第一部分　红外与太赫兹探测基础
　　第1章　辐射度量学
　　本章将讨论在书中会使用的一些概念。辐射度量计算是探测器性能及信号/噪声水平评价时必须用到的工具。辐射度量学（mdiometry）这个词不只是描述了电磁辐射能量的感知与测量，也可普遍用于从一个物体或表面到其他物体或表面通过辐射方式传递能量的预测与计算。辐射度量学的概念类似于光度学（photometric），光度学是采用人眼视觉作为探测器来对电磁辐射进行计量的，同时，这些概念又与光子（photon）的传输联系在一起，这些定义都是为了便于讨论这三者。
　　红外光谱区的波长在电磁波谱中长于可见光，短于毫米波，如图1.1所示。这样的分类起始于在不同波段所采用的不同的波源与探测技术。在红外光谱区内又可以根据通常适用的探测器的谱带限制划分为多个光谱区，如表1.1所示。1pm波长来自于常用的硅（Si）探测器的探测波长上限。3μm波长是硫化铅（PbS）和铟镓砷（InGaAs）的探测波长上限;6μm是锑化铟（nSb）、砸化铅（PbSe）、硅化铂（PtSi）及应用于3～5μm大气窗口的碲镉汞（HgCdTe）探测器的探测波长上限;15μm是应用于8～14μm大气窗口的碲镉汞（HgCdTe）探测器的探测波长上限。
　　红外探测器件的设计需要通过辐射度量学来深人理解目标所发射出的辐射，以及传输到探测器的辐射功率。对于红外系统整体所能实现的信噪比，这是一个至关重要的问题。
　　本章的讨论根据一些假设和近似做了简化。我们仅考虑非相干光源的辐射，忽略干涉效应。同时，我们做出类似于近轴光学中的小角度假设，在该假设下，一个角度的正弦值在数值上可以近似等于这个角度的弧度值。
　　本章还提供了一些辐射度量学的指导，详细信息可以参考文献。
　　1-1辐射度量学与光度学中的量和单位
　　辐射度量学是光物理学的一个分支，主要涉及的是频率为3x1013～3x1016Hz内的电磁波的测量，对应到波长，则覆盖了10nm～10的范围，包括了通常被称为紫外光、可见光及红外光的区间。辐射度量学所研究的是光的实际能量，而不是人类视觉系统所能感知的量。典型的辐射度量学单位包括辐射通量单位瓦特（W）、辐射强度单位瓦特/立体角（W/Sr）、辐射照度单位瓦特/米2（W/m2）和辐射亮度单位瓦特/（米2 立体角）[W/（m2 Sr）]。
　　光源的强度*早是通过观察光源的亮度来获得的。随着科技的发展，人们认识到人眼所能感受到的亮度，不仅和光的实际能量相关，也与波长和颜色相关。从明亮的阳光到仅包含几个光子的闪烁，人眼可以感受到的光强跨越了11个数量级。
　　人眼视网膜包含两种类型的受体，称为视锥细胞和视杆细胞，它们可以产生神经冲动，并传递给后续的人类视觉系统进行处理。视锥细胞分布在整个视网膜上，在我们的视觉中心（称为中心凹的区域）更密集，有助于人眼在视野中心实现高视觉敏锐度。视锥细胞负责我们的色彩感觉，视杆细胞分布在除了中心凹的整个视网膜上，负责夜间弱光下的黑白视觉。
　　相较于红蓝光，眼睛对黄绿光更为敏感。为了考虑这样的差异，对应于辐射度量学中的物理量，可以引人一系列新的量来描述可见光，根据人眼响应进行加权，将相应的数值乘以光谱响应函数八A），该函数也称为明视觉下的光谱照度系数。该函数定义在360～830nm的波长范围内，并将峰值处（555nm）的值定为1，进行归一化（图1.2）。7（A）反映了人眼对各种波长光的适当反应。这个函数*早由国际照明委员会（CommissionInternationaleder?clairage，CIE）于1924年设定[]，是不同年龄人群的平均反应。应该注意的是，F（A）函数的定义基于感知相加性的假设，以及在较高照度下2°视场角的测试条件，此时，视锥细胞起到主导作用。在非常弱的照度条件下，视杆细胞将起到主导作用，从而导致人眼的光谱响应产生较大偏差。对应于明视觉，这样的情况称为暗视觉。
　　光度学（photometric）是对人眼可感知的光辐射进行测量的一门学科。因为光度学仅涉及可见光波段，所有的量都是针对人眼的光谱响应进行折算的。典型的光度学单位包括光通量单位流明（m）光强度单位坎德拉（cd）、照度单位勒克斯（k）和亮度单位坎德拉/米2（cd/m2）。
　　光度学与辐射度量学中类似的物理量会具有不同的名称和单位。例如，功率在辐射度量学中称为功率或辐射通量，单位是瓦特（W），而在光度学中称为光通量，单位是流明（m）。国际单位制（SI）中规定了7个基本单位：米、千克、秒、安培、开尔文、摩尔和坎德拉。坎德拉是光度学中的发光强度或亮度，对应于辐射度量学中的辐射强度。流明是根据坎德拉定义的。表1.2列出了辐射度量学与光度学中对应的物理量、单位及换算关系。
