第七章　红外摄像器件

第七章　红外摄像器件

长波红外6 - 15 µm 长波常温时灵敏度更好. 给定温度目标的信号水平更好. 更少的大气吸收. 对于玻璃和塑料不透明, 测量它们的表面温度很方便. 阳光下反射更少. 更高的信噪比. 穿透烟、雾、尘和扰流. 对于可将光背景干扰不敏感. Monday, September 15, 2014 2

什么是热像技术? 热传递热辐射分析技术热像仪操作 IRT 应用检测计划和报告热像技术可以拓展到很多领域 … Monday, September 15, 2014 3

红外图例 暗色意味着更冷，亮色意味着更热. 这幅热图高速我们什么信息? Monday, September 15, 2014 4

FLIR – ITC 给出的定义 红外热像技术是一门利用非接触式热像设备获取和分析热信息的科学。什么是热像技术? Note : There exist standardized definitions in some countries, and ISO is also working on it. Monday, September 15, 2014 5

热像热量图像什么是热像技术? 温度分析 Monday, September 15, 2014 6

因此, 当没有温度差异时红外图像没有任何对比，也不可能进行分析! 什么是热像技术? 热量是不同温度的系统间的热量交换. Monday, September 15, 2014 7

大气吸收 我们认为大气应该是透明的我们能看见可见光大气对于可见光是透明的但是大气对于所有波段并不是透明的. Monday, September 15, 2014 8

大气窗口 红外通过大气的透射率取决于波长和大气条件. 红外图像的大气窗口为: 3 -5 微米 – 中波/MWIR (SWIR) 8 - 13 微米 – 长波/ LWIR Monday, September 15, 2014 9

7.1 红外的基本知识 红外光是电磁光谱中介于可见光的红光和微波之间的波段. 所有超过绝对零度的物体都在红外波段辐射能量. 红外遵从可见光的基本规律. 人眼是看不见红外光的. 可见光和红外光最大的不同是它们的波长不一样. 伽马射线可见 X射线紫外红外无线电微米可见光 0.4 近红外中红外远红外超远红外 0.75 3 7.5-15 15 - 1000 Monday, September 15, 2014 10

一、红外的发现和本质 1. 1800年英国天文学家赫谢耳(Herschel)在研究太阳七色光的热效应时发现了一种奇异的现象:在红光外侧，确实存在一种人眼看不见的“热线”，后来称为“红外线”，也称“红外辐射”。 2.红外线存在于自然界的任何一个角落。事实上，一切温度高于绝对零度的有生命和无生命的物体时时刻刻都在不停地辐射红外线。 3.研究表明，红外线是从物质内部发射出来的，物质的运动是产生红外线的根源。由此可见，红外辐射的物理本质是热辐射。这种辐射的量主要由这个物体的温度和材料本身的性质决定。特别是，热辐射的强度及光谱成分取决于辐射体的温度，也就是说，温度这个物理量对热辐射现象起着决定性的作用。 • 红外线的发现和本质 • 电磁波谱 • 红外辐射特性

二、红外辐射特性 红外线是一种电磁辐射，具有与可见光相似的特性，服从反射和折射定律，也有干涉、衍射和偏振等现象；同时，它又具有粒子性，即它可以光量子的形式发射和吸收。此外，红外线还有一些与可见光不一样的独有特性: (1) 红外线对人的眼睛不敏感，所以必须用对红外线敏感的红外探测器才能接收到； (2) 红外线的光量子能量比可见光的小，例如10μm波长的红外光子的能量大约是可见光光子能量的1/20； (3) 红外线的热效应比可见光要强得多； (4) 红外线更易被物质所吸收，但对于薄雾来说，长波红外线更容易通过。

红外探测的研究意义 红外探测器及技术的发展以红外物理学为基础 • 红外探测器的发展研究和分析红外辐射的产生、传输及探测过程中的特征和规律 • 红外技术的发展为目标探测、识别提供理论基础和实验依据三、红外探测技术的研究与发展

