目前，紅外光電開(kāi)關(guān)傳感器件種類非常多，所使用的紅外光電開(kāi)關(guān)傳感器主要按照工作原理進(jìn)行劃分，可以分成是熱電型紅外光電開(kāi)關(guān)傳感器和光電型紅外光電開(kāi)關(guān)傳感器。
1822年，賽貝克發(fā)現(xiàn)金屬的溫差電效應(yīng)，不久人們就用來(lái)制成熱電偶和熱電堆探測(cè)紅外。它性能穩(wěn)定、測(cè)量重復(fù)性好，在其后數(shù)十年發(fā)揮了巨大作用，至今仍有作用。1880年，朗利紅引起的金屬絲電阻率變化來(lái)度量輻射強(qiáng)度，并把它稱做測(cè)輻射熱計(jì)。這方法后被棄且，但這個(gè)名詞存活下來(lái)。類似器件后來(lái)不斷出現(xiàn)。一種是用金屬氧化物、陶瓷等材料制成的熱敏電阻，工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，但探測(cè)率低;再就是高萊管，是一種精致的氣動(dòng)紅外探測(cè)器，非常靈敏，但結(jié)構(gòu)嬌弱;20世紀(jì)中發(fā)展的熱釋電器件，其物理基礎(chǔ)是硫酸三甘氨酸TGS等鐵電體的自發(fā)極化，在交變的紅外輻照下，熱敏元極化電荷變化并引起電容改變，將信號(hào)輸出。熱釋電器件室溫工作并兼顧了較高的探測(cè)率和響應(yīng)速度，使用很廣。
上述幾種統(tǒng)屬熱電型紅外探測(cè)器，另一大類稱做光電型紅外探測(cè)器。光子器件的成功使用可追溯20世紀(jì)第一和二次世界大戰(zhàn)。德國(guó)首先制成硫化鉈光電導(dǎo)紅外探測(cè)器并很好解決了工藝穩(wěn)定問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上又研制出重要的硫化鉛、硒化鉛等薄膜型器件。正是有了這些器件，德國(guó)才制造出紅外測(cè)距、紅外夜視等多種紅外儀器，并立即投入戰(zhàn)爭(zhēng)使用。戰(zhàn)后的冷戰(zhàn)時(shí)期，由于軍事需要和半導(dǎo)體的崛起，品種繁多的光子型紅外器件如雨后春筍，性能也是提高到前所未有的水平。這類器件器主要用鍺、硅、銻化甸、碲鎘汞等半導(dǎo)體材料制作 。從結(jié)構(gòu)上看，一種是利用均勻材料的各種體效應(yīng)，如光電導(dǎo)探測(cè)器、掃積型探測(cè)器、光磁電探測(cè)器等;還有一種，可稱作結(jié)型器件，最典型的是半導(dǎo)體PN結(jié)探測(cè)器和金屬半導(dǎo)體結(jié)探測(cè)器，其物理基礎(chǔ)是結(jié)的光生伏特效應(yīng)。光電導(dǎo)探測(cè)器和光伏探測(cè)器是當(dāng)代最重要、使用最多的兩種紅外器件。前者制造工藝簡(jiǎn)單，但制各大規(guī)模陳列有樓市春晚 后者性能高，其結(jié)構(gòu)適于制備領(lǐng)料平面陳列。半導(dǎo)體光吸收可能把價(jià)帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶，即發(fā)生本征躍遷，產(chǎn)生自由電子、空穴對(duì)，引發(fā)光電導(dǎo);也可能把施主或受主雜質(zhì)能級(jí)上的電子或空穴激發(fā)到導(dǎo)帶，即發(fā)生非本征躍遷，產(chǎn)生自由的電子，引發(fā)光電導(dǎo)。因而光電導(dǎo)型紅外探測(cè)器又分本征和非本征兩種。前者的長(zhǎng)波限取決于晶體禁帶寬度，后者長(zhǎng)波限取決于雜質(zhì)電離能。非本征光電導(dǎo)是多數(shù)載流子行為，為了壓低噪 聲，提高響應(yīng)率，必須降低載流子濃度，因而非本征型的工作溫度要遠(yuǎn)低于同一波段的本征型。還有，非本征光吸收系數(shù)較小，為了增強(qiáng)光吸收，一是要提高雜質(zhì)濃度，這導(dǎo)致遷移率降低、器件性能變壞而不可取;另一途徑是加厚敏感元，又給多元工藝帶來(lái)困難，這些都是非本征型光導(dǎo)器件的缺點(diǎn)。
