1.1.2　制冷红外焦平面探测器的工作原理

不同类型的目标发出的红外光有其特定的波段，因此可以利用特定波段的红外探测器对目标进行探测。探测人眼不可见的红外光并将其转换为可识别的图像的技术就是红外探测技术。按照红外芯片工作温度的不同，可将红外探测器分为制冷型和非制冷型。制冷红外探测器因其高灵敏度、低噪声、等效温差等特性，在高精度、高分辨率观测及弱光环境中，相对于非制冷红外探测器具有优势，在军事、安防等领域得到广泛应用。

制冷红外焦平面探测器的工作原理是利用入射光子流与探测器材料的电子之间的相互作用。由于入射的光子产生内光子效应，因此制冷红外焦平面探测器也称红外光子探测器。制冷红外焦平面探测器的核心部件是红外焦平面芯片，一般由红外焦平面阵列和读出电路两部分组成，如图1-4所示。按照红外焦平面阵列不同的工作原理，可将制冷红外焦平面探测器简单分为基于光电导效应的光导型探测器和基于光伏效应的光伏型探测器。

利用半导体材料的光电导效应制成的探测器称为光导型探测器，简称PC探测器。所谓光电导效应，就是由于入射光辐射，使材料产生本征吸收或杂质吸收，从而引起电导率发生改变的物理现象。光导型探测器是目前种类最多、应用最广泛的一类制冷红外探测器。半导体器件工作时，通常要对其附加外部影响（如光场、电场、磁场等），然后观察半导体中载流子的产生、扩散、漂移、复合等过程所产生的结果，如电压、电流等。

图1-4　制冷红外焦平面探测器结构示意图[5]

光伏型探测器简称PV探测器，一般由半导体pn结构成。其工作原理是利用结的内建电场将光生载流子扫出结区，形成信号（若光子的能量大于或等于半导体的禁带宽度，则价带中的电子吸收光子进入导带，形成电子-空穴对）。在探测器受到光照时，产生正、负电荷的光生载流子会向相反方向运动，形成电信号，从而产生光伏效应。除了pn结，能够产生光伏效应的结还有肖特基势垒结、金属-绝缘体-半导体结等，使用不同的结，可以制成不同类型的光伏型探测器。

PC探测器是有选择性响应波长的，只有当入射光子能量大于光敏材料中的电子激活能时，才有响应。对于PV探测器和本征光导型探测器，电子的激活能等于半导体的禁带宽度；对于非本征PC探测器，电子激活能等于杂质电离能。由于禁带宽度和杂质电离能这两个参数都有较大的选择余地，因此，PC探测器的响应波长可以在较大范围内进行调节。例如，用本征锗做成的PC探测器，对近红外辐射敏感；而用掺杂质的锗做成的PC探测器，既能对中红外辐射敏感（如锗掺汞探测器），也能对远红外辐射敏感（如锗掺镓探测器）。

当制冷红外焦平面探测器工作于极低的温度条件下时，红外焦平面芯片的背景噪声小、暗电流小，探测率高、响应速度快。制冷机是维持制冷红外焦平面探测器低温工作环境、保证探测器功能正常、提高探测器灵敏度和分辨率的重要部件。目前，应用于制冷红外焦平面探测器的制冷机主要是斯特林制冷机。图1-5所示为旋转式斯特林制冷机，它主要由驱动控制器、直流无刷电动机、传动机构和膨胀机组成。斯特林制冷机是利用逆斯特林循环工作的制冷机，无高压供电系统，具有结构紧凑、工作温度及制冷范围宽、启动快、效率高、操作简单等优点。

图1-5　旋转式斯特林制冷机