短波红外ingaas探测器功能简析

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1、红外线是波长介于微波与可见光之间的电磁波，波长在0.75～1000μm之间，其在军事、通讯、探测、医疗等方面有广泛的应用。目前对红外线的分类还没有统一的标准，各个专业根据应用的需要，有着自己的一套分类体系。一般使用者对红外线的分类为（1）近红外(NIR,IR-ADIN)：波长在0.75～1.4μm；（2）短波红外(SWIR,IR-BDIN)：波长在1.4～3μm；（3）中波红外(MWIR,IR-CDIN)：波长在3～8μm；（4）长波红外(LWIR,IR-CDIN)：波长在8～15μm；（5）远红外(FIR)：波长在15～1000μm。根据Maxwell电

2、磁方程，红外线在空气等物质内部和界面传播会发生吸收、反射和透射等，其中吸收是影响传播的最主要因素。空气中的一些气体分子如CO2、H2O等有着与其物质分子结构相对应的特征吸收谱线，对某些波长的红外线产生强烈地吸收，而对另外一些红外线则不产生吸收，从而表现出很高的透射率。大气中对红外辐射吸收比较少的波段称为“大气窗口”，主要包括三个：1～3μm，3～5μm，8～14μm，图1描述了红外线在大气中传播的透射曲线。红外探测器从1800年英国W.Herschel发现红外线到现在已有二百多年历史。人们通过不断地技术开发和创新，使红外应用从军事国防迅速朝着资源勘探、气象

3、预报、环境监测、医学诊治、海洋研究等关系到国计民生的各个领域扩展。在这些应用中红外探测又显得特别重要，因为要更好地研究红外线必须先对其进行探测。理论上任何形态的物质只要在红外辐射作用下发生某种性质或物理量的变化，都可以被用来进行红外探测。目前来说按照工作机理不同,红外探测器常被分为热探测器和光子型探测器。热探测器利用红外光的热效应及材料对温度的敏感性来测量红外辐射，其原理是热敏材料吸收红外光后温度升高，利用材料的温度敏感特性将温度的变化转变为电信号。目前主要利用温差电效应、热释电效应、金属、气体等热胀冷缩现象、超导体在Tc附近升高温度电阻急剧变化等等。热探

4、测的响应速度较慢，但其波长响应范围宽。光子型探测器是利用光电效应原理设计和制作的，光电效应可分为光电子发射效应、光电导效应、光生伏特效应和光磁电效应。光电子发射效应是指在光辐射作用下产生的光电子逸出被照射材料的表面，称为外光电效应，多发生在金属材料中。光电导效应，光生伏特效应和光电磁效应是在材料内部产生的，电子并不逸出材料的表面，也称为内光电效应。半导体材料具有明显的光电效应，因此大多数的红外探测器都采用了半导体材料制作，其中基于内光电效应，特别是光生伏特效应的半导体红外探测器特别普遍。光生伏特探测器件中包含一个PN结（包括PN同质结型，异质结型，肖特基型

5、等），在无光照的情况下，结内存在着自建电场，当红外光照到PN结上或附近时，产生的光生载流子在结电场的作用下分别向两边移动，从而在PN结两端形成光生电动势。常见的一些光伏型探测器包括光电池，光电二极管，光电三极管，雪崩探测器，MSM探测器等。当全面考察半导体红外探测器件发展时，可以看到其表现出从单元到多元、从单色到多色、从线列到面阵的明显趋势。目前应用在军事和民用上的多元探测器阵列有两种显著的系统：扫描系统(scanningsystems)和凝视系统(staringsystems)。其区别在于扫描系统采用时间延迟积分(TDI)技术，通过串行方式对电信号进行读

6、取；而凝视型系统则直接形成一张二维图像，采用并行方式对电信号进行读取。凝视型成像速度比扫描型成像速度快，但是成本高，电路也复杂。这些改进提高了输出信噪比，展宽了探测功能并简化了成像系统。最初人们只能以单个探测单元通过光机扫描的方式实现图像探测，即第一代红外系统；后来出现了探测像元数目在104以上，且自带有信号读出电路的二维M×N元焦平面阵列(FPA)探测器，即第二代红外系统；现今集成了探测器后续信号处理电路，包括信号读出电路、前放、模数转换器等第三代大阵列焦平面已开始应用到军事和民用领域。图2简要列出了上世纪以来整个红外探测发展史上的重要进程。目前红外光电

7、探测器发展速度迅猛，种类繁多，已经覆盖到从近红外到长波红外大部分波段。在三个主要的“大气窗口”中，1～3μm短波红外波段是重要的一个波段，其广泛存在于自然界中，主要来源有自然环境反射、高温物体主动辐射、人造短波红外光源等。除可见光外夜光的大部分能量都集中在短波红外波段，因此可以利用自然反射的短波红外光进行短波红外成像。另外在该波段中，很多物质具有独特的光谱特性，如岩石、矿物中含有的氢氧根，农作物中的水，空气中的CO2、H2S、NH3、N2O等。因此短波红外探测在如了解资源分布、土壤水分检测、大气成分分析、农作物分析、军事侦察和监视、工业多光谱成像分析、红外

8、预警和夜视成像等众多民用和军事领域有着广阔的应用前景。常见的用于制