红外探测器的发展 • 温度计热电偶热电堆测辐射热计确立了红外辐射的基本定律，红外物理才作为一门独立的学科分支 • 本征型器件(例PbS探测器 ) 掺杂非本征型器件三元化合物器件(例HgCdTe探测器 ) 多元线列红外探测器扫积型HgCdTe器件(SPRITE探测器红外焦平面列阵技术

红外技术的发展 • 19世纪：研究天文星体的红外辐射，应用红外光谱进行物质分析。 • 20世纪：红外技术首先受到军事部门的关注，因为它提供了在黑暗中观察、探测军事目标自身辐射及进行保密通讯的可能性。第一次世界大战期间研制了一些实验性红外装置，如信号闪烁器、搜索装置等。第二次世界大战前夕，德国：红外显像管；战争期间：德国，美国：红外辐射源、窄带滤光片、红外探测器、红外望远镜、测辐射热计等。第二次世界大战后：前苏联 • 50年代以后，美国：响尾蛇导弹上的寻的器制导装置和u—2间谍飞机上的红外照相机代表着当时军用红外技术的水平。前视红外装置(FLIR)获得了军界的重视，并广泛使用：机载前视红外装置能在1500m上空探测到人、小型车辆和隐蔽目标，在20000 m高空能分辨出汽车，特别是能探测水下40m深处的潜艇。在海湾战争中，红外技术，特别是热成像技术在军事上的作用和威力得到充分显示。

目前红外技术作为一种高技术，它与激光技术并驾齐驱，在军事上占有举足轻重的地位。红外成像、红外侦察、红外跟踪、红外制导、红外预警、红外对抗等在现代和未来战争中都是很重要的战术和战略手段。目前红外技术作为一种高技术，它与激光技术并驾齐驱，在军事上占有举足轻重的地位。红外成像、红外侦察、红外跟踪、红外制导、红外预警、红外对抗等在现代和未来战争中都是很重要的战术和战略手段。 • 在70年代以后，军事红外技术又逐步向民用部门转化。红外加热和干燥技术广泛应用于工业、农业、医学、交通等各个行业和部门。红外测温、红外测湿、红外理疗、红外检测、红外报警、红外遥感、红外防伪更是各行业争相选用的先进技术。 • 标志红外技术最新成就的红外热成像技术，它与雷达、电视一起构成当代三大传感系统，尤其是焦平面列阵技术的采用，将使它发展成可与眼睛相媲美的凝视系统。

按波长分： 近红外: 0.76~3μm 中红外：3~6μm 远红外：8~15μm 按工作温度分：低温探测器中温探测器室温探测器按用途和结构分：单元探测器多元探测器凝视列阵探测器四、红外探测器的分类 • 按工作转换机理分： • 热敏探测器（热电效应） • 热释电摄像管（如TGS等） • 热探测器阵列 • 热释电型非制冷焦平面阵列 • 微测辐射热计非制冷焦平面阵列（ Micro-Bolometer ） • 微测辐射热电堆 • 光子探测器（光电效应） • 光电导探测器（PC效应） • 光伏探测器（PV效应） • 肖特基势垒探测器（PtSi探测器） • 量子阱探测器

一、红外探测器分类 • 热探测器 • 光子探测器 • 热探测器是利用入射红外辐射引起敏感元件的温度变化，进而使其有关物理参数或性能发生相应的变化。 • 通过测量有关物理参数或性能的变化可确定探测器所吸收的红外辐射。主要有热电阻型、热电偶型、热释电型和高莱气动型等几种型式。热探测器的主要优点是响应波段宽，可以在室温下工作，使用方便。热探测器一般不需致冷（超导除外）而易于使用、维护，可靠性好；光谱响应与波长无关，为无选择性探测器；制备工艺相对简易，成本较低。但由于热探测器响应时间长，灵敏度低，一般只用于红外幅射变化缓慢的场合。热探测器性能限制的主要因素是热绝缘的设计问题。 • 光子探测器是利用某些半导体材料在红外辐射的照射下，产生光子效应，使材料的电学性质发生变化。 • 通过测量电学性质的变化，可以确定红外辐射的强弱。按照光子探测器的工作原理，一般可分为外光电和内光电探测器两种。内光电探测器又分为光电探测器、光电伏特探测器和光磁电探测器三种。光电探测器的主要特点是灵敏度高，响应速度快，响应频率高。但必须在低温下工作，而且探测波段较窄。

