合高职毕业生毕业论文选题要求。指导教师签名：许万里 日期：2010 年02月 25日红外探测器的工作原理与应用研究【摘要】：红外探测器是将入射的红外辐射信号转变成电信号输出的器件。现代红外探测器所利用的主要是红外热效应和光电效应。这些效应的输出大都是电量，或者可用适当的方法转变成电量。红外辐射是波长介于可见光与微波之间的电磁波，人眼察觉不到。【

8、关键词】：红外探测器 工作原理 基本特性 应用目录1引言-82概述-83红外探测器的分类-8 3.1热探测器-8 3.2光电子探测器-94常用的光电探测器-10 4.1光电子发射探测器-104.2光电导探测器-104.3光伏探测器-114.4光磁电探测器-115红外探测器的工作条件和性能参数-115.1红外探测器的工作条件-115.2红外探测器的性能参数-136光电导探测器-187光电导探测器的基本概念和基本方程-187.1光电导探测器的分类-187.2入射光强的衰减规律-188本征电导探测器的性能分析-198.1本征光电导探测器的响应度-198.2本征光电导探测器的探测率-208.3本征光电

9、导的响应时间-208.4调制信号的影响-209杂质（非本征）光电导探测器性能的分析-209.1杂质光电导探测器的响应度-219.2杂质光电导器件的探测率-2110光电导探测器材料与工作模式-2110.1对光电导材料的要求-2110.2光电导探测器的工作模式-2111红外探测器的应用及发展-2112总结与体会-2213致谢-2214参考文献-2215读书笔记-231.引言红外探测器是将入射的红外辐射信号转变成电信号输出的器件。现代红外探测器所利用的主要是红外热效应和光电效应。这些效应的输出大都是电量，或者可用适当的方法转变成电量。红外辐射是波长介于可见光与微波之间的电磁波，人眼察觉不到。2.概述

10、红外探测器是红外系统、热成像系统的核心组成部分。红外探测器的研究，始终是红外物理和红外技术发展的核心。自从1880年人类发现红外辐射的存在以来，一直在位利用这个宽阔的电磁波谱段探知自然，扩展人类视野而进行着不懈的努力。特别是第二次世界大战以后，出于军事上的需要和要求，人们对红外探测器在结构上和性能上的研究发展到了相当高的水平。目前，利用固体受辐射照射而发生电学性质改变的光电效应支撑的光子探测器的敏感范围已延伸到30微米波段以上，近、中、远红外的单元探测器的性能不能少也已达到或接近背景限的理论水平。第二代光电子器件，单元数在数千元以下的线阵和面阵探测器的性能达到或结晶背景极限，器件的均匀性和成品

11、率也达到了相当高的水平。特别是采用CCD成功地解决了焦平面光子探测器列阵输出信号、积分、延迟和多路输出等问题，而使焦平面列阵实用化，信噪比和信息率大幅度提高，从结构上引起了红外成像系统的根本变化。3.红外探测器的分类红外探测器的种类很多，分类方法也很多。如根据波长，可分为近红外、中红外和远红外探测器，其分别对应0.763.0um、3.06.0um和6.015.0um这样三个谱段；根据工作温度，又可以分为低温、中温和室温探测器；根据用途和结构，还可以分为单元、多元和凝视列阵探测器等。而红外探测器在光电成像系统中，主要是用来完成红外入射辐射向电信号的转换，所以它可以是成像型的，也可以是非成像型的。

12、因此，从理论上一般多按工作转换机理来分类，就其工作机理而言，一般可分为热探测器和光电子探测器（或称光电探测器）两大类。3.1热探测器热探测器是吸收红外辐射后，产生温升，伴随着温升而发生某些物理性质的变化。如产生温差电动势，电阻率变化，自发极化强度变化，气体体积和压强变化等。测量这些变化就可以测量出它们吸收红外辐射的能量和功率。上述四种是最常见的物理变化，利用其中一种物理变化，就可以制成一种类型的红外探测器。如利用温差电效应制成的热电偶；利用电阻率变化的热敏电阻或电阻测辐射热计；利用气体压强变化的气体探测器（高莱盒）等。这里主要介绍可用于热成像的热释电探测器。 热探测器热探测器的性能较好，其中以

