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新闻标题: 红外探测器的发展
发布时间: 2009年1月6日 閲读次数:7757
红外探测器的发展历史
红外技术发展的先导是红外探测器的发展,一个国家红外探测器的技术水平代表着其红外技术发展的水平。最早的红外探测器是1800年英国天文学家威廉·赫歇耳发明的水银温度计,随后发明了热电偶、热电堆,1880年美国的Langley发明了测热辐射计。最初的红外探测器主要是热电探测器,直至1917年Case研制出第一只硫化铊光电导探测器,这种探测器比热电探测器灵敏度高,响应也快。第二次世界大战,人们认识到了红外技术在军事应用中的巨大潜力,开始对红外技术极为重视,寻找新的材料和制作方法。19世纪40年代初,以PbS为代表的光电型红外探测器问世,随后又出现了硒化铅、碲化铅探测器。二次大战后,半导体技术的发展推动了红外探测技术的发展,先后出现了InSb、HgCdTe、掺杂Si、PtSi。InSb的灵敏度较高,但是带隙只有0.22eV,所以只能探测低于5.6μm。PtSi由于它的高均匀性和可生产性,可以做成大的焦平面阵列,但是其截至波长为5.7μm,也只能用于中短波范围,而且量子效率很低。同时InSb和PtSi都没有波长可调性和多色探测能力。掺杂Si有很宽的光谱带宽,但是也不具备波长可调性,而且必须工作在很低的温度。1959年Lawso研制出碲镉汞(HgxCd1-xTe)的长波长红外探测器,这是红外技术史上的一次重要进展。它是目前性能最好,也是最广泛应用的II-VI族红外探测器。它是利用带间吸收,因此具有极高的探测率和量子效率。通过调节Hg的组分x可以实现带隙从0­-0.8eV的连续可调。因此它所能探测的波长范围覆盖了中波红外(3-5μm)和长波红外(8-14μm)两个波段。
   而利用MBE生长的III-V族材料体系制成的量子阱材料正好可以弥补碲镉汞方面的不足,III-V族材料生长、器件制作工艺成熟,适于制作大面阵探测器。同时III-V族材料组分容易控制和调节,通过调节化合物的组分,可以比较容易的改变量子阱的阱宽、垒高等参数,进而可以调节探测波长。可以覆盖三个主要的大气窗口。因此III-V族材料在实现多色探测方面也有很大的优势。因此有望与HgxCd1-xTe材料并驾齐驱,在军事上和民用上都发挥重要的应用。以下图1为红外探测器研究的发展史。

图1 红外探测器发展历史   表1列出了几种常用红外探测器材料及他们的响应波段
范围
探测器材料
近红外(0.7~1.1μm)
硅光电二极管 (Si)
短波红外(1~3 μm)
铟镓砷(InGaAs)、硫化铅探测器(PbS)
中波红外(3~5 μm)
锑化铟(InSb)、碲镉汞探测器(HgCdTe)、量子阱探测器(QWIP)
长波红外、热红外(8~14 μm)
碲镉汞探测器(HgCdTe)、量子阱探测器(QWIP)
远红外(16 μm以上)
量子阱探测器(QWIP)
 
表1.几种常用的红外探测器及它们的响应波段
红外探测器的应用前景
    由于MCT材料制备困难、制备周期长、成本高、均匀性差等缺点,使得在制备红外焦平面阵列时失去了优势,这时III-V族量子阱红外探测器开始崭露头角。特别是GaAs/AlGaAs等材料系,由于用该类材料的光电子和高速微电子器件已大批量投放市场,直到6英寸的大面积GaAs衬底已可商用,其材料生长及器件制作工艺十分成熟,材料的均匀性好(美国的Gunapala MBE方法生长的外延片所制成的256*256的手持照相机在65536个像素中只有10个盲点)。器件成品率高,可大大降低红外探测器的成本。
(a)军事和国防领域
    红外探测器的发展得益于战争尤其是二次大战的刺激。随后的冷战时期,到现今的局部战争,人们不断加深对红外探测器重要性的认识。至今,军事应用仍占整个红外敏感器市场的75%。军用红外系统通常工作在3~5μm和8~10μm两个大气窗口,它能透过烟、尘、雾、树丛等,可以实现昼夜探测。夜幕历来是战争的屏障,由于红外技术的发展,掌握红外探测优势的一方具有单向透明的优
 
图2 中波1024×1024 QWIP照相机的红外成像

 图3 长波1024×1024 QWIP照相机的红外成像
点,常规的树丛和夜色越来越不起作用。图2为长波1024×1024 QWIP照相机的红外成像,图3为四英寸GaAs片上的9个1024×1024像素的焦平面阵列。图4为用长波长量子阱红外探测器(QWIP)RADLANCE摄像机拍摄到的Delta-Ⅱ运载火箭发射过程的红外图。

图4 长波长QWIP RADLANCE摄像机拍摄到的Delta-Ⅱ运载火箭发射过程的红外图
(b)消防方面的应用
    量子阱红外探测器可以覆盖更长的波长,用它做成的量子阱红外摄像机,可以透过烟雾看清火灾滞留的高温区­——图5(b)中白的亮区(以前的红外摄像仪是难以看清的),这些滞留的高温区是消防队员们所关心的,也是很难发现的,因为这些看似已经熄灭的地方可能会突然再度燃烧起来。
 
(a)高灵敏度CCD拍的可见光图像 

 (b)256×256 QWIP 手提照相机拍的图像
 
图5 
(c)工厂机器的检测
    量子阱红外探测器还可以用来检测机器的状况。这种探测器可以检测出机器中的不正常的压力,指导人们对机器的维修和保养,如图6所示。
 
 (a)正常的操作条件

 (b)受压力不正常条件下的图象 
      图6   
(d)医疗上的应用
    人身体上有病变的组织和正常组织的温度会有所不同,利用QWIP可以区分出他们之间的微小差别,因而可以很方便的探测到人体组织的病变部位,如图7所示。
 
(a)显示出鼻尖由于皮肤癌新陈代谢快而导致温度比周围健康组织高 

 (b)正常鼻子的图象,通常鼻子耳朵是脸上凸出部位而比其它地方要稍冷些
图7
    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。
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关键词:红外 探测 发展 
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