１、光子探测器 • (1) 光电子发射(外光电效应)器件利用光电子发射制成的器件称为光电子发射器件。如光电管和光电倍增管。光电倍增管的灵敏度很高，时间常数较短(约几个毫微秒)，所以在激光通讯中常使用特制的光电倍增管。大部分光电子发射器件只对可见光起作用。 • (2) 光电导探测器利用半导体的光电导效应制成的红外探测器叫做光电导探测器(简称PC器件)，目前，它是种类最多应用最广的一类光子探测器。光电导探测器可分为单晶型和多晶薄膜型两类。多晶薄膜型光电导探测器的种类较少，主要的有响应于1~3μm波段的PbS、响应于3~5μm波段的PbSe和PbTe(PbTe探测器，有单晶型和多晶薄膜型两种)。

(3) 光伏探测器 利用光伏效应制成的红外探测器称为光伏探测器(简称PV器件)。如果p-n结上加反向偏压，则结区吸收光子后反向电流会增加，它实际上是光伏效应引起的，这就是光电二极管、光电三极管。 • (4) 光磁电探测器利用光磁电效应制成的探测器称为光磁电探测器(简称PEM器件)。目前制成的光磁电探测器有InSb、InAs和HgTe等。光磁电探测器实际应用很少。 • 光子探测器能否产生光子效应，决定于光子的能量。入射光子能量大于本征半导体的禁带宽度Eg(或杂质半导体的杂质电离能ED或EA)就能激发出光生载流子。入射光子的最大波长(也就是探测器的长波限)与半导体的禁带宽度Eg有如下关系：

各类光子型探测器 • 光电子发射探测器：红外光阴极等利用外光电效应工作的探测器。 • 光电导探测器（PC器件）：利用光电导效应工作的探测器。 • 光伏探测器（PV器件）：利用光伏效应工作的探测器。 • 光磁电探测器：利用光磁电效应制成的红外探测器。 • 肖特基势垒器件：光子牵引效应。 • 量子阱器件：利用量子阱效应。

２、热探测器 • (1) 热敏电阻热敏物质吸收红外辐射后，温度升高，阻值发生变化。阻值变化的大小与吸收的红外辐射能量成正比。利用物质吸收红外辐射后电阻发生变化而制成的红外探测器叫做热敏电阻。 • (2) 热电偶温差电现象制成的感温元件称为温差电偶(也称热电偶)。将若干个热电偶串联在一起就成为热电堆。在相同的辐照下，热电堆可提供比热电偶大得多的温差电动势。因此，热电堆比单个热电偶应用更广泛。 • (3) 气体探测器气体在体积保持一定的条件下吸收红外辐射后会引起温度升高、压强增大。利用此原理制成的红外探测器叫气体(动)探测器。 • (4) 热释电探测器有些晶体．如硫酸三甘肽(TGS)、钽酸锂(LiTaO3)和铌酸锶钡(Sr1-xBaxNb2O6)等，当受到红外辐照时，温度升高，在某一晶轴方向上能产生电压。电压大小与吸收的红外辐射功率成正比。利用此原理制成的红外探测器叫热释电探测器。

热探测器是一种对一切波长的辐射都具有相同响应的无选择性探测器。但实际上对某些波长的红外辐射的响应偏低，等能量光谱响应曲线并不是一条水平直线，这主要是由于热探测器材料对不同波长的红外辐射的反射和吸收存在着差异。热探测器是一种对一切波长的辐射都具有相同响应的无选择性探测器。但实际上对某些波长的红外辐射的响应偏低，等能量光谱响应曲线并不是一条水平直线，这主要是由于热探测器材料对不同波长的红外辐射的反射和吸收存在着差异。 • 热探测器的响应速度决定于热探测器的热容量和散热速度。减小热容量，增大热导，可以提高热探测器的响应速度，但响应率也随之降低。