13、LiTaO3探测器性能最好。因为它不潮解，结构稳定，居里温度高（618），所以，其探测率较高，有可能代替目前盛行的TGS探测器而得到广泛应用。此外，锆钛酸铅（PZT）也是一种新型的热释电材料，这种材料具有优良的物理化学性能和机械性能，耐潮解，耐高温，抗氧化，而且居里温度高，能承受大功率辐射。因此该材料除用于各种热辐射测量如温测、红外报警，红外光谱分析等外，还可用于大功率激光器能量和功率的测量。热释电探测器与CCD器件混合提供了不需致冷的工作前景。由于热释电的差动特性，不能用于凝视列阵，但能用于扫描列阵。在组件扫描列阵上，不大可能达到0.1K灵敏度所需要的探测率。最好的250um2单元的TGS，

14、在10Hz调制频率下能达到的探测率最大值为5109cmHzl/2 W-1影响探测率的两个因素是：热释电探测器的响应度。这意味着在直接耦合的情况下，将以CCD的噪声为主。因此，在探测器与CCD之间需要放大；热释电探测器在硅片界面上要产生散热损失。如若硅片上的TGS层厚度为20um，则在20Hz的调制频率下，信号大约下降到130。 热释电CCD混合的红外电荷耦合器件的结构是在MOS场效应晶体管的沟道和金属栅之间制作热释电薄膜，即与栅极串联组成红外电荷耦合器件，由热释电探测器产生的电压来调节MOS结构的势阱深度。这样，信号电荷由于势阱深度变化而进行传递。当电压是一个常数且足够大时，势阱深度可达几个k

15、T，而电荷使势阱基本上充满，漏极是在N势垒的上面并进入CCD沟道，调节电压，使景物的调制不再被暗电流削弱为止。典型的采用厚度为60010-10m氧化层上面积为10-5cm2的TGS制成的红外电荷耦合器件，以20帧秒工作在812um窗口时，最小可分辨温差TMRTD为0.3K。这里应指出，为使实际器件达到预期的性能，需要更高的热绝缘，以避免衬底的热负载以及各像元之间的串音干扰。3.2光子探测器（光电探测器）某些固体受到红外辐射的照射后，其中的电子直接吸收红外辐射而发生运动状态的改变，从而导致该固体的某种电学参量的改变。这种电学性质的改变统称为固体的光电效应。而光电效应又分为内光电效应和外光电效应两

16、种形式。由光电效应的大小，可以测量被吸收的光子数。利用光电效应制成的红外探测器也称为光子探测器或光电探测器。这类探测器是依赖内部电子直接吸收红外辐射，不需要经过加热物体的中间过程，因此反应快。此外，这类探测器的结构都比较牢靠，能在比较恶劣的条件下工作。因而光电探测器是当今发展最快、应用最为普遍的红外探测器。 光电探测器4.常用的光电探测器4.1光电子发射探测器当光照射到某些金属、氧化物或半导体表面上时，如果光子能量足够大，就能够使其表面发射电子，这种现象叫做光电子发射或外光电效应。利用光电子发射制成的可见光探测器和红外辐射探测器，统称为光电子发射探测器。如本书前边所介绍的变像管、象增强器以及摄

17、像管中的一部分均属此类器件。此外光电管、光电倍增管也属此类器件。这类器件的时间常数很短，只有几个毫微秒。所以在激光通讯中，常采用特制的光电倍增管。如前边介绍过的那样，大部分光电子发射探测器，只对可见光起作用。能够用于近红外和微光的光阴极只有银氧铯光阴极S-1和多碱光阴极系列，以及负电子亲和势光阴极。所以发展新的红外光阴极也是红外技术中很迫切的任务之一。4.2光电导探测器当红外辐射入射到半导体器件时，会使体内一些电子和空穴从原来不导电的束缚状态转变到能导电的自由状态，从而使半导体的电导增加，这种现象称为光电导效应。利用光电导效应制造的红外探测器叫做光电导探测器（简称PC器件）。这类器件结构简单，

