半导体红外技术

我所了解的半导体红外技术计算机学院微电子专业 姓名：薛召召一、 红外的介绍牛顿用三棱镜得到太阳光谱后，经过了一百多年的，英国天文学家威•赫谢尔在1800年研究太阳光谱部分的热效应实验中，发现产生热效应的最大位置是在可见光谱的红外端，当时称作“看不见的光”，到1835年安培将它称作红外线。红外线也是一种电磁波，它的波长在0.75〜1000之间。在军事、太空、工业技术等不同的研究领域中，根据红外辐射的产生机理、传输特征和探测方法的不同，并考虑到红外线在大气中传输的特定窗口(即对应的地球大气层中透明的波段)，一般分为四个领域。即近红外区(0.75〜3^m)、中红外区(3.0〜6.0^m)、远红外区(6.0〜15^m)和极远红外区(15〜1000^m)。红外线除具有电磁波的一般性质外，还有一些特殊的性质。首先，由于红外线不能直接引起人眼的视觉效应，而且它的波长又与可见光相近，因此使用红外辐射光源就具有较好的隐蔽性。其次，在自然界中，一切温度高于0K的物体都要随其温度的不同而辐射出不同温度的红外线，因此对红外辐射强度的测量和分析就成为一种普遍适应的探测物体温度分布的方法。另外，红外线中的某几个特定波长在大气中有很好的穿透性。正因为红外线具有上述特性，使得红外线在军事和民用等各个领域有着重要的应用。我想在此对我所知道的红外线性质和应用做一些介绍。二、 热辐射的基本定律当电磁波投射到不透明的物体上时，一部分能量会被吸收，另一部能量分则从表面上反射。物体表面情况(如颜色和粗糙度等)不同，吸收辐射能量的本领也不同。从日常经验知道，深色衣服比浅色衣服能吸收更多的辐射能，而浅色的衣服则比深色的衣服能反射较多的辐射能。若物体表面再任何温度下都能完全吸收投射到它上的各种波长的电磁波而无反射的存在，则称这种物体为绝对黑体，简称黑体。黑体的概念是I860

图1黑体的空隙模型图1黑体的空隙模型而投射到小孔上的辐射实际上被完全吸收。白天我们看到远方的窗户都是黑暗的，而且越小越是黑暗，正是这个原因。上述空腔模型不仅在理论上具有重要意义，而且也是实验中和工程技术上设计制造黑体辐射源的依据。黑体除了全部吸收外来辐射外，还可以向外发射电磁波。在适当的温度下它能向外辐射可见光而呈现明亮的颜色。因此，切莫因“黑体”这个命名而误认为它必定是黑色的。例如，炼钢炉的小孔，点火前呈黑色，点火后就逐渐变为红色，快出钢时则变为黄色，而且显得特别的明亮。设想一个物体，一方面它吸收外来的辐射；另一方面，它还向外发射热辐射。如果物体对热辐射的吸收大于反射，它的温度会升高；如果发射的辐射多与吸收，那么它的温度会下降。显然，物体达到热平衡时，它在单位时间内对热辐射的吸收必定等于单位时间对热辐射的发射，这是一个动态平衡的状态。综上所述，可知在温度相同的套件下，吸收热辐射能力强的物体，发射热辐射的能力也必定很强。显然，黑体发射热辐射的能力极强。从上面的讨论还可以看出，研究物体对热辐射的发射与研究物体对热辐射的吸收有同等的意义。三、辐射测温黑体与实际物体的热辐射与温度都有关，因此可以利用他们之间的关系测量温度。这种测温技术称为辐射测温。1.利用斯特潘一玻尔兹曼定律测温图2所示是一种辐射高温计的原理图。黑体B发出的辐射，经透镜L会聚到热电偶的C端，C点温度升高就产生温差电动势，因而在电流计G中有电流通过，电流计的指示能反映出热电偶接收到辐射功率的数值，利用斯特潘一玻尔兹曼定律公式即可计算出黑体的温度。制造此高温计时，已经在电流计的刻度盘上标出