3. 热探测器与光子探测器的性能比较 • (1) 热探测器一般在室温下工作，不需要致冷；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。工作于1~3μm波段的PbS探测器主要在室温下工作，但适当降低工作温度，性能会相应提高，在干冰温度下工作性能最好。 • (2) 热探测器对各种波长的红外辐射均有响应，是无选择性探测器；光子探测器只对短于或等于截止波长λc的红外辐射才有响应，是有选择性的探测器。 • (3) 热探测器的响应率比光子探测器的响应率低1~2个数量级，响应时间比光子探测器的长得多。

五. 红外探测器的工作条件与性能指标 评价红外探测器的性能的指标称为性能优值，即其性能参数。因一个探测器的性能参数往往与其测量方法和使用条件，几何尺寸等物理性质相关故讨论红外探测器性能指标的同时，需说明其工作条件。工作条件 • 入射辐射的光谱分布：对探测器进行性能描述时，必须说明入射到探测器响应平面的光谱分布及空间辐射功率。实验室多采用500K黑体辐射源作信号源。 • 探测器的几何参数：探测器面积（标称面积、有效面积），形状及接收入射辐射信号的立体角 • 标称面积：制造商提供的响应面积，是实际响应面积的近似值。 • 有效面积：若s为响应平面，R(x,y)为对应点的响应度，则有效面积定义为

１、红外探测器的工作条件 • 探测器接收辐射信号的立体角：辐射信号入射方向上以入射角的余弦作为权重的立体角。 • 标称权重立体角：制造商提供的立体角。 • 有效权重立体角：设θ,φ为轴线垂直于响应平面的球坐标系的极角和方位角；R(x,y,θ,φ)为探测器响应平面s上某点(x,y)对(θ,φ)方向入射辐射的响应度，则有效权重立体角为：－－对于响应度与方位角无关的圆形对称探测器若响应元中心到探测器光阑的视场角为ω，其权重立体角交可简化为：Ω=πsin(ω/2)，若为朗伯探测器，则Ω=π。 • 探测器的输出信号：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f，波长λ及入射辐射功率Ps的函数。即：Vs=Vs(b,f, λ, Ps)

探测器的工作温度与背景：不致冷时指环境温度，致冷时指致冷的标称温度。背景辐射：由探测器的视场和被背景照射的光谱范围来描述。探测器的工作温度与背景：不致冷时指环境温度，致冷时指致冷的标称温度。背景辐射：由探测器的视场和被背景照射的光谱范围来描述。 • 探测器的阻抗： • 探测器两端瞬时电压V(t)对通过探测器的瞬时电流i(t)的导数，包括容抗和直流阻抗。多数探测器的阻抗与纯电阻等效，100 Ω以下为低阻器件，需与放大器做变压器耦合，100 Ω~1M Ω为中阻器件,最容易与放大器匹配;1M Ω以上为高阻器件，需高阻抗放大器输入才能匹配。 • 特殊工作条件：对于某些特殊器件，还有湿度、入射辐射功率、视场立体角、以及背景温度等。

２、红外探测器的性能参数 • 响应度R：描述入射到探测器上的单位辐射功率所产生的信号大小能力的性能参数：红外辐射垂直入射到探测器光敏元上，探测器输出信号电压均方根值Vs与入射辐射功率均方根值Ps之比。 • 噪声等效功率NEP：红外辐射信号入射到探测器响应平面上，若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（信噪比为1）时，探测器表面所接收到的入射辐射功率均方根之为NEP。

探测率D和归一化探测率D*：D=1/NEP；因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Δf有关，因此NEP的数值很难比较两个不同探测器的性能优劣。而定义归一化探测率D*探测率D和归一化探测率D*：D=1/NEP；因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Δf有关，因此NEP的数值很难比较两个不同探测器的性能优劣。而定义归一化探测率D* 实际上是探测器单位面积、单位放大器带宽，单位辐射功率所获得的信噪比。一般D*与调制频率f、辐射源与工作条件有关，单位为cmHz1/2/W。黑体源测得的D*称为黑体探测率，用D*(T,f,1)表示，1表示单位带宽，T多数情况下为500K。 • 响应时间（或时间常数）：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。