　　辐射度量学的术语、符号、定义和单位经常容易引起混淆，这主要是由早期不同领域的研究人员在平行开展的辐射度量学工作中各自发展出自己的术语导致的。在阅读文献时需要特别注意这些问题。本章将采用国际标准和推荐术语进行描述。
　　1.2辐照度学中量的定义
　　辐射通量也称为辐射功率，定义为光源在单位时间内辐射的能量以单位为J）
　　（1.1）
　　辐射通量的单位为W。
　　辐射强度是指一个点光源在给定方向单位立体角内发射的辐射通量，可表示为
　　（1.2）
　　式中，d0为该光源发出的沿给定方向在一个立体角元dD内传播的辐射通量（图1.3）。辐射强度的单位为W/sr。
　　立体角用微分形式表示如式（1.3）所示，单位为球面度（r）：
　　（1.3）
　　如果采用图1.4中的球坐标系，并令d4=r2sin况糾～我们可以将半平面角为0max的一个平板所对应的立体角表示为
　　（1.4）
　　辐射照度是入射表面上某一点处的辐射通量，可以定义为通过单位面积的辐射量[图1.5（a）]，如下：
　　（1.5）

目录
第一部分　红外与太赫兹探测基础
第1章　辐射度量学　3
1.1　辐射度量学与光度学中的量和单位　4
1.2　辐照度学中量的定义　6
1.3　辐射亮度　8
1.4　黑体辐射　10
1.5　发射率　13
1.6　红外光学　15
第2章　红外系统基础　19
2.1　红外探测器市场　19
2.2　夜视系统的概念　21
2.3　热成像　25
2.4　制冷器技术　32
2.5　大气传输与红外波段　42
2.6　场景辐射与对比度　43
第3章　红外探测器的性能　45
3.1　现代红外探测技术的发展历史　47
3.2　红外探测器的分类　50
3.3　探测器工作温度　54
3.4　探测器的品质因子　56
3.5　探测率基本极限　58
第4章　红外探测器的基本性能限制　64
4.1　热探测器　64
4.2　光子探测器　72
4.3　光子和热探测器的基本限制比较　79
4.4　光子探测器的理论模型　83
第5章　红外辐射与探测器的耦合　87
5.1　标准耦合　87
5.2　等离激元耦合　89
5.3　陷光探测器　98
第6章　外差探测　103
6.1　外差探测理论　105
6.2　红外外差探测技术　108
第二部分　红外热探测器
第7章　热电堆　117
7.1　热电堆的基本原理与操作　117
7.2　品质因子　121
7.3　热电材料　123
7.4　微机械加工热电堆　126
第8章　测辐射热计　132
8.1　测辐射热计的基本工作原理　132
8.2　测辐射热计的类型　135
8.3　微加工室温测辐射热计　139
8.4　超导测辐射热计　147
8.5　高温超导测辐射热计　152
8.6　热电子测辐射热计　156
第9章　热释电探测器　161
9.1　热释电探测器的基本原理和操作　161
9.2　热释电材料的选择　167
9.3　探测器设计　176
9.4　热释电的视像管　178
第10章　气动探测器　179
10.1　高莱管　179
10.2　微机械高莱管型传感器　181
第11章　新型热探测器　183
11.1　新型非制冷探测器　183
11.2　热传感器的比较　196
第三部分　红外光子探测器
第12章　光子探测器的原理　201
12.1　光电导探测器　201
12.2　pn结光电二极管　222
12.3　pin光电二极管　239
12.4　雪崩光电二极管　242
12.5　肖特基势垒光电二极管　247
12.6　金属半导体金属光电二极管　252
12.7　MIS光电二极管　254
12.8　非平衡光电二极管　258
12.9　势垒型光电二极管　259
12.10　光电磁、磁聚及丹倍探测器　264
12.11　光子牵引探测器　270
第13章　本征硅和锗探测器　274
13.1　硅光电二极管　275
13.2　锗光电二极管　284
13.3　SiGe光电二极管　288
第14章　非本征硅和锗探测器　292
14.1　非本征光电导　292
14.2　非本征光电导技术　293
14.3　非本征光电导工作特性　295
14.4　非本征光电导的性能　296
14.5　阻挡杂质带器件　301
14.6　固态光电倍增管　306
第15章　光电发射探测器　308
15.1　内光电发射过程　308
15.2　肖特基势垒探测器截止波长的控制　315
15.3　肖特基势垒探测器的结构优化与制备　316
15.4　新型内光电发射探测器　317
第16章　Ⅲ-Ⅴ族探测器　321
