Технология инфракрасного тепловидения основана на современных сенсорных материалах для обнаружения и отображения тепловых сигнатур. Эти материалы обычно подразделяются на охлаждаемые и неохлаждаемые детекторы, каждый из которых обладает уникальными преимуществами в чувствительности, диапазоне и пригодности для применения. В этой статье подробно рассматриваются ведущие чувствительные материалы для инфракрасного обнаружения, включая как фотонные, так и тепловые детекторы.
Материалы охлаждаемых инфракрасных детекторов: MCT, TSL, QWIP, II-SL и QDIP
Охлаждаемые инфракрасные детекторы работают при низких температурах, чтобы минимизировать шум, достигая высокой чувствительности. Они используют фотонные материалы, такие как ртутно-кадмиевый теллурид (MCT), структуры сверхрешетки типа II (TSL), инфракрасные фотодетекторы с квантовыми ямами (QWIP), инфракрасные фотодетекторы с квантовыми точками (QDIP) и сверхрешетки II (II-SL) для обнаружения инфракрасного излучения.
Теллурид ртути и кадмия (MCT или HgCdTe): MCT — это полупроводниковый материал с прямой запрещенной зоной, который охватывает широкий диапазон длин волн (1–30 мкм) путем регулирования своего атомного состава. Его высокая эффективность поглощения и квантовая эффективность (часто выше 80%) делают его высокочувствительным к инфракрасному свету. Однако детекторы MCT сложно производить, особенно для длин волн более 12 мкм, требуя сложных производственных технологий для достижения низких темновых токов и уровней шума.
Инфракрасные фотодетекторы с квантовыми ямами (QWIP): QWIP используют структуры с квантовыми ямами, состоящие из небольшого количества слоев, для эффективного обнаружения инфракрасного излучения. Хотя QWIP обеспечивают стабильную производительность и коммерчески жизнеспособны для определенных длинноволновых приложений, они имеют ограниченную квантовую эффективность и реагируют только на свет, параллельный плоскости роста.
Сверхрешетки типа II (II-SL): II-SL на основе InAs/GaSb предлагают настраиваемые запрещенные зоны, охватывающие широкий диапазон от средних до очень длинных волн инфракрасного диапазона (3–30 мкм). Используя технологию полупроводников III-V, II-SL известны высокой однородностью материала и согласованностью устройства, что делает их перспективным вариантом для производства матриц фокальной плоскости, особенно для длинноволновых приложений.
Инфракрасные фотодетекторы на квантовых точках (QDIP): QDIP, состоящие из наноструктурированных квантовых точек, предлагают возможности многоспектрального обнаружения и хорошо подходят для определенных нишевых приложений в инфракрасной визуализации.
Материалы неохлаждаемых инфракрасных детекторов: оксид ванадия (VOx) и аморфный кремний (α-Si)
Неохлаждаемые инфракрасные детекторы работают при комнатной температуре, что делает их более экономичными и доступными, чем охлаждаемые альтернативы. Основными материалами для неохлаждаемых инфракрасных датчиков являются оксид ванадия (VOx) и аморфный кремний (α-Si).
Оксид ванадия (VOx): детекторы VOx широко используются благодаря их превосходной производительности эквивалентной разности температур шума (NETD), что способствует превосходной чувствительности и точности. Хотя изготовление детекторов VOx может быть более сложным, они обеспечивают высокую производительность при обнаружении мельчайших изменений температуры, что делает их идеальными для высокоточной тепловизионной визуализации.
Аморфный кремний (α-Si): α-Si проще производить в больших объемах по сравнению с VOx, что помогает снизить затраты. Однако VOx превосходит α-Si по NETD и чувствительности, что делает его предпочтительным в высокотехнологичных приложениях, где точность имеет решающее значение.
История и эволюция инфракрасных детекторов
Развитие инфракрасных детекторов было отмечено несколькими научными прорывами с начала 19 века:
1829: Л. Нобили разработал термоэлектрический инфракрасный детектор с использованием термопар из висмута (Bi) и сурьмы (Sb), что стало важной вехой, которая привела к изобретению термобатареи.
1880: Сэмюэл П. Лэнгли изобрел болометр, который измеряет излучение с помощью изменений сопротивления металлов в зависимости от температуры, заложив основу для современных микроболометров, используемых в неохлаждаемых инфракрасных детекторах.
1940–1960-е годы: Инновации в области полупроводниковых материалов привели к созданию новых инфракрасных детекторов, включая антимонид индия (InSb) и сульфид свинца (PbS). К 1960-м годам появился оксид ванадия (VOx) с высокими коэффициентами сопротивления-температуры, что определило его роль в неохлаждаемых инфракрасных приложениях.
