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| 內容簡介： |
介绍红外探测器的工作原理、性能指标、特点和分类，详细介绍测辐射热计、热电偶和热电堆、热释电探测器等热探测器，非本征型、光电导型、光伏型、量子阱型、量子点型以及多色探测器等光子探测器。
|
| 目錄：
|
第1章 绪论 1
1.1
红外探测器的分类 1
1.1.1 热探测器 1
1.1.2 光子探测器 3
1.1.3 辐射场探测器 5
1.1.4 热探测器与光子探测器的比较 5
1.2
红外探测器性能参数
6
1.2.1 主要工作条件 6
1.2.2 主要性能参数 7
1.2.3 多元及焦平面探测器品质参数 14
1.3
噪声源 18
1.3.1 探测器噪声 18
1.3.2 背景辐射光子噪声 22
1.3.3 放大器噪声 24
1.4
红外光学材料与红外探测器制冷器
24
1.4.1 红外光学材料 24
1.4.2 红外探测器制冷器 26
1.5
红外探测器的发展简史
30
1.5.1 早期热探测器的发展 30
1.5.2 早期光子探测器的发展 31
1.5.3 现代红外探测器的发展 31
参考文献 35
第2章 热探测器基本理论 36
2.1
热探测器的工作原理
36
2.1.1 基本工作模式 37
2.1.2 基本工作原理 37
2.2
热辐射探测器的噪声
39
2.3
热探测器的比探测率 41
2.4
噪声等效温差 43
参考文献 45
第3章 测辐射热电偶和热电堆 46
3.1
热电偶的基本工作原理
46
3.1.1 温差电效应 46
3.1.2 测辐射热电偶 49
3.2
热电材料 51
3.2.1 材料品质因子Z 51
3.2.2 典型热电材料 53
3.3
典型测辐射热电堆红外探测器
55
3.3.1 薄膜型热电堆探测器 55
3.3.2 微机械热电堆探测器 55
参考文献 59
第4章 测辐射热计 61
4.1
热敏电阻 61
4.2
测辐射热计的工作原理
63
4.2.1 零偏置条件 64
4.2.2 直流偏置条件 64
4.2.3 脉冲偏置条件 67
4.3
测辐射热计的性能分析
68
4.3.1 响应度 68
4.3.2 噪声分析 70
4.4
典型测辐射热计 72
4.4.1 金属测辐射热计 72
4.4.2 半导体测辐射热计 73
4.4.3 微机械室温测辐射热计 75
4.4.4 复合测辐射热计 78
4.4.5 超导测辐射热计 79
参考文献 84
第5章 热释电探测器 85
5.1
热释电体和铁电体
85
5.1.1 热释电效应 86
5.1.2 铁电效应 87
5.1.3 热释电材料的基本参数 88
5.1.4 铁电材料用于红外探测的两种工作模式 93
5.2
热释电探测器的工作原理
95
5.2.1 热释电探测器的响应度 95
5.2.2 热释电探测器的噪声 103
5.2.3 噪声等效功率和比探测率 107
5.2.4 外部环境影响及补偿措施 110
5.3
典型热释电探测器
111
参考文献 113
第6章 其他热探测器 114
6.1
二极管测辐射热计
114
6.1.1 二极管电压温度系数 114
6.1.2 二极管测辐射热计的性能参数 116
6.2
双材料微悬臂梁热探测器
116
6.2.1 热力学模型 117
6.2.2 电读出式微悬臂梁热探测器 118
6.2.3 光读出式微悬臂梁探测器 124
6.3
微机械高莱盒红外探测器
127
6.3.1 高莱盒的热致形变 127
6.3.2 电容读出式高莱盒 129
6.3.3 隧道电流读出式高莱盒 132
参考文献 137
第7章 光电导探测器 138
7.1
半导体中的光生载流子
138
7.1.1 半导体中的光吸收
138
7.1.2 半导体中光生载流子的产生 144
7.1.3 非平衡载流子的复合 145
7.1.4 半导体中光生载流子的输运 149
7.2
本征光电导探测器
151
7.2.1 光电导探测器的响应度 152
7.2.2 光电导探测器的噪声和比探测率 157
7.2.3 影响光电导探测器性能的因素 162
7.2.4 典型本征光电导探测器 166
7.3
杂质光电导探测器
177
7.3.1 杂质光电导探测器的响应度 178
7.3.2 噪声和比探测率 183
7.3.3 典型非本征光电导探测器 184
7.4
受阻杂质带红外探测器
187
7.4.1 BIB 器件结构 187
7.4.2 工作原理 188
参考文献 190
第8章 光伏探测器 191
8.1