硫化鉛、硒化鉛、砷化甸、銻化甸等都是曾是或仍是重要的本征光電導(dǎo)型紅外探測(cè)器。但除銻化甸工作在3-5um的大氣窗口外，大都只能工作在1-2um的大氣窗口。長(zhǎng)時(shí)間里，波長(zhǎng)更長(zhǎng)的中、紅外探測(cè)不得不使用熱敏型器件或非本征光電導(dǎo)器件，所以用摻入金、銅、鎵等雜質(zhì)的鍺、硅非本征光導(dǎo)器件曾盛行一時(shí)。鍺摻汞器件恰好工作在8-14um大氣窗口，冷 戰(zhàn)期間用于偵察機(jī)上的紅外攝像，起了重要作用。但這種器件工作在30k，需配置笨重的制冷機(jī)，使用非常不便，所以科學(xué)家們長(zhǎng)期尋求適于較長(zhǎng)波段的本征型紅外探測(cè)材料。
1959年英國(guó)皇家雷達(dá)研究所勞森等首次報(bào)道了半導(dǎo)體碲鎘碲鎘汞本征載流子濃度低，電子遷移率高，非平衡少數(shù)載流子壽命長(zhǎng)，介電常數(shù)小，幾乎各種基本物理性質(zhì)都適宜于紅外探測(cè)。并且碲鎘汞氧化物化學(xué)穩(wěn)定，表面態(tài)密度低，利于制備MIS結(jié)構(gòu);碲鎘汞的熱膨脹系數(shù)接近硅，易于硅讀出電路互聯(lián)。又因?yàn)轫阪k汞實(shí)際上是正常半導(dǎo)體碲化鎘和半金屬碲化汞的固溶體，可以通過(guò)調(diào)節(jié)汞和鎘兩種組分的比例連續(xù)改變禁帶寬度，所以可制備不同波段的紅外探測(cè)器。碲鎘汞器件歷經(jīng)40年艱難研究，達(dá)到了任何其他器件難以匹敵的水平，在導(dǎo)彈預(yù)警等重要軍事應(yīng)用中，沒(méi)有其他器件能夠替代它的作用。
碲鎘汞的問(wèn)題在材料。由于相圖中固一液相線分離及汞一碲化學(xué)鏈過(guò)弱等固有原因，很難生長(zhǎng)出組分均、結(jié)構(gòu)完整的大面積單晶體。在遍用布里奇曼法、再結(jié)晶法、碲溶劑法等制備體材料后，人們轉(zhuǎn)向用分子束外延法、液相外延法、金屬有機(jī)化學(xué)汽相外延制備薄膜材料，以滿足不斷發(fā)展的器件需求。即使如此，材料成品率仍難以大幅度提升，使得器件價(jià)格居高不下。專家們一面設(shè)法解決碲 鎘汞的問(wèn)題，一面繼續(xù)探索，期望找到具有碲 鎘汞的優(yōu)越性而沒(méi)有其缺點(diǎn)的探測(cè)材料，并已為此研制了一系列三元系、四元系半導(dǎo)體材料及稀釋磁性半導(dǎo)體材料，可異無(wú)一堪負(fù)重任。但人們?cè)诹硗獾姆较蛏蠈さ搅斯饷鳎兄瞥晒Π雽?dǎo)體量子阱紅外探測(cè)器件。
多量子阱、超晶格是由一系列異質(zhì)結(jié)組成的一維周期性人造微結(jié)構(gòu)。用分子束外延法可以交替生長(zhǎng)兩種半導(dǎo)體晶體薄層材料，若兩者禁帶寬度不同，相鄰異質(zhì)結(jié)之間的能帶依次分別形成勢(shì)壘一勢(shì)阱一勢(shì)壘一勢(shì)阱的結(jié)構(gòu)。平衡時(shí)，電子和空穴都被局限在各自阱內(nèi)。璧如，由砷化鎵和鋁鎵砷組成的超晶格，電子勢(shì)阱與空穴勢(shì) 阱在同一砷化鎵薄層，電子勢(shì) 壘與空穴的勢(shì)壘在相鄰的鋁鎵砷薄層，這是I類超晶格;此外還有其他復(fù)雜情況，電子勢(shì)阱與空穴勢(shì)阱分別處于相鄰兩薄層中，謂之II類超晶格;III類是超晶格、量子阱中的電子運(yùn)動(dòng)，在薄層平面內(nèi)仍是自由的，但在垂直薄層方向上由于受到附加周期勢(shì)的作用，其能量量子化，只取一系列分立值，稱作子能級(jí)。這是多量子阱的情況。對(duì)超晶格來(lái)說(shuō)，勢(shì)壘寬度與電子德布羅意波長(zhǎng)可以相比擬，相鄰阱的電子波函數(shù)能展到鄰近勢(shì)阱并相互疊加，子能級(jí)便展寬成微帶。電子可以吸收光子從價(jià)帶的某一子能級(jí)躍遷到導(dǎo)帶的某一子能級(jí)，但這類躍遷不適于制備紅外探測(cè)器，因?yàn)樾枰獡?入施主、受主兩種雜質(zhì)，而窄禁帶量子阱超晶格又難以生長(zhǎng)。現(xiàn)在紅外探測(cè)器依據(jù)的是另一類躍遷，即發(fā)生在同一個(gè)能帶導(dǎo)帶或價(jià)帶中的子能級(jí)之間或微帶之間的光吸收躍遷。