18、种类最多，应用最广。光电导探测器的材料可分为多晶薄膜型和单晶型两类。薄膜型的PC探测器品种较少，常用的有PbS光电导探测器和PbSe光电导探测器。PbS适用于13um波段的大气窗口，PbSe适用于35um波段的大气窗口。单晶型的PC探测器又分为本征型和掺杂型两类。本征型最早只限于7um以下的大气窗口，主要是锑化铟（InSb）探测器。它是35um大气窗口的最优良的探测器。近年来又研制成功了三元半导体材料Pb1-xSnxTe和Hg1-xCdxTe。这些材料的探测器，尤其是Hg1-xCdxTe探测器，已使814um大气窗口的探测器的工作温度提高到液氮温度，35um的探测器即便在室温也有了相当好的性能

19、，而13um的探测器性能也超过以前用于该波段的探测器。掺杂型的Ge：Hg探测器也适用于814ptm的大气窗口。此外，60K的Ge：Au探测器一度也被广泛采用，但长波限在7um左右，在大气窗口之外。4.3光伏探测器在半导体PN结及其附近区域吸收能量足够大的光子后，在结区及结的附近释放出少数载流子（自由电子或空穴），它们在结区附近靠扩散进入结区，而在结区内则受内建场的作用，电子漂移到N区，空穴漂移到P区。如果P N结开路，则两端就会产生电压。这种现象称为光生伏特效应。利用该效应制成的红外探测器称之为光伏探测器（简称PV器件）。常用的有室温InAs（138)um探测器，77K下的InAs的l35um

20、探测器，77K下InSb的228um探测器，以及Hgl-xCdxTe、Pb1-xSnxTe探测器等。光伏探测器响应速度一般较光电导探测器快，有利于作高速检测。它既可用于直接探测，电可用于外差接收。光伏型器件结构有利于排成两维面阵，因而人们对它的兴趣在于把它和CCD器件耦合组成焦平面列阵红外探测器。因此光伏探测器有着非常广阔的发展前景。4.4光磁电探测器当红外光照射到半导体表面时，如果有外磁场存在，则在半导体表面附近产生的电子空穴对在向半导体内部扩散的过程中，电子和空穴将各偏向一侧，因而在半导体两端产生电位差。这种现象称为光磁电效应。利用这个效应制成的红外探测器称为光磁电探测器（简称PEM器件）

21、。早期曾出现过光磁电型InSb探测器商品，但随着半导体材料品质的提高，加之光磁电探测器需多带一块磁铁很不方便，这种器件已很少被人们使用。目前光磁电效应有时被用来与光电导结合测量载流子寿命，以避免麻烦的辐射量校测工作，也可以测到较低的载流子寿命。除以上介绍的几类器件外，还有利用光子牵引效应的探测器件和红外上转换器件。5.红外探测器的工作条件和性能参数研究红外探测器工作性能的好坏，设计红外系统和选择比较探测器的性能，都必须有一个评价标准。对红外探测器而言，这个评价的标准就是红外探测器的性能参数或称为性能优值。一个探测器的性能参数，往往与探测器的测量方法和使用条件，几何尺寸及物理性质密切相关。所以，