R(f)随f变化的关系曲线 具有两个响应时间的频率响应 • 还可以利用频率响应来描述响应时间，因为大多数探测器响应度随调制频率的变化有如公式，其中R(0)为零频下的响应度，由此关系规定的响应时间τ为响应度下降到最大值的0.707时的角频率(2πf)的倒数值。 • 有些探测器有两个响应时间。 • 其它指标 • 响应度与辐射强度之间的线性关系 • 响应度的均匀性 • 与光学系统匹配时，接收面积与光学系统所成像的大小相同 • 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。

7.2.光电导型红外探测器 光电导率：如果半导体受到外界作用，有非平衡载流子注入，就会附加电导率Δσ产生。当Δσ是由光照注入的非平衡载流子所产生时，称之为光电导率。光照射产生的非平衡载流子称为光生载流子。－能产生光电导效应的材料称为光电导体。 • 光电导探测器的工作原理与性能分析 • SPRITE探测器 • SPRITE探测器的工作原理及结构 • SPRITE探测器的性能指标 • 光电导探测器材料

致冷器 致冷器的作用是降低红外探测器的噪声，使其在低温状态工作。由致冷剂变相吸收热量而致冷 A. 变相致冷高压气体节流循环致冷 B.焦耳－汤姆逊效应致冷 C. 辐射热交换致冷高温物体辐射能量降温 D. 温差电致冷利用直流电通过半导体电偶对的珀尔帖效应致冷

7.2.1、光电导型红外探测器－工作原理与性能分析7.2.1、光电导型红外探测器－工作原理与性能分析 • 光电导探测器的基本概念和基本方程 • 光电导探测器的分类 • 入射光强的衰减规律 • 激发率和复合率 • 光生载流子的基本方程 • 本征光电导探测器的性能分析 • 响应度 • 探测率 • 响应时间 • 调制信号的影响

半导体的光激发过程 (a)本征吸收；(b)非本征吸收；(c)自由载流子吸收光电导型红外探测器－工作原理 • 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：入射红外辐射的光子能量大于半导体禁带宽度，使电子从价带激发到导带而改变其光电导率。其优点是工作温度比非本征型高。 • 杂质光电导探测器：入射辐射激发杂质能级上的电子或空穴而改变其电导率，其优点是长波效应较好。 • 自由载流子探测器：材料吸收光子后不引起载流子数量的变化，而是引起载流子迁移率的变化。这类器件常需要在极低温度下工作，以降低能量向晶格转移。

入射光强随厚度变化 • 入射光强的衰减规律：辐射进入探测器后，辐照度要逐渐衰减，若材料的吸收比为α，则在z到z+dz处，其辐照度衰减的量值可写成dE，设探测器表面反射率为ρ，z=0时入射到表面处的照度为E0，则有辐射度随厚度的衰减公式由此可见，辐照度随厚度增加而呈指数衰减。

激发率与复合率 • 单位时间、单位体积内吸收的光子能量： • 被吸收的光子数： • 量子效率η：探测器吸收一个光子（hυ>=Eg)所产生的电子－空穴对的数目 • 体激发率Q：单位时间、单位体积内所产生的电子－空穴对数 • 在本征半导体材料中，通常η ＝1，若探测器厚度为d，略去下表面的反射，平均体激发率为： • 当入射光强减小到初始值的1/e时，光经过的距离称为光的有效透射深度，其值为1/α。 • 一般的本征半导体吸收很强，InSb材料探测器的吸收系数α约为104/cm，即表面1μm就达到了有效透射深度，此后的入射光的影响可以忽略。故，在满足e(- αd)<<1时，平均体激发率变为表面吸收。 • 表面激发率Qs ：单位时间、单位面积内所产生的光生载流子数目。