相鄰子能級(jí)或微帶間的能量差與勢(shì)阱寬度有關(guān)，勢(shì)阱越窄，間距越大。所以人們選擇晶體材料后，還可以設(shè)計(jì)與控制勢(shì)阱和勢(shì)壘的寬度，以使基態(tài)與激發(fā)態(tài)的能量間隔相當(dāng)于所要求的某一波段，或設(shè)計(jì)成阱中僅有基態(tài)子能級(jí)，并使連續(xù)態(tài)的能量間距相當(dāng)于某一波段，這兩種情況都可以產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)。可以看到，在這里人們可以調(diào)控的參數(shù)比用單晶體多了，選擇的靈活性大了。現(xiàn)在多量子阱器件已相當(dāng)成熟，它的最大缺點(diǎn)是量子效率低，其性能難以達(dá)到碲鎘汞的水平，但材料適于大規(guī)模陳列器件的制備，所以應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒕陀兴幌亍３Ц瘛⒘孔于迨侨藗冇幸庾R(shí)地在一維方向上把異質(zhì)結(jié)構(gòu)制做到納米驚訝。若在兩維方向上達(dá)到納米驚訝，稱作量子線;在三維方向同時(shí)達(dá)到這種驚訝，叫做量子點(diǎn)。這些人造微結(jié)構(gòu)的光電性質(zhì)正被深入研究，其潛在應(yīng)用坐也將被發(fā)掘出來(lái)。還有人把熱電偶做到納米驚訝，不僅提高了響應(yīng)速率，溫差電系數(shù)也明顯增大，這一現(xiàn)象提示我們，其他納米材料和內(nèi)米結(jié)構(gòu)同樣應(yīng)予關(guān)注。
當(dāng)全面考察紅外探測(cè)器件發(fā)展時(shí)，我們看到它表現(xiàn)出從單元到多元、從單色到多色、從線列到面陳的明顯趨勢(shì)。這些改進(jìn)提高了輸出信噪比，展寬了探測(cè)功能、簡(jiǎn)化了成像系統(tǒng)。其中，將光電換元件與讀出電路并合而構(gòu)成紅外領(lǐng)料平面陳列器件可以說(shuō)是紅外探測(cè)發(fā)展中的一次革命。我們知道，硅電荷耦合器件CCD是集光電化與信號(hào)讀出于一體的典型，但它工作在可見(jiàn)光區(qū)，冷卻到液氮溫度才延展到近紅外。可惜由于材料問(wèn)題，用銻化甸、碲鎘汞制成與似的單片結(jié)構(gòu)太困難了，現(xiàn)實(shí)的工藝線路是分開(kāi)制作光電換元件和電路，再用甸柱將兩者連成一體，即所謂 混成。光敏元的行與列為1024-1024的銻化年，前者工作在3-5um的大氣窗口，后者主要工作在8-14um大氣窗口，也有用于3-5um波段的。640*486的GAAS/A1GAAS多量子阱長(zhǎng)波領(lǐng)料平面及8-9um于14-15um波段的雙色量子阱領(lǐng)料平面具已研制出來(lái)，并被送入空間進(jìn)行試驗(yàn)。這些器件性能哩高，但都在深低溫下工作，為便于一般應(yīng)用，人們正在積極發(fā)展硅一氧化釩微測(cè)輻射熱計(jì)和鐵電等非制冷型領(lǐng)料平面器件。這類器件是熱敏型，選擇的材料須在近室溫有較大的電阻溫度系數(shù)或熱釋電系數(shù)，結(jié)構(gòu)上運(yùn)用半導(dǎo)體平面工藝做成橋式，即把熱敏面架空或填充以絕熱物質(zhì)以減小熱容和熱導(dǎo)，提高探測(cè)率和響應(yīng)速率。還有人嘗試著用集成光學(xué)技術(shù)把紅外信號(hào)、紅外圖像直接轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光信號(hào)、可見(jiàn)光圖像，也是很有意義的工作。近些年，專家們從生物學(xué)眼一腦系統(tǒng)研究成果受到啟發(fā)，又在探索神經(jīng)形態(tài)靈巧式焦平面列陳、類視網(wǎng)膜焦平面列陳以及三維人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。可以想見(jiàn)，新一代紅外器件的成功將使紅外技術(shù)發(fā)生更加巨大的變化。 |
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