22、在给出性能参数的同时，必须说明其工作条件。这里介绍红外探测器的基本工作条件和性能参数及其定义。5.1红外探测器的工作条件1入射辐射的光谱分布不同的探测器对景物辐射波长的响应是不同的。因此，在对探测器性能描述时，必须说明入射到探测器响应平面上的光谱分布及空间辐射功率。由于黑体辐射源能够提供一个已知的光谱分布和均匀的空间辐射功率，所以实验室多采用500K黑体辐射源作为信号源。如果入射辐射是黑体辐射则要给出黑体辐射温度；如果入射信号源为单色辐射，则应指明辐射波长和入射方向。当入射辐射通过大气和光学系统时，还应考虑大气和光学系统对信号的衰减。同时还须指出环境对辐射的影响。2探测器的几何参数探测器的几何

23、参数主要指探测器的面积，形状及接收入射辐射信号的立体角。(1)探测器面积由于实际探测器响应平面上各点的响应不相等，所以探测器面积常用如下两种形式给出：标称面积A n：标称面积是指探测器制造者提供的响应面积，它只表示探测器真实响应面积的近似值。有效面积A e：有效面积用下式定义（1-1）式中，x，y为响应平面s上某点的位置坐标；(x，y)上述点处的响应度；为响应平面上响应度的最大值。(2)探测器接收辐射信号的立体角通常在辐射信号入射方向上以入射角的余弦作为权重的立体角为权重立体角，它也有如下两种形式：标称权重立体角 n：标称权重体重是指探测器制造者提供的立体角，它表示探测器真实权重立体角的近似值

24、。有效权重立体角 e：有效权重立体角由下式定义 （1-2）式中，为轴线垂直于响应平面的球坐标系的极角和方位角；为探测器响应平面S上某点(x，y)对方向入射的辐射响应度；(0，0)为(x，y，0，0)的极大值。该式定义虽然很精确，却很难计算。但是对于响应度与方位角无关的圆形对称探测器而言，若从响应元中心到探测器光阑的视场角为w，则权重立体角可简化为 （1-3）对于朗伯探测器，其权重立体角简化为 （1-4） 3探测器的输出信号探测器的输出信号由信号电压Vs噪声电压Vn两部分组成。输出电压信号与入射到探测器响应平面上的辐射功率有关。输出信号电压的振幅是施加在探测器的偏置电源b，辐射调制频率，波长及功

25、率Ps的函数，即（1-5）常用的器件，Vs与Ps是线性关系。因此对给定的b、和值，VsPs为一常数。此外，有些探测器的Vs与及的关系，可以分离为各自独立的因子来考虑。具有这种性质的器件称为可分性探测器。此时上式可改为（1-6） 4探测器的工作温度与背景 探测器的阻值以及半导体探测器的输出信号和噪声，均受探测器的工作温度及背景辐射的影响。在给出探测器性能参数时，必须指出工作温度及背景环境。通常，探测器工作温度不致冷时指环境温度，致冷时则指致冷的标称温度，如常用的温度：室温300K；干冰194.6K；液氮77.3K；液氖27.2K；液氢20.4K；液氦4.2K等。背景辐射则由探测器的视场和被背景照

26、射的光谱范围来描述。 5探测器的阻抗 探测器阻抗的定义为 （1-7）即探测器两端的瞬时电压V（t）对通过探测器的瞬时电流i（t）的导数。多用复数形式表示，即：，其中Rz为零频时的直流阻抗R0 ；称为容抗，C为探测器电容。多数探测器的阻抗与一个纯电阻等效。阻值在100以下的称为低阻器件，需与放大器做变压器耦合；1001M的为中阻器件，与放大器最容易匹配；1M以上的为高阻器件，需高阻抗放大器输入才能匹配。 6特殊工作条件除上述所说的工作条件外，对一些特殊的器件还有一些除上述外的工作条件要求。如薄膜器件非密封工作时要注意湿度；非线性响应器件必须注明入射辐射功率；以光子噪声为主要噪声的器件，必须注明视