所谓直接复合：是能带到能带的复合，指导带电子和价带空穴的复合，即导带电子跃迁到价带的过程。所谓直接复合：是能带到能带的复合，指导带电子和价带空穴的复合，即导带电子跃迁到价带的过程。所谓间接复合：非平衡载流子通过杂质或缺陷中心也可以完成电子空穴对的复合，能够有效起复合作用的杂质或缺陷称为复合中心，复合由两步来完成：一是未被占据的中心从导带俘获一个电子；一是已被占据的中心从价带俘获一个空穴（相当于一个电子由复合中心落入价带）。 • 直接复合的复合率（净复合速率）：如果γ为直接复合系数，即各种能量的电子与空穴的平均值。Δp为光生载流子浓度，且 Δp＝Δn。 • 间接复合的复合率：如果γe为电子俘获系数，γp为空穴俘获系数，Nt为俘获中心总数，n1，p1分别为热平衡时电子与空穴的浓度。则有间接复合的复合率表达式。 • 光生载流子寿命： • 表面复合率：设表面复合速率为Sv

所谓基本方程：是反映非平衡载流子运动的重要方程。要考虑光生电子和光生空穴的连续性。所谓基本方程：是反映非平衡载流子运动的重要方程。要考虑光生电子和光生空穴的连续性。 • 半导体中，单位体积内自由电子的增加率，应等于该处电子的激发率Q减去电子的复合率，再加上电子电流的散度。 • 同理，对于空穴有： • 如略去陷阱效应，认为光生载流子的寿命与本征半导体内载流子寿命相同，公式中的电流密度可以写成 • 在本征光电导情况，电中性条件可导出： • D为双极扩散系数，μ为双极迁移率，整理可推知： • 由于是本征光电导情况，n=p， μ＝0，故得到本征光电导光生载流子变化的基本方程。

光电导探测器的几何模型 本征光电导探测器的响应度R 即认为探测器内部各处载流子浓度是均匀的，即体激发率是均匀的 • 恒定入射的红外辐射照射探测器时，稳态下： • 在不考虑浓度梯度和表面复合的前提下,可得：即光生载流子数目与平均体激发率、载流子寿命成正比。 • 设探测器长宽厚：l,w,d。并在x方向加有正电场E，加之空穴与电子的变化数量相等。则光生载流子密度为： • 光生电流电流为： • 若无信号时电阻(暗电阻)为Rd，则开路电压： • 按定义可得探测器响应度表达式 • 响应度与入射辐射光子能量的关系: • 在本征半导体中，暗电阻率可写成与迁移率及无光照时空穴浓度p0相关的表达式: • 考虑到背景对电导率及空穴浓度的影响，可将无信号照射时的电导率及空穴浓度分成热激发对之的贡献，及背景辐射对其的贡献两部分： • 响应度又有更进一步的表达形式：

光电导型红外探测器－性能分析 • 本征光电导探测器的响应度R分析 • 响应度与光生载流子寿命成正比：一般光电导的贡献主要来自于一种载流子，因此若加入另一种载流子陷阱，就会使主要作用的载流子寿命增长，而提高响应度。 • 响应度与载流子浓度成反比：通过致冷环境，可以减小pT值，若减小pb需要增加滤光片； • 响应度与外界电场成正比，但实际上E的增加会带来焦耳热使探测器温升，故外加电场应有一个最佳值； • 在满足αd>>1条件下，减少探测器厚度有利于提高响应度； • 减少反射，镀增透膜也是提高响应度的好办法。

本征光电导探测器的探测率D • 对本征光电导探测器，可以不考虑1/f噪声时，主要噪声为热噪声和产生－复合(G-R)噪声。 • 热噪声产生的噪声电压常记为：其中Rd为探测器等效电阻，Δf为测量仪器噪声等效带宽。 • 产生复合噪声产生的噪声电压常表示为。其中V0为外置偏压，Ps为入射到探测器表面的辐射功率。 • 按定义有Dv* • 更多时候，Dv*只受一种噪声限制

t 光电导探测器的驰豫现象(或滞后现象) • 本征光电导探测器的响应时间 • 弱光入射时，上升情况：根据载流子浓度随时间上升的微分方程，且t=0时，载流子浓度变化量为0，可解得：式中Δp0为稳定值，故载流子随时间按指数规律上升至稳定值。显然载流子寿命越长，曲线上升越慢。光生载流子数目随时间上升到稳定值的(1-1/e)时所需的时间为上升时间。 • 下降情况：若t=0时停止光照，则微分方程中的产生激发的载流子数量Q为0，解得又一个指数方程。显然依然是载流子寿命越长，下降响应越慢。光生载流子浓度Δp0由随时间下降1/e时所需的时间为下降响应时间。