了温度值，所有测量时可以直接读出待测的黑体温度。如果待测物体时灰体，用这种辐射高温计测得的温度称为物体的辐射温度。所谓的辐射温度就是待测物体与等面积黑体发射相同辐射功率是的黑体温度，用Tt表示辐射温度，T表示物体的实际温度，由于M（T）=Mb（T）所以有得到 T=£-4TT因为8<1，所以物体的实际温度T要高于其辐射温度Tt。图3所示装置称为隐丝光学高温计。它具有使用方便、灵敏度高、测量范围广的优点。已知灯丝回路中的电流与灯丝亮度的关系，让待测温度的辐射源（例如高温熔体及各类高温炉的小孔）成像在灯泡的灯丝上，然后调节灯泡的电流，直到等死在辐射源所成的像的背景上看不到为止。这意味着辐射源与灯丝在某一波长上（一般为0.66皿的红光）附近亮度相同。理论推得，黑体亮度L与其辐射出的Mb（T）关系为L=M(T)Q—TL=M(T)Q—T4兀 兀图3隐丝光学高温计简图根据灯丝的电流可知辐射源的亮度值，从而有上式可得（也可以自动显示）其温度值。2.利用维恩移位率测温度利用图2所示装置也可以来测量温度。利用这种装置制造的温度测量仪器叫

做色温计。测量时，转动平行光管L2找出单色辐射功率最大时的波长，利用维恩位移公式即可得到待测的黑体温度。如果待测的物体不是黑体，利用这种色温计测得的温度为色温度，是指待测物体与黑体具有相同的波普成分是黑体的温度。由此可见，待测物体时灰体，测得的色温度可看成是它的实际温度。待测物体的热辐射波普曲线若偏离黑体的波普曲线，色温度将于物体的实际温度有差别。辐射温度的突出特点是温度计无需与待测物体接触，所以这种测温又称非接触测温。非接触测温可用于测量冶炼炉内的高温，以及等离子体、受控热核反应等超高温，还可以用于远距离测量、探测。四、红外探测器红外探测器就是红外辐射的接收装置。凡是能把入射的红外辐射能量转变为另一种便于测量的物理量的装置就叫做红外探测器。因为电学量更容易精确测量，所以，一般的红外探测器总把红外辐射量转换为电学参量（电压、电流或电阻），这些电学量成为反应量。红外探测器的种类繁多，对它们的分类方法也各不相同，较多的是按探测过程机理，根据红外辐射的热效应和光效应，将红外探测器分外两大类，即热敏探测器和光电探测器。热敏探测器图4热敏探测器图4热敏探测器按工作原理的不同热敏探测器可以分为：金属或半导体热敏电阻型、温差热电偶和热电阻堆型、热释电型、气动探测型。光电探测器（光子探测器）光电探测器是利用材料的光电效应而制成的。探测器件吸收电子后，电子的状态发生改变，从而引起电子能量的变化。光电效应主要分三种不同的形式：外光电效应、内光电效应和障层光电效应（光生伏特效应）。五、 红外技术的应用60年代以来，红外技术已经成为一门发展迅速并日益成熟的新兴技术。它的应用已经深入到军事、农业生产、医疗和科学研究等各个不同领域。另外，红外技术也是发展遥感技术和空间技术的重要手段。可见它的应用十分的广泛，有着非常广阔的前景。下面我只想介绍几个主要的应用。红外遥感技术红外遥感技术就是利用红外辐射在离目标很远的距离上进行观测。一般采用两种方法：一种是红外辐射与目标物体相互作用后携带有关目标信息，在借助仪器设备接收这些信息；另一种是直接探测遥远地方目标的热辐射，从而得到目标信息。红外遥感的优点是不借助太阳光，所以能够昼夜工作，而且红外波段比较宽，能得到较多的目标物信息。但探测器的灵敏度比较差，不可能得到像可见光照相那样高的分辨率，另外，红外辐射不能透过云层，处于云层覆盖下的地方将不能去探测。红外遥感技术在气象方面和地图测绘都取得了比较好的成果。红外技术在军事上的应用在军事活动中应用红外技术已经被各国军队所重视，主要是因为红外技术具有许多独特的对军事行动有利的优点。例如，红外辐射具有很好的隐蔽性，不像使用可见光那样容易暴露目标，因而保密性更好，利用目标背景辐射的差异比较容易识别各种军事目标，尤其是伪装目标。当然，它的缺点是受云雾的影响较大，有些红外装备在恶劣的气象条件下几乎不能工作，需要与其它的技术装备配合使用。在军事行动中，红外技术主要有这么几个应用：红外夜视、红外侦察、红外制