27、场立体角以及背景温度等。5.2红外探测器的性能参数红外探测器的性能，可以用许多参数来描述，但最基本的是三方面的参数；探测器对红外辐射的探测能力、波长响应范围和响应速度。其中探测能力又包含两个方面：即单位辐射功率入射到探测器上所产生信号大小和探测器识别微弱信号的能力. 1响应度 响应度是描述入射到探测器上的单位辐射功率所产生信号大小能力的性能参数。其定义为：红外辐射垂直入射到探测器光敏元上时，探测器的输出信号电压的均方根值Vs与入射辐射功率的均方根值Ps之比，即 （1-8）的单位为VW，也用VW。有时也可以采用电流响应度 （1-9）式中，Is为等效短路输出的基频电流的均方根值。的单位为AW。 单

28、个探测器的响应度与入射辐射的波长和调制频率有关。用调制的黑体(500K)为辐射源所测得的响应度称为黑体响应度，用来表示；以单色光为辐射源测得的响应度称为单色响应度，用表示。在给定偏置电压b，调制频率和入射辐射功率均方根值Ps时，变换波可得到曲线，称之为红外探测器的光谱响应。在响应峰值波长p处测得的响应度称为峰值响应度，用表示。在长波一端单色响应度下降为峰值一半时的波长称为截止波长(或称长波限)，记为c。 2噪声等效功率NEp 红外探测器的探测能力，除取决于响应度外，还取决于探测器本身的噪声水平。响应度越高，噪声越低的探测器能够探测到辐射功率更弱的信号。因此，任何探测器均有一个由其本身噪声水平确

29、定的可探测辐射功率阈值。探测器的噪声是指其电输出中与入射信号统计无关的那部分输出，噪声的频谱是连续的，引起噪声的因素很多，一般电噪声的均方根电压和电流的定义分别为（2-1） （2-2）式中，Vn（t）和in（t）分别为电压噪声和电流噪声的瞬时值。设g（v）为电子测量仪器的增益，它是频率v的函数。则测量仪器的噪声带宽为 （2-3）式中，gmax为增益的最大值。v通常大于电子仪器的通频带。因为3dB通频带以外的低频和高频区中，g只要不为零，就会贡献噪声。只有在通频带为理想矩形时两者才会相等。有了噪声带宽，就可写出噪声平方根功率谱(噪声电压谱密度和噪声电流谱密度)为 （2-4） （2-5）VN的单位

30、为的单位为V/Hz1/2 ；IN的单位为A/Hz1/2。通常给出的测器噪声都是指VN，IN。因为由（2-1）和（22）式所定义的噪声因电子测量仪器而异。 当红外辐射信号入射到探测器响应平面上时，若该辐射功率所产生的电输出信号的均方根值正好等于探测器本身在单位带宽内的噪声均方根值，则这一辐射功率均方根值就称为探测器的噪声等效功率单位为。即 （2-6）或者 （2-7）上述关系表明，NEP就是使探测器产生输出信噪比为1时的入射红外辐射功率。测量时，常用的辐射源为500K黑体，带宽为lHz，4Hz或5Hz，中心频率为90Hz，400Hz，800Hz或900Hz。探测器面积通常折合成lcm2。此外还要标

31、明辐射强度和立体角。如果辐射光源为单色光源，则所得结果为NEP（，） 与NEP类似的性能参数是 噪声等效辐照度(NEI)，其表示系统输出信噪比为l时的输入辐照度。记为 （2-8）式中Es为输入辐照度的均方根值。 3探测率D和归一化探测率D*上述的NEP是用来表征探测器优劣的一种优值因子，其值愈小则器件愈优。但人们习惯上的认为总是愈大愈优。为了适应人们的习惯，引用NEP的倒数来衡量探测器的探测能力，称之为探测率。即 （2-9）由上式可知，NEP越小则D越大，故D越大则表明探测器的探测能力越优。但是，大多数红外探测器的NEP与光敏面积的平方根成正比，还与放大器的带宽有关。因此，用NEP的数值很难比