本征光电导探测器的调制信号的影响 • 为适应高速运动目标的变化，有时对入射光要进行调制。当使用调制频率为f的余弦波形来调制时，有辐射照度或体激发率的表达形式： • 光生载流子浓度变化Δp的基本方程为： • 若记Δp= Δp1+ Δp2,前者为与时间无关量，后者为与时间相关量，则: • 考虑调制的影响，仅需讨论随时间变化的部分，省去下标并用复数表示，可解得 • 其中振幅和相位表达式为： • 载流子浓度变化量Δp可写成： • 从而得到调制光入射时输出信号电压，及其均方根电压表示的信号。显然，f越高，信号越低。 • 按响应度定义可得响应度与调制频率的关系式： • 响应度随着f增加而减少，故对于载流子寿命一定的材料，应选择适当的调制频率，以防响应度损失过多。 • 目标运动速度不同，应选择不同的调制频率。

7.2.1 SPRITE(Signal Processing In The E1ement)红外探测器 • 这种新型红外探测器器件利用红外图像扫描速度等于光生载流子双极漂移速度这一原理实现了在探测器内进行信号延迟、叠加，从而简化了信息处理电路。它可用于串扫或串并扫热成像系统，但与热成像系统中使用的阵列器件不同。 • 阵列器件是互相分立的单元，每个探测器要与前置放大器和延迟器相连，它接收目标辐射产生的输出信号需经放大、延迟和积分处理后再送到主放大器，最后在显示器中显示出供人眼观察的可见图像。 • 目前国内外研制的SPRITE探测器，有工作温度为77K、工作波段为8~14m和工作温度为200K左右、工作波段为3~5m两种。将它用于热成像系统中，既完成探测辐射信号的功能，又完成信号的延迟、积分功能，大大简化了信息处理电路，有利于探测器的密集封装和整机体积的缩小。

Δp和Δn 的漂移过程 一、光电导型红外探测器－ SPRITE探测器原理 SPRITE(Signal Processing in The Elements)(Спрайт)探测器属于光电导效应型探测器，但由于这种探测器利用了红外图像扫描速度与光生载流子双极运动速度相等的原理，实现了在器件内部进行信号探测、时间延迟和积分的三种功能，大大简化了焦平面外的电子线路，从而使探测器尺寸、重量、成本显著下降，并提高了工作可靠性，依据其原理，也称之为“扫积型探测器”。是80年代英国人为高性能实时热成像系统研制出的新型红外探测器。 • 工作原理及结构－扫出效应 • 当红外光照射到两端加有固定电压的N型半导体上，光生载流子将经历产生、复合、扩散和漂移的过程，其浓度变化形式可写成公式，其中D和μ为双极扩散系数和双极迁移率。 • 漂移是由于电场E作用下，且n与p不等造成的。 • 若n=p，μ＝0,则无漂移运动；若n>>p，则μ＝μp,D=Dp，即Δp以p的速度运动。 • 为保持电中性， Δn和Δp沿同一方向运动， • 因为有非平衡载流子存在，电中性难以满足，则Δn和Δp不重合产生附加电场。它同E反向，使之消弱。 • 在被消弱的电场区，多子（电子）的漂移速度降低，而该区两端电子速度不变，导致左端电子浓度降低，右端增加，相当Δn于向右漂移。 • 总体呈现出，当Δp前进时， Δn也跟着前进，用这种方法就可以实现Δp分布的自动扫描，这种效应称为“扫出效应”。

