红外探测器的工作原理是基于红外辐射与物质（材料）相互作用产生的各种效应。红外辐射有明显的热效应和光量子效应，红外探测器就是利用这两种效应工作的。因此，根据物理效应不同，可以分为两类，即热探测器和光子探测器。

一、热探测器

热探测器利用入射红外辐射引起敏感元件的温度变化，进而使其有关物理参数或性能发生相应的变化。通过测量有关物理参数或性能的变化可确定探测器所吸收的红外辐射。热探测器的换能过程包括热阻效应、热伏效应、热气动效应和热释电效应等，相应地可分为如下4类热探测器。

1.热敏电阻

热敏物质吸收红外辐射后，温度升高，阻值发生变化。阻值变化的大小与吸收的红外辐射能量成正比。利用物质吸收红外辐射后电阻发生变化而制成的红外探测器叫作热敏电阻。热敏电阻常用来测量热辐射，所以又常称为热敏电阻测辐射热器。

2.热电偶

把两种不同的金属或半导体细丝（也有制成薄膜结构）连成一个封闭环，当一个接头吸热后其温度和另一个接头不同，环内就产生电动势，这种现象称为温差电现象。利用温差电现象制成的感温元件称为温差电偶（也称热电偶）。用半导体材料制成的温差电偶比用金属制成的温差电偶的灵敏度高，响应时间短，常用作红外辐射的接收元件。

将若干个热电偶串联在一起就成为热电堆。在相同的辐照下，热电堆可提供比热电偶大得多的温差电动势。因此，热电堆比单个热电偶应用更广泛。

3.气体探测器

气体在体积保持一定的条件下吸收红外辐射后会引起温度升高、压强增大。压强增加的大小与吸收的红外辐射功率成正比，由此可测量被吸收的红外辐射功率。利用上述原理制成的红外探测器叫作气体（动）探测器。高莱管就是常用的一种气体探测器。

4.热释电探测器

有些晶体，如硫酸三甘肽、钽酸锂和银酸银钡等，当受到红外辐照时，温度升高，在某一晶轴方向上能产生电压。电压大小与吸收的红外辐射功率成正比。利用这一原理制成的红外探测器叫作热释电探测器。

除了上述4种热探测器外，还有利用金属丝的热膨胀、液体薄膜的蒸发等物理现象制成的热探测器。

热探测器是一种对一切波长的辐射都具有相同响应的无选择性探测器。但实际上对某些波长的红外辐射的响应偏低，等能量光谱响应曲线并不是一条水平直线，这主要是由于热探测器材料对不同波长的红外辐射的反射和吸收存在着差异。镀制一层良好的吸收层有助于改善吸收性能，增加对于不同波长响应的均匀性。此外，热探测器的响应速度取决于热探测器的热容量和散热速度。减小热容量，增大热导，可以提高热探测器的响应速度，但响应率也会随之降低。

二、光子探测器

光子探测器利用某些半导体材料在红外辐射的照射下，产生光子效应，使材料的电学性质发生变化。通过测量电学性质的变化，可以确定红外辐射的强弱，即光子探测器吸收光子后发生电子状态的改变，从而引起几种电学现象，这些现象统称为光子效应。测量光子效应的大小可以测定被吸收的光子数。利用光子效应制成的探测器称为光子探测器。光子探测器有下列4种。

1.光导型探测器

在探测器两端电极间加一个偏压，便将产生的载流子变成光电流，完成光电转换，这种工作方式称为光电导效应，这类探测器件称为光导器件，人们又将光导型探测器称为光敏电阻。入射光子激发均匀半导体中价带电子越过禁带进入导带并在价带留下空穴，引起电导增加，本征光电导从禁带中的杂质能级也可激发光生载流子进入导带或价带，称为杂质光电导，截止波长由杂质电离能决定。量子效率低于本征光导，而且要求更低的工作温度。