PN结的基本特性
191
8.1.1 PN结的基本结构
191
8.1.2 平衡状态下的PN结 191
8.1.3 PN结电流-电压特性 194
8.1.4 PN结电容 195
8.2
PN结光伏探测器的工作原理
196
8.2.1 PN结的光生电流 197
8.2.2 光照下PN结的I-U特性 202
8.2.3 光伏探测器的响应度 205
8.2.4 光伏探测器的噪声 208
8.2.5 光伏探测器的比探测率 209
8.2.6 光伏探测器的R0Ad 210
8.2.7 光伏探测器的响应时间 212
8.3
PIN光电二极管
215
8.3.1 PIN光电二极管的量子效率 217
8.3.2 PIN光电二极管的响应时间 217
8.4
雪崩光电二极管
220
8.4.1 PN结雪崩倍增效应 220
8.4.2 雪崩光电二极管的特性 222
8.5
肖特基势垒光电二极管
225
8.5.1 金属和半导体的接触电势差 226
8.5.2 金属半导体接触整流 227
8.5.3 肖特基势垒光电二极管工作原理 229
8.6
金属-绝缘体-半导体光电二极管
234
8.6.1 MIS结构的表面电场效应 234
8.6.2 MIS结构的非平衡态特性 238
8.6.3 MIS结构的电容 240
8.6.4 MIS型红外探测器工作原理 241
8.7
典型光伏探测器
245
8.7.1 InGaAs光电二极管 246
8.7.2 InAs、InAsSb和InSb光电二极管 250
8.7.3 HgCdTe光伏探测器 253
参考文献 255
第9章 光电磁探测器、磁聚集探测器和丹倍探测器 257
9.1
光电磁探测器 257
9.1.1 光电磁效应 257
9.1.2 PEM探测器的性能参数 260
9.1.3 典型PEM探测器 263
9.2
磁聚集探测器 265
9.2.1 EMCD探测器中的电流分布 266
9.2.2 光照下的信号电流 267
9.2.3 EMCD探测器的性能分析 269
9.3
丹倍探测器 271
9.3.1 丹倍电势差 271
9.3.2 电压响应度和比探测率 272
9.3.3 丹倍探测器性能分析 274
9.4
光子牵引探测器 276
参考文献 278
第10章 天线耦合探测器 280
10.1 天线的基本概念 280
10.2 天线耦合热电偶 282
10.3 天线耦合测辐射热计 285
10.4 天线耦合金属-氧化物-金属二极管 289
参考文献 293
第11章 量子结构红外探测器 295
11.1 低维量子结构的基本概念 295
11.1.1 超晶格 295
11.1.2 量子阱 297
11.1.3 量子点 299
11.2 量子阱红外探测器 300
11.2.1 基本组成 301
11.2.2 探测机理 301
11.2.3 主要类型 303
11.2.4 性能表征 305
11.2.5 光伏型量子阱红外探测器 311
11.2.6 典型量子阱红外探测器 313
11.3 量子点红外探测器 316
11.3.1 量子点红外探测器结构 316
11.3.2 量子点红外探测器光电转化机理及性能参数 319
11.3.3 量子点红外探测器的特性优势 322
11.4 超晶格红外探测器 324
11.4.1 超晶格材料的特点 324
11.4.2 典型超晶格红外探测器 326
11.5 多色多波段探测器 327
11.5.1 基本结构及原理 327
11.5.2 典型多波段探测器 328
参考文献 334
第12章 红外焦平面阵列 335
12.1 多元红外探测器与红外焦平面阵列 335
12.1.1 红外焦平面阵列的特点 336
12.1.2 红外焦平面阵列的分类 336
12.2 固体成像器件工作原理 340
12.2.1 电荷耦合器件 341
12.2.2 电荷耦合成像器件 351
12.2.3 CMOS成像器件 362
12.3 热探测器焦平面阵列 372
12.3.1 热电堆焦平面阵列 372
12.3.2 微测辐射热计焦平面阵列 380
12.3.3 热释电焦平面阵列 397
12.3.4 新型非制冷焦平面阵列 407
12.4 光子探测器焦平面阵列 429
12.4.1 非本征硅、锗焦平面阵列 429
12.4.2 肖特基势垒焦平面阵列 430
12.4.3 InGaAs焦平面阵列 432
12.4.4 InSb焦平面阵列 435
12.4.5 HgCdTe焦平面阵列 438
12.4.6 铅盐焦平面阵列 445
12.4.7 新型光子探测器焦平面阵列 447