32、较两个不同探测器性能的优劣。为此，在D的基础上引入了归一化探测率D*(通常称探测率D*)来描述探测器的性能。即（3-1）式中，Ad探测器光敏面积。实际上归一化探测率D*是探测器单位面积、单位放大器带宽，单位辐射功率所获得的信噪比。 通常单个探测器的探测率D*与调制频率、辐射源及工作条件有关，单位为cmHz1/2/W。以黑体为辐射源测得的D*称为黑体探测率，用D*bb或D*(T，1)表示。T为黑体热力学温度，通常取500K，l表示单位带宽。以单色辐射为辐射源测得的D*称为单色探测率，用或D*(，1)表示。为单色辐射的波长。在响应峰值波长p条件下测得的探测率D*称为峰值波长探测率，记为。此外，为了

33、消除一些探测器与视场角的依赖关系，还使用另一种探测率的形式D*，称为D双星探测率。其定义为（3-2）由此可见，D*就是折算到球面度权重立体角时的D*值。单位cmHz12SrW。若探测器是圆形对称的，则由（1-3）式得到 （3-3）4响应时间(或时间常数)响应时间是指探测器将入射辐射转变为电输出的弛豫时间，是表示探测器工作速度的一个定量参数。这是由于红外探测器具有惰性，因而对红外辐射的响应不是瞬时的，而是因探测器材料而有快有慢。如果设在某一时刻以恒定的辐射源照射探测器，其输出信号Vs，按指数随时问上升到一恒定值VO，则其规律可表示为（3-4）式中，为响应时间。单位用s、ms、或us表示。当（3-

34、4）式中t=时有（3-5）这就是说，响应时间的物理意义实际上就是探测器接收红外辐射照射后，输出信号达到稳定值的63时所需要的时间。显然越短，探测器响应就越快。此外，还有一种利用频率响应来描述响应时间的方法。大多数探测器的响应度随凋制频率的变化关系可由下式描述 （3-6） 式中是频率为零时的响应度。该式也称为探测器的频率响应。由此关系规定响应时间为响应度下降到最大值的0.707时的角频率(2)的倒数值。见图1-1所示。 上述两种时间常数分别用于测量和计算不同响应速度的探测器件。对于响应较快的器件通常采用第一种响应时间定义及测量形式，如光子探测器(在us甚至ns范围内)。对于响。应较慢的器件则采用

35、后一种定义及测量计算形式。近年来，已可获得调制频率高达几百MHz的交变激光源，原则上可采用后种方式测量计算ns级的响应时间。但习惯上更多的还是采用前者。有些红外探测器具有两个响应时间，如图1-2所示。这是因为对于一段辐射波长具有一个响应时间，而对另一段辐射波长则具有另一个响应时间。实际上，在工作频率范围内，响应度、探测率D*均与频率相关，除特殊需要应尽量避免使用具有两个响应时间的探测器。（3-7） （3-8）除以上介绍的响应度，噪声等效功率，探测率和响应时间等参数外，在使用探测器时还应满足以下几个条件： 探测器响应度与辐射强度之间存在线性关系。 探测器接收面积上的响应度是均匀的。 探测器与光学

36、系统匹配时，探测器的接收面积应与光学系统所成像的大小相同。探测器与前置放大器连用时，探测器内阻应与放大器的阻抗相匹配。6. 光电导探测器光电导探测器是利用材料的光电导效应制成的光电探测器件。在热平衡条件下，半导体具有确定的电导率O，其由平衡载流子浓度及其迁移率决定。如果半导体受到外界作用，有非平衡载流子注入，就会有附加电导率产生。当是由光照注入的非平衡载流予所产生时，就称之为光电导率。能产生光电导效应的材料称为光电导体。光电导器件是光子器件的重要分支。它同光伏器件、光磁电器件等一起构成内光电效应器件的主体。同时它又是光子探测器中最简单的一类，因而它的应用又最为广泛。7.光电导探测器的基本概念和

