近红外光电探测器介绍 1982年4月—6月

1982 年 4 月— 6 月，英国和阿根廷之间爆发了马尔维纳斯群岛战争。4 月 13 日夜间，英国攻击阿根廷据守的最大据点斯坦利港。当时3000名英军的所有枪支、火炮都配备有红外夜视仪，能够在黑夜中清楚地发现阿根廷军目标。而阿根廷军队缺乏夜视装备，不能有效地发现英军目标，处境十分被动。最终，英国军队在夜视装备的引导下，成功地攻下了斯坦利港据点，14000名阿根廷军士不得不向英军投降。这是一场由于夜视装备优势赢得的兵力悬殊的战斗。红外夜视仪是红外光电探测器的一种具体应用，可以分为主动红外夜视仪和被动红外夜视仪两大类，但两者的基本原理都是光电探测。图 1(a)，(b)分别是红外夜视仪的实物图和实际效果图，现在已经广泛装备于各国军队，是军队夜间作战的有力工具。

图1 红外夜视仪 (a)实物图；(b)效果图

光是电磁波的一种表现形式，根据电磁波波长和频率的不同，电磁波可以分为无线短波、红外线、可见光、紫外线、X射线以及γ射线等波段，如图 2所示。其中，红外线是介于可见光和无线电波之间的波段。根据国际标准化组织(ISO20473)分类，红外线又可以分为近红外(波长范围780 nm—3 μm)、中红外(波长范围3—50 μm)以及远红外(波长范围50—1000 μm)。近红外作为电磁波谱的重要组成部分，应用范围十分广泛，包括军事上的航海、夜视、航空航天、武器探测以及民用的光通信、医疗成像、大气探测、污染检测以及气象学等。

图2 电磁波谱近红外光电探测的发展历史

1800年，英国科学家赫胥尔利用三棱镜将太阳光分解为不同颜色的光，并使其照射在不同的水银温度计上测试加热效果，发现位于红光外侧的那支温度计升温最快，由此发现了红外线。1917年，美国科学家盖斯首次利用光电导结构成功研制出了亚硫酸铊红外光子探测器。20世纪70年代，制冷型焦平面器件成为研究的热点。制冷型焦平面探测器上排列着阵列化的感光元件，从远处发射的红外线经过光学系统成像在感光元件阵列上，感光元件将光信号转换成电信号并加工处理，最终传送到终端形成图像。为了提高探测目标温度和背景温度之间的对比度，此类探测器需要制冷处理，称之为第二代红外探测技术。20 世纪 90 年代，红外技术正在经历第三次革命，以微测辐射热计和热释电探测器为代表的非致冷红外成像技术取得了重大突破。微测辐射热计通常由惠斯通电桥组成，电桥的两个臂是两条相同的薄铂条或者其他半导体材料。当其中的一条铂条或者半导体材料受到微弱辐射的照射时，其电阻会发生微小的变化，通过检测电阻的变化就可以计算出辐射量的大小。热释电探测器指的是能将温度的变化转换为电学信号的一类器件，由于红外线的热效应现象明显，所以该类器件的光—热—电转化效率很高。随着科学技术的不断发展，现阶段对近红外光电探测器性能的要求更加严格，低功耗、高灵敏度、易于集成和多元阵列化成为衡量光电器件的关键参数。近红外光电探测的分类及原理

近红外光电探测器根据不同的分类标准可以分为很多类型，常见的分类有：(1)按照探测的物理机制不同可以分为两大类：基于各种光电效应的光子探测器和利用温度变化实现探测的热探测器；(2)按照探测器的空间分辨率不同，分为非成像型光电探测器和成像型光电探测器；(3)按照探测材料尺寸的不同，分为体材料探测器、薄膜材料探测器和纳米材料探测器；(4)按照器件结构的不同，分为真空光电器件、光电导探测器、PN结探测器、PIN结光电探测器、雪崩二极管探测器、肖特基结探测器以及金属—半导体—金属结构探测器等。

光电效应又可以分为外光电效应和内光电效应。根据爱因斯坦光电效应方程式，当特定波长的光辐射到金属表面时，金属会吸收光子并发射电子，称之为外光电效应。内光电效应指的是，当特定波长的光辐射与半导体相互作用时，半导体内部受束缚的电子受到激发，从而改变半导体导电性能的物理现象。热电效应指的是受热物体中的电子随着温度梯度的变化由高温区往低温区移动时，所产生的电荷或者电流堆积的一种现象。

基于外光电效应的近红外光电探测器件一般多为真空光电器件，比如真空光电管、充气光电管、光电倍增管、像增强管以及摄像管等。此类器件的优点是具有很高的探测灵敏度和很快的响应速度，非常适合探测微弱光信号以及快速脉冲弱光信号。但是缺点也很明显，比如需要真空工作环境以及高压系统，这使得器件体积较大、使用起来不够灵活。另外，真空光电器件的性能还受到光阴极材料的限制。基于热电效应的近红外光电探测器利用近红外线的热效应来实现光—热—电的转换，所以该类光电探测器对波长的选择性较差。另外近红外线使得物体温度变化需要一定的时间，因此该类探测器的响应速度较慢。相比于前两种物理机制的光电探测器，基于内光电效应的近红外光电探测器种类繁多，例如光敏电阻、光电池、光电二极管、光电三极管、光电晶体管等。此类器件的特点是结构简单、体积小、探测灵敏度高、光谱选择性好以及响应速度快。

目前，近红外光电探测器的研究热点主要是半导体纳米材料光电探测器。所谓纳米材料，指的是尺寸大小在 1—100 nm之间的材料。1 nm是10 亿分之一米(10-9 m)，大约是人的头发丝直径(取值100 μm)的10万分之一。纳米材料的主要特点是尺寸小、表面能高、表面原子所占比例很大以及比表面积很大，因此具有和宏观材料迥然不同的物理性质，包括表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应以及宏观量子隧道效应。与基于体材料和薄膜材料的近红外光电探测器相比，纳米材料光电探测器的优势表现在：(1)纳米材料尺寸很小，符合光电子器件小型化、集成化的发展趋势；(2)当纳米材料的尺寸和与其相互作用的近红外光的波长相比拟时，会引发一些很奇特的光电现象；(3)纳米材料巨大的比表面积能够吸收更多的近红外辐射，这是将近红外光转化为电信号的基础；(4)纳米材料由于尺寸小使得探测器件中的电荷传输时间大大减少，这将在很大程度上提高探测器的响应速度；(5)纳米材料的电阻大，其光电器件的暗电流一般能控制在纳安级别甚至更小。近红外光电探测器的商品化产品