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目前，紅外光電開關傳感器件種類非常多，所使用的紅外光電開關傳感器主要按照工作原理進行劃分，可以分成是熱電型紅外光電開關傳感器和光電型紅外光電開關傳感器。 1822年，賽貝克發(fā)現(xiàn)金屬的溫差電效應，不久人們就用來制成熱電偶和熱電堆探測紅外。它性能穩(wěn)定、測量重復性好，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度量輻射強度，并把它稱做測輻射熱計。這方法后被棄且，但這個名詞存活下來。類似器件后來不斷出現(xiàn)。一種是用金屬氧化物、陶瓷等材料制成的熱敏電阻，工藝簡單，價格低廉，但探測率低;再就是高萊管，是一種精致的氣動紅外探測器，非常靈敏，但結構嬌弱;20世紀中發(fā)展的熱釋電器件，其物理基礎是硫酸三甘氨酸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，將信號輸出。熱釋電器件室溫工作并兼顧了較高的探測率和響應速度，使用很廣。 上述幾種統(tǒng)屬熱電型紅外探測器，另一大類稱做光電型紅外探測器。光子器件的成功使用可追溯20世紀第一和二次世界大戰(zhàn)。德國首先制成硫化鉈光電導紅外探測器并很好解決了工藝穩(wěn)定問題，在此基礎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，德國才制造出紅外測距、紅外夜視等多種紅外儀器，并立即投入戰(zhàn)爭使用。戰(zhàn)后的冷戰(zhàn)時期，由于軍事需要和半導體的崛起，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、碲鎘汞等半導體材料制作 。從結構上看，一種是利用均勻材料的各種體效應，如光電導探測器、掃積型探測器、光磁電探測器等;還有一種，可稱作結型器件，最典型的是半導體PN結探測器和金屬半導體結探測器，其物理基礎是結的光生伏特效應。光電導探測器和光伏探測器是當代最重要、使用最多的兩種紅外器件。前者制造工藝簡單，但制各大規(guī)模陳列有樓市春晚 后者性能高，其結構適于制備領料平面陳列。半導體光吸收可能把價帶電子激發(fā)到導帶，即發(fā)生本征躍遷，產(chǎn)生自由電子、空穴對，引發(fā)光電導;也可能把施主或受主雜質能級上的電子或空穴激發(fā)到導帶，即發(fā)生非本征躍遷，產(chǎn)生自由的電子，引發(fā)光電導。因而光電導型紅外探測器又分本征和非本征兩種。前者的長波限取決于晶體禁帶寬度，后者長波限取決于雜質電離能。非本征光電導是多數(shù)載流子行為，為了壓低噪 聲，提高響應率，必須降低載流子濃度，因而非本征型的工作溫度要遠低于同一波段的本征型。還有，非本征光吸收系數(shù)較小，為了增強光吸收，一是要提高雜質濃度，這導致遷移率降低、器件性能變壞而不可取;另一途徑是加厚敏感元，又給多元工藝帶來困難，這些都是非本征型光導器件的缺點。 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型紅外探測器。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。長時間里，波長更長的中、紅外探測不得不使用熱敏型器件或非本征光電導器件，所以用摻入金、銅、鎵等雜質的鍺、硅非本征光導器件曾盛行一時。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，使用非常不便，所以科學家們長期尋求適于較長波段的本征型紅外探測材料。 1959年英國皇家雷達研究所勞森等首次報道了半導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，介電常數(shù)小，幾乎各種基本物理性質都適宜于紅外探測。并且碲鎘汞氧化物化學穩(wěn)定，表面態(tài)密度低，利于制備MIS結構;碲鎘汞的熱膨脹系數(shù)接近硅，易于硅讀出電路互聯(lián)。又因為碲鎘汞實際上是正常半導體碲化鎘和半金屬碲化汞的固溶體，可以通過調(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器。碲鎘汞器件歷經(jīng)40年艱難研究，達到了任何其他器件難以匹敵的水平，在導彈預警等重要軍事應用中，沒有其他器件能夠替代它的作用。 碲鎘汞的問題在材料。由于相圖中固一液相線分離及汞一碲化學鏈過弱等固有原因，很難生長出組分均、結構完整的大面積單晶體。