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红外探测器发展历程

2022-08-04 15:44:49

红外探测器的早期发展主要是热探测器。1829年诺比利构造了第一个热电偶和多个热电偶串联而成的热电堆。1833年,梅洛尼改进了设计,制造了可以探测30英尺以外的人体的温度的热电堆。1880年,兰利制作出可以研究太阳的红外光谱辐射强度和辐照度测辐射热计,比同时代热电堆性能30倍。

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光子探测器晚于热探测器出现。光电导效应发现于1873年史密斯的硒的海底电缆绝缘层实验。1917年,凯斯发现含有铊和硫的物质呈现出光导性,并研制出第一个红外光电导探测器。当时,这种探测器在光照下电阻不稳定,响应度较低、噪声增大且可重复性差。大约从20世纪30年代起,光子探测器才逐渐成为了红外探测器发展的主流。

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早期研制的红外探测器存在波长单一、量子效率低、工作温度低等问题,大大地限制了红外探测器的应用。现代红外探测器到20世纪40年代才开始发展并投入实际应用。20世纪50年代初发明晶体管以后,第一个非本征光电导探测器就已出现,由于控制掺杂技术最先应用于锗,所以第一个高性能非本征探测器是以锗为基础制造的,可以制成适于8~14μm长波红外的探测器。1967年,索瑞夫首先报道了关于非本征硅探测器的研究。十年之后,当波义耳与史密斯发明了电荷耦合器件(CCD)以后,非本征硅又重新得到重视。

在20世纪50年代,与非本征导体探测器同时,窄禁带半导体也在快速发展。1959年,劳森(Lawson)与其同事的研究带动了可变带隙合金Hg1-xCdxTe(碲镉汞)的发展,很快就出现了基于镉汞材料的、响应波长达到12μm的光导型和光伏型探测器。

70年代开始,借助于晶体制备能力以及外延技术的快速发展,碲镉汞材料研究也更加深入。人们发现通过调节Cd组分,HgCdTe的带隙可以实现在0-1.6eV之间的连续变化,对应的波长能够完全覆盖短波,中波,长波和甚长波等整个红外波段,碲镉汞红外探测器逐渐成为红外探测器技术的首选,它在红外探测器发展历程中占有重要的地位。

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随着红外热成像技术的不断发展,半导体红外探测器从出现至今可以划分为三代:第一代是线性光导探测器阵列,线列探测器技术首先用于PbS、PbSe和InSb探测器,已经得到广泛应用;第二代是二维光伏探测器阵列,阵列包含大约106 个探测器单元,并利用集成在一起的线路完成电子扫描;当前发展的第三代红外光电探测器,是在第二代基础上进一步提出了探测器高性能、低成本的要求。

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