参考文献 458
|
| 內容試閱：
|
红外探测器是红外技术的核心，它的发展引领着红外技术的发展。近半个世纪以来，特别是近30多年，以红外探测器为核心的红外技术得到了迅速发展，一方面其应用领域大大拓宽，在军事、科学、工农业生产、医疗卫生等领域以及日常生活方面都得到了广泛应用；另一方面，红外探测器本身的创新也层出不穷，各种新型材料及新型探测器被发现、发明，经历了从第一代、第二代向第三代探测器技术演进的过程。目前，红外探测器已经进入了以大规模、高分辨率、多波段、高集成、轻型化和低成本为特征的第三代焦平面时代。红外探测器是一种辐射能转换器件，其原理是将红外辐射能转换为可以测量的热能、电能等不同形式的能量。依据能量转换方式或红外辐射与物质相互作用效应的不同，可以将红外探测器分为热探测器和光子探测器两个主要大类。第一类热探测器包括测辐射热电偶和热电堆、测辐射热计、热释电探测器、气动探测器以及双材料探测器等；第二类光子探测器包括光电导探测器、光伏探测器、光电磁探测器以及量子阱、量子点和超晶格探测器等。同时，还有一类不太被关注的辐射场耦合探测器。对于种类繁多的红外探测器，还可根据其使用条件、作用波段、结构特征和制作材料等进行进一步的划分，如根据工作温度，可分为低温探测器、中温探测器和室温探测器；根据响应波长范围，可分为短波红外、中波红外、长波红外、双色多色红外探测器；根据结构和用途，可分为单元探测器、多元探测器和阵列成像探测器；根据制作材料，可分为热敏材料、窄带半导体红外探测器等。
对于红外探测器性能好坏的判定，需要根据其工作原理和使用条件来定义一些指标参数，这些参数应该能描述红外探测器的主要特性：输入输出特性、转化特性（量子效率）、光谱特性、响应速度（时间常数），以及工作条件等。同时，这些性能参数也可用来衡量红外探测器的发展水平，指导使用者根据系统需求从市场中选择所需要的红外探测器。
近几十年来，
新材料、新结构、新工艺不断涌现，红外探测器得到了快速发展，使红外探测器从概念到性能都有了重大突破，并且随着理论和技术的不断进步，一些新的原理将被提出，一些古老的物理效应将被拓展，新型的红外探测器将一个个地出现在人们面前。为了使学生们全面掌握红外探测器的基本工作原理，同时使相关研究人员了解红外探测器的研究水平和未来发展，编者结合多年来的科研和教学体会，编写了本书。本书力求做到既注重基础，又具有一定的深度；既系统描述工作原理，又重点介绍典型器件。全书以器件性能参数为基础，对不同类型的红外探测器的组成结构、工作机理、材料特性、使用条件、发展水平等进行了全面描述和对比分析。同时，在每一章最后，都列举了最新的参考文献，使用者可根据需要进行必要的选择。
本书共十二章，第1章介绍红外探测器的基本知识、性能参数和发展历史；第2章讨论热探测器的基本理论，为后续描述不同类型的热探测器奠定必要的基础；第3章讨论测辐射热电偶和热电堆的基本工作原理，并介绍典型测辐射热电偶和热电堆的主要性能；第4章讨论几种不同类型的测辐射热计，并介绍典型测辐射热计的主要性能；第5章首先介绍材料的热释电性、铁电性等基本物理性质，然后讨论热释电红外探测器的工作原理，并介绍典型热释电红外探测器的主要性能；第6章讨论基于其他物理效应的热探测器，如二极管测辐射热计、双材料微悬臂梁热探测器，以及微机械气动红外探测器的工作原理和性能参数；第7章讨论本征光电导和杂质光电导红外探测器的工作原理，并介绍典型光电导红外探测器的主要性能；第8章讨论光伏型红外探测器，如PN结、肖特基势垒以及金属-绝缘体-半导体红外探测器的工作原理，并介绍典型光伏红外探测器的主要性能；第9章讨论光电磁、磁聚集和丹倍红外探测器的工作原理；第10章讨论天线耦合探测器（也称辐射场探测器）的基本工作原理；第11章对新型量子结构红外探测器，如量子阱、量子点以及超晶格红外探测器等进行了简单的介绍；第12章介绍了红外焦平面成像阵列的工作原理，并介绍了典型热探测器焦平面阵列、光子探测器焦平面阵列以及其他新型焦平面阵列的性能参数。
本书由张建奇执笔，刘红梅参与第11章内容的编写，全书校稿由刘鑫和王昱程完成。
本书在编写过程中得到了西安电子科技大学出版社、西安电子科技大学物理与光电工程学院红外技术系的教师和同学的支持与帮助，谨向他们表示诚挚的感谢。同时，本书在编写过程中，参考了大量的文献资料，在此向所有作者同仁深表谢意。尽管本书编写历经数年，几易其稿，但由于编者水平有限，难免有一些不妥之处，恳请读者批评指正。
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