37、基本方程7.1光电导探测器的分类光电导探测器按其基本激发过程可分为本征光电导探测器、杂质光电导探测器和自由载流子光电导探测器。其分别对应图3-9中的(a)、(b)和(c)三个吸收过程。(a)是本征光电导探测器的光激发过程，入射红外辐射的光子能量大于半导体的禁带宽度，使电子从价带激发到导带而改变其电导率。这种器件吸收系数很高，特别是对直接能隙半导体更是如此。其主要优点是工作温度比非本征型高。(b)过程是入射辐射激发杂质能级上的电子或空穴而改变其电导率。这种器件也称为非本征光电导器件，其优点是长波响应较好。(c)过程的特点是它吸收光子后并不引起载流子数量的变化，而是引起载流子迁移率的变化。入射到高

38、迁移率半导体上的辐射引起带内跃迁，增加传导电子的平均能。由于载流子迁移率是电子温度的函数，所以能观察到电导率的变化。这类器件通常需工作在极低的温度以降低能量向品格转移。这里，重点介绍本征光电导探测器和杂质光电导探测器的工作原理、性能及特征等。7.2入射光强的衰减规律光照射产生的非平衡载流子称为光生载流子。而光电导的强弱又取决于光生载流子的多少。入射到探测器表面的红外辐射，一部分被吸收并透射到内部，另一部分被反射回去。若入射到探测器表面的辐照度为Eo，表面反射比为，则进入探测器的透射辐照度为Eo(1一)，如图4-1所示。 由于材料的吸收作用。辐射进入探测器后，辐照度要逐渐减弱。（3-9）半导体的

39、光激发过程(n)本征吸收；(6)非本征吸收； (c)自由载流子吸收（4-1）入射光强随厚度变化8.本征光电导探测器的性能分析8.1本征光电导探测器的响应度当用恒定的入射红外辐射照射探测器时，开始光生载流子逐渐增加，探测器的电导率也随之增加。经过一段时间后，光生载流子的数目趋于稳定,电导率也相应稳定在某一值上。这一稳定情况为稳态（或定态）。（4-2） 光电导探测器的几何模型 (1)不考虑载流子浓度梯度及表面复合不考虑载流子的浓度梯度意味着认为探测器内各处载流子浓度是均匀的，即体激发也是均匀的。(2)考虑载流子浓度梯度及表面复合本征光电导一般吸收很强，故认为是表面吸收，因而必须考虑光生载流子的扩散

40、。 8.2本征光电导探测器的探测率 对于本征光电导探测器，除1/噪声外，其最基本的噪声是热噪声和产生一复合噪声。关于1/，噪声目前还没有严密的理沦，实验发现它与器件电极及表面陷阱有关，可通过改善器件设计和制造工艺来降低它。所以，我们只考虑探测器的基本噪声热噪声和产生一复合噪声。热噪声与器件电阻值及温度有关，与频率无关，产生复合噪声是由于载流子的产生与复合都是随机的，载流子的数目围绕着平均值涨落，这种涨落导致器件的电导率起伏。当器件加偏压时，便引起电流及电压的起伏而产生噪声。这种噪声的特点是其频谱在较低频部分有一恒定值。当频率高于与载流子寿命的倒数有关的特征频率时则迅速下降。再提高频率则转变为以热噪声起主要作用。8.3本征光电导的响应时间光电导探测器的响应时间表现在，接收红外辐射后，光生载流子浓度逐渐增大，经过一段时间才趋向稳定值；而在稳定的状态下，突然撤去红外辐射。光生载流子也要经过一段时间才能趋于零。这两种现象均称为滞后现象(或惰性)。在弱光辐射下，可分两种情况分析光生载流子随时间的变化。 （4-3） 光电导探测器的驰豫现象（或滞后现象）8.4调制信号的影响在实际应用中，为适应高速运动目标的变化，有时对入射光要进行调制。对本调制波形是正弦或余弦形式。9. 杂质(非本征)光电导探测器性能的分析入射红外辐射的光子能量比器件材料禁带宽度小