光导型探测器可分为单晶型和多晶薄膜型两类。多晶薄膜型光导型探测器的种类较少，主要的有响应于1～3 μm波段的PbS探测器和响应于3～5 μm波段的PbSe探测器。单晶型光导型探测器，早期以锑化铟（InSb）为主，只能探测7 μm以下的红外辐射，后来发展了响应波长随材料组分变化的硫镉汞和硫锡铅三元化合物探测器。掺杂型红外探测器主要是锗、硅和锗硅合金掺入不同杂质而制成的，响应波段为3～5 μm和8～14 μm。(www.daowen.com)

2.光伏型探测器

利用光伏效应制成的红外探测器称为光伏探测器（简称PV器件）。

如果在灵敏材料中构成P-N结，光子便在P-N结附近产生电子-空穴对，结区电场使两类载流子分开，形成光伏电压，这就是光伏效应。这类探测器称为光伏器件。由于PN结本身已提供了偏压，光伏型探测器不需要外加偏压。

与光导型探测器相比，光伏型探测器背景限探测率要大40％；不需要外加偏置电场和负载电阻，不消耗功率；有高的阻抗。这些特性给制备和使用焦平面列阵带来很大好处。

3.光发射-肖特基势垒探测器

金属和半导体接触，由于它们的功函数不同，半导体表面能带发生弯曲，在界面形成高为ψm的肖特基（Schollkey）势垒。作为探测器的Schollkey势垒，典型的有PtSi/Si结构，形成Schollkey势垒，通常以Si为衬底淀积一薄层金属化的硅化物而成结。红外光子（其能量小于硅禁带宽度Eg）透过Si为硅化物吸收，低能态的电子获得能量跃过费米（Fermi）能级并留下空穴。这些“热”空穴只要能量超过势垒高度，进入硅衬底，即产生内光电发射，截止波长取决于势垒高度ψm；聚集在硅化物电极上的电子被PtSi收集转移到CCD读出电路，完成对红外信号的探测，其工作原理如图9-2所示。

图9-2　肖特基势垒探测器工作原理

此类探测器一般都要与Si读出电路（CCD）联合制成红外焦平面，因此正好利用了成熟的Si大规模集成技术，这也正是选用硅和硅化物的原因。研制较多的有PtSi/Si、IrSi/Si和GexSi1-x/Si等几种类型。

由于量子效率低，如PtSi/Si的波长在3 μm，量子效率η仅有1％，而且随波长增加而减小到5 μm，η只有0.1％，即使采用衬底后镀抗反膜形成光学谐振腔也不会超过2％，因此只有做成大的二维列阵，提高灵敏度和分辨率才有实用价值。由于充分利用了大规模Si集成电路技术，所以具有有利于制备、成本低、均匀性好等优点，可做成大规模（1024×1024甚至更大）焦平面列阵来弥补量子效率低的缺陷。由于要求在77 K甚至更低温度工作，使其应用受到限制。

4.量子阱探测器

随着凝聚态物理和低维材料生长技术的进展，器件尺寸不断缩小，量子效应明显，出现了一批新原理红外探测器。

将两种半导体材料薄层A和B，用人工的办法交替生长形成超晶格结构，如图9-3所示，在其界面能带有突变，形成势垒和势阱；突变被限制在低势能阱内，因势阱内能量是量子化的，故称为量子阱。利用量子阱中能级电子的跃迁原理和共振隧道效应可以做成红外探测器，即量子阱探测器。现代晶体生长技术如分子束外延和金属有机化学气相淀积生长薄膜，可以精密控制组成成分、掺杂和厚度，多层交替淀积便可形成量子阱和超晶格，促进了这类探测器迅速发展。

图9-3　超晶格及其能带

量子阱探测器存在以下缺点：

（1）入射电磁波辐射到N型多量子阱表面，只有垂直于超晶格生长面的电场分量起作用，这是由量子力学的选择定则所决定的，可见并非所有辐射都有用。为提高利用率，要求入射辐射有一定的入射角（斜入射或光栅结构），增加了结构和制备的复杂性。

（2）属非本征激发，需要掺杂以增加阱中基态电子浓度，因此受外延生长技术的限制。

（3）需在液氮或更低温度工作。

（4）阱内能带窄，响应光谱较窄，对热目标探测不利。