SPRITE探测器工作原理示意图 • 由于扫出效应的存在,当光照射样品时,光信号会自动转移出去，从而可以实现光信号的积累和延迟叠加。 • 实现SPRITE探测器信号积累和延迟的必要条件－红外图像扫描速度等于非平衡载流子的双极运动漂移速度。 • 双极运动漂移速度与材料的少数载流子迁移率和外置偏压大小有关，如果偏压足够大，非平衡少子将全部或大部分扫出，若电场场强过小，非平衡少子漂移长度小于器件长度，则光生少子将在体内复合 • 设一稳定的红外辐射入射到SPRITE探测器的x0处，若忽略陷阱效应及表面复合，并在强电场作用下忽略非平衡载流子的扩散，则沿探测器长度方向x处的光生载流子的稳态方程可写成： • 式中Lμ为空穴的牵引长度。 • Lμ若大于样品长度，则在τ时间内Δp将移出体外，反之，将只有部分Δp能移出体外，在SPRITE探测器中，Lμ＝L为全部扫出条件，可推知此时SPRITE探测器两端所加电压为V0，为临界扫出电压。

SPRITE探测器的实际结构 二、光电导型红外探测器－ SPRITE探测器原理与结构 • 典型的SPRITE探测器的结构 • 八条N型HgCdTe样条构成， • 每条尺寸（700×62.5)μm2，厚度10μm,样条间距12.5μm。 • 读出区长度50μm，宽度35μm。 • 每条大约等效于10~12个分立单元探测器。 • 当扫描点进入读出区时，Δp将调制读出区电压从而有信号输出。

设N型光电导体，其掺杂浓度远大于背景辐射产生的载流子浓度，非平衡载流子寿命远大于双极漂移时间，双极漂移速度等于光点扫描速度，有稳定的红外辐射照射到探测器，且沿长度方向自左向右连续扫描。设N型光电导体，其掺杂浓度远大于背景辐射产生的载流子浓度，非平衡载流子寿命远大于双极漂移时间，双极漂移速度等于光点扫描速度，有稳定的红外辐射照射到探测器，且沿长度方向自左向右连续扫描。 • 设探测器截面为w×w，读出长度l<w，长度为L>>l。外加电场为E。在足够强的外电场作用下，光生载流子的稳态方程不受非平衡载流子的扩散影响。 • 求解微分方程得到光点照射像元上，信号所产生的非平衡载流子浓度随着扫描位置的变化关系。 • 当扫描像元到达读出区时，即x=L，有公式，其中t为光生载流子在器件中的渡越时间。 • 进而求得光生载流子的光电流强度，和开路电压。 • 响应度按定义可写成： • 当反射损失很小，且αd>>1时，可简化写成：

三、光电导型红外探测器－ SPRITE探测器的响应度 • 分析响应度表达式，可探讨提高响应度的途径： • 增大E会增大焦耳热，从而增大热噪声电流，故增大E应该适当。 • 增大载流子寿命，可以提高响应度，故可通过探测器表面钝化技术来实现表面复合的影响降低到最低。 • 可采用制冷技术，降低读出区的热激发载流子浓度，提高响应度， • 减小表面反射损失，也是重要途径。

四. 光电导型红外探测器－ SPRITE探测器的探测率D* • D*Blip为面积为w*w单元的光电导探测器受背景限制的探测率。 • S为单位时间通过读出区的像素数，像素大小为w*w，称为像素速率，也可写成 • F为积累因子。 • 当F>1时，即积累的原因，可以预期SPRITE探测器的探测率要比相应分立列阵背景限探测率大，性能好； • 因为积累时间大于快速串扫系统中单元器件的驻留时间，故可以观察到更大的输出信号； • 因为信号与积累时间成正比，而噪声与积累时间的平方根成正比，故信噪比与积累时间的平方根成正比，故增大积累时间，有利于提高S/N。 • D*与读出长度无关，但过高的扫描速度会使响应度下降，故可以减小读出去宽度，增大l/w的比值，来减小非平衡载流子通过读出区的渡越时间。 • 在SPRITE探测器中，S/N与积累时间τ成线性关系。

第七章 红外摄像器件