在遍用布里奇曼法、再結晶法、碲溶劑法等制備體材料后，人們轉向用分子束外延法、液相外延法、金屬有機化學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，使得器件價格居高不下。專家們一面設法解決碲 鎘汞的問題，一面繼續(xù)探索，期望找到具有碲 鎘汞的優(yōu)越性而沒有其缺點的探測材料，并已為此研制了一系列三元系、四元系半導體材料及稀釋磁性半導體材料，可異無一堪負重任。但人們在另外的方向上尋到了光明，研制成功半導體量子阱紅外探測器件。 多量子阱、超晶格是由一系列異質結組成的一維周期性人造微結構。用分子束外延法可以交替生長兩種半導體晶體薄層材料，若兩者禁帶寬度不同，相鄰異質結之間的能帶依次分別形成勢壘一勢阱一勢壘一勢阱的結構。平衡時，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，電子勢阱與空穴勢 阱在同一砷化鎵薄層，電子勢 壘與空穴的勢壘在相鄰的鋁鎵砷薄層，這是I類超晶格;此外還有其他復雜情況，電子勢阱與空穴勢阱分別處于相鄰兩薄層中，謂之II類超晶格;III類是超晶格、量子阱中的電子運動，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的作用，其能量量子化，只取一系列分立值，稱作子能級。這是多量子阱的情況。對超晶格來說，勢壘寬度與電子德布羅意波長可以相比擬，相鄰阱的電子波函數(shù)能展到鄰近勢阱并相互疊加，子能級便展寬成微帶。電子可以吸收光子從價帶的某一子能級躍遷到導帶的某一子能級，但這類躍遷不適于制備紅外探測器，因為需要摻 入施主、受主兩種雜質，而窄禁帶量子阱超晶格又難以生長。現(xiàn)在紅外探測器依據(jù)的是另一類躍遷，即發(fā)生在同一個能帶導帶或價帶中的子能級之間或微帶之間的光吸收躍遷。相鄰子能級或微帶間的能量差與勢阱寬度有關，勢阱越窄，間距越大。所以人們選擇晶體材料后，還可以設計與控制勢阱和勢壘的寬度，以使基態(tài)與激發(fā)態(tài)的能量間隔相當于所要求的某一波段，或設計成阱中僅有基態(tài)子能級，并使連續(xù)態(tài)的能量間距相當于某一波段，這兩種情況都可以產(chǎn)生光電導效應。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成熟，它的最大缺點是量子效率低，其性能難以達到碲鎘汞的水平，但材料適于大規(guī)模陳列器件的制備，所以應用領域將就有它一席之地。超晶格、量子阱是人們有意識地在一維方向上把異質結構制做到納米驚訝。若在兩維方向上達到納米驚訝，稱作量子線;在三維方向同時達到這種驚訝，叫做量子點。這些人造微結構的光電性質正被深入研究，其潛在應用坐也將被發(fā)掘出來。還有人把熱電偶做到納米驚訝，不僅提高了響應速率，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)米結構同樣應予關注。 當全面考察紅外探測器件發(fā)展時，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。這些改進提高了輸出信噪比，展寬了探測功能、簡化了成像系統(tǒng)。其中，將光電換元件與讀出電路并合而構成紅外領料平面陳列器件可以說是紅外探測發(fā)展中的一次革命。我們知道，硅電荷耦合器件CCD是集光電化與信號讀出于一體的典型，但它工作在可見光區(qū)，冷卻到液氮溫度才延展到近紅外。可惜由于材料問題，用銻化甸、碲鎘汞制成與似的單片結構太困難了，現(xiàn)實的工藝線路是分開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多量子阱長波領料平面及8-9um于14-15um波段的雙色量子阱領料平面具已研制出來，并被送入空間進行試驗。這些器件性能哩高，但都在深低溫下工作，為便于一般應用，人們正在積極發(fā)展硅一氧化釩微測輻射熱計和鐵電等非制冷型領料平面器件。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)，結構上運用半導體平面工藝做成橋式，即把熱敏面架空或填充以絕熱物質以減小熱容和熱導，提高探測率和響應速率。還有人嘗試著用集成光學技術把紅外信號、紅外圖像直接轉換為可見光信號、可見光圖像，也是很有意義的工作。近些年，專家們從生物學眼一腦系統(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)絡等。可以想見，新一代紅外器件的成功將使紅外技術發(fā)生更加巨大的變化。 |
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