16.1　Ⅲ-Ⅴ族窄禁带半导体的物理特性　321
16.2　铟镓砷光电二极管　331
16.3　二元Ⅲ-Ⅴ族光探测器　339
16.4　InAsSb光电探测器　357
16.5　GaSb基三元、四元合金光电二极管　365
16.6　新型锑基Ⅲ-Ⅴ族窄禁带光电探测器　368
第17章　碲镉汞探测器　371
17.1　碲镉汞探测器的历史　372
17.2　碲镉汞：技术和特性　374
17.3　碲镉汞的基本特性　383
17.4　俄歇过程主导的光探测器性能　397
17.5　光电导型探测器　400
17.6　光伏型探测器　414
17.7　势垒型光电二极管　454
17.8　其他Hg基探测器　457
第18章　Ⅳ-Ⅵ族探测器　463
18.1　材料制备与特性　464
18.2　多晶光电导探测器　476
18.3　pn结型光电二极管　481
18.4　肖特基势垒型光电二极管　489
18.5　非传统的薄膜光电二极管　496
18.6　可调谐振腔增强探测器　498
18.7　铅盐与HgCdTe器件的比较　500
第19章　量子阱红外光电探测器　503
19.1　低维固体：背景　503
19.2　多量子阱和超晶格　508
19.3　光导型量子阱红外光电探测器　516
19.4　光伏型量子阱红外光电探测器　531
19.5　超晶格微带QWIP　533
19.6　光耦合　534
19.7　相关器件　537
第20章　超晶格探测器　547
20.1　HgTe/HgCdTe超晶格　548
20.2　Ⅱ类超晶格　554
20.3　InAs/GaSb超晶格光电二极管　564
20.4　InAs/InAsSb超晶格光电二极管　573
20.5　器件钝化　575
20.6　Ⅱ类超晶格光电探测器中的噪声机制　578
第21章　量子点红外光电探测器　581
21.1　QDIP制备和工作原理　581
21.2　QDIP的预期优势　584
21.3　QDIP模型　585
21.4　QDIP的性能　590
21.5　胶体QDIP593
第22章　红外势垒型光电探测器　596
22.1　短波红外势垒型探测器　596
22.2　铟砷锑势垒型探测器　597
22.3　铟砷/镓锑Ⅱ类势垒型探测器　600
22.4　势垒型探测器与HgCdTe　光电二极管的比较　606
第23章　级联红外光电探测器　616
23.1　多级红外探测器　616
23.2　Ⅱ类超晶格带间级联红外探测器　617
23.3　与碲镉汞HOT光电探测器的性能比较　625
第四部分　红外焦平面阵列
第24章　焦平面阵列结构概述　629
24.1　焦平面阵列概述　630
24.2　单片式阵列　633
24.3　混成式阵列　639
24.4　读出集成电路　643
24.5　焦平面阵列的性能　646
24.6　小像元焦平面阵列的发展　655
24.7　自适应焦平面阵列　665
第25章　热探测焦平面阵列　668
25.1　热电堆焦平面阵列　669
25.2　测辐射热计焦平面阵列　673
25.3　热释电焦平面阵列　689
25.4　封装　697
25.5　新型非制冷焦平面阵列　699
第26章　光子探测焦平面阵列　703
26.1　本征硅阵列　707
26.2　非本征硅和锗阵列　716
26.3　光发射阵列　722
26.4　Ⅲ-Ⅴ族焦平面阵列　729
26.5　碲镉汞焦平面阵列　739
26.6　铅盐阵列　751
26.7　量子阱红外光电探测器阵列　756
26.8　势垒型探测器和Ⅱ类超晶格焦平面阵列　762
26.9　碲镉汞与Ⅲ -Ⅴ族———未来展望　768
第27章　第三代红外探测器　775
27.1　对第三代探测器的需求　777
27.2　碲镉汞多色探测器　780
27.3　多波段量子阱红外光电导　790
27.4　多波段Ⅱ类铟砷/镓锑探测器　799
27.5　多波段量子点红外光电探测器　804
第五部分　太赫兹探测器与焦平面阵列
第28章　太赫兹探测器与焦平面阵列　809
28.1　概述　809
28.2　太赫兹辐射特性概述　812
28.3　太赫兹探测器的发展路径　815
28.4　太赫兹直接探测和外差探测技术　821
28.5　光导型器件中太赫兹波的产生与探测　826
28.6　室温太赫兹探测器　828
28.7　非本征探测器　852
28.8　破裂对光子探测器　853
28.9　微波动态电感探测器　857
28.10　半导体测辐射热计　860
28.11　超导测辐射热计　865
28.12　转变边沿传感测辐射热计　871
28.13　新型太赫兹探测器　876
后记　895