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红外光电开关传感器的发展先容
 
更新时间:2014.12.19 浏览次数:
 

  目前,红外光电开关传感器件种类非常多,所使用的红外光电开关传感器主要按照工作原理进行划分,可以分成是热电型红外光电开关传感器和光电型红外光电开关传感器。

  1822年,赛贝克发现金属的温差电效应,不久人们就用来制成热电偶和热电堆探测红外。它性能稳定、测量重复性好,在其后数十年发挥了巨大作用,至今仍有作用。1880年,朗利红引起的金属丝电阻率变化来度量辐射强度,并把它称做测辐射热计。这方法后被弃且,但这个名词存活下来。类似器件后来不断出现。一种是用金属氧化物、陶瓷等材料制成的热敏电阻,工艺简单,价格低廉,但探测率低;再就是高莱管,是一种精致的气动红外探测器,非常灵敏,但结构娇弱;20世纪中发展的热释电器件,其物理基础是硫酸三甘氨酸TGS等铁电体的自发极化,在交变的红外辐照下,热敏元极化电荷变化并引起电容改变,将信号输出。热释电器件室温工作并兼顾了较高的探测率和响应速度,使用很广。

  上述几种统属热电型红外探测器,另一大类称做光电型红外探测器。光子器件的成功使用可追溯20世纪第一和二次世界大战。德国首先制成硫化铊光电导红外探测器并很好解决了工艺稳定问题,在此基础上又研制出重要的硫化铅、硒化铅等薄膜型器件。正是有了这些器件,德国才制造出红外测距、红外夜视等多种红外仪器,并马上投入战争使用。战后的冷战时期,由于军事需要和半导体的崛起,品种繁多的光子型红外器件如雨后春笋,性能也是提高到前所未有的水平。这类器件器主要用锗、硅、锑化甸、碲镉汞等半导体材料制作 。从结构上看,一种是利用均匀材料的各种体效应,如光电导探测器、扫积型探测器、光磁电探测器等;还有一种,可称作结型器件,最典型的是半导体PN结探测器和金属半导体结探测器,其物理基础是结的光生伏特效应。光电导探测器和光伏探测器是当代最重要、使用最多的两种红外器件。前者制造工艺简单,但制各大规模陈列有楼市春晚 后者性能高,其结构适于制备领料平面陈列。半导体光吸取可能把价带电子激发到导带,即发生本征跃迁,产生自由电子、空穴对,引发光电导;也可能把施主或受主杂质能级上的电子或空穴激发到导带,即发生非本征跃迁,产生自由的电子,引发光电导。因而光电导型红外探测器又分本征和非本征两种。前者的长波限取决于晶体禁带宽度,后者长波限取决于杂质电离能。非本征光电导是多数载流子行为,为了压低噪 声,提高响应率,必须降低载流子浓度,因而非本征型的工作温度要远低于同一波段的本征型。还有,非本征光吸取系数较小,为了增强光吸取,一是要提高杂质浓度,这导致迁移率降低、器件性能变坏而不可取;另一途径是加厚敏感元,又给多元工艺带来困难,这些都是非本征型光导器件的缺点。

  硫化铅、硒化铅、砷化甸、锑化甸等都是曾是或仍是重要的本征光电导型红外探测器。但除锑化甸工作在3-5um的大气窗口外,大都只能工作在1-2um的大气窗口。长时间里,波长更长的中、红外探测不得不使用热敏型器件或非本征光电导器件,所以用掺入金、铜、镓等杂质的锗、硅非本征光导器件曾盛行一时。锗掺汞器件恰好工作在8-14um大气窗口,冷 战期间用于侦察机上的红外摄像,起了重要作用。但这种器件工作在30k,需配置笨重的制冷机,使用非常不便,所以科学家们长期寻求适于较长波段的本征型红外探测材料。

  1959年英国皇家雷达研究所劳森等首次报道了半导体碲镉碲镉汞本征载流子浓度低,电子迁移率高,非平衡少数载流子寿命长,介电常数小,几乎各种基本物理性质都适宜于红外探测。并且碲镉汞氧化物化学稳定,表面态密度低,利于制备MIS结构;碲镉汞的热膨胀系数接近硅,易于硅读出电路互联。又因为碲镉汞实际上是正常半导体碲化镉和半金属碲化汞的固溶体,可以通过调节汞和镉两种组分的比例连续改变禁带宽度,所以可制备不同波段的红外探测器。碲镉汞器件历经40年艰难研究,达到了任何其他器件难以匹敌的水平,在导弹预警等重要军事应用中,没有其他器件能够替代它的作用。

  碲镉汞的问题在材料。由于相图中固一液相线分离及汞一碲化学链过弱等固有原因,很难生长出组分均、结构完整的大面积单晶体。在遍用布里奇曼法、再结晶法、碲溶剂法等制备体材料后,人们转向用分子束外延法、液相外延法、金属有机化学汽相外延制备薄膜材料,以满足不断发展的器件需求。即使如此,材料成品率仍难以大幅度提升,使得器件价格居高不下。专家们一面设法解决碲 镉汞的问题,一面继续探索,希望找到具有碲 镉汞的优越性而没有其缺点的探测材料,并已为此研制了一系列三元系、四元系半导体材料及稀释磁性半导体材料,可异无一堪负重任。但人们在另外的方向上寻到了光明,研制成功半导体量子阱红外探测器件。

  多量子阱、超晶格是由一系列异质结组成的一维周期性人造微结构。用分子束外延法可以交替生长两种半导体晶体薄层材料,若两者禁带宽度不同,相邻异质结之间的能带依次分别形成势垒一势阱一势垒一势阱的结构。平衡时,电子和空穴都被局限在各自阱内。璧如,由砷化镓和铝镓砷组成的超晶格,电子势阱与空穴势 阱在同一砷化镓薄层,电子势 垒与空穴的势垒在相邻的铝镓砷薄层,这是I类超晶格;此外还有其他复杂情况,电子势阱与空穴势阱分别处于相邻两薄层中,谓之II类超晶格;III类是超晶格、量子阱中的电子运动,在薄层平面内仍是自由的,但在垂直薄层方向上由于受到附加周期势的作用,其能量量子化,只取一系列分立值,称作子能级。这是多量子阱的情况。对超晶格来说,势垒宽度与电子德布罗意波长可以相比拟,相邻阱的电子波函数能展到邻近势阱并相互叠加,子能级便展宽成微带。电子可以吸取光子从价带的某一子能级跃迁到导带的某一子能级,但这类跃迁不适于制备红外探测器,因为需要掺 入施主、受主两种杂质,而窄禁带量子阱超晶格又难以生长。现在红外探测器依据的是另一类跃迁,即发生在同一个能带导带或价带中的子能级之间或微带之间的光吸取跃迁。相邻子能级或微带间的能量差与势阱宽度有关,势阱越窄,间距越大。所以人们选择晶体材料后,还可以设计与控制势阱和势垒的宽度,以使基态与激发态的能量间隔相当于所要求的某一波段,或设计成阱中仅有基态子能级,并使连续态的能量间距相当于某一波段,这两种情况都可以产生光电导效应。可以看到,在这里人们可以调控的参数比用单晶体多了,选择的灵活性大了。现在多量子阱器件已相当成熟,它的最大缺点是量子效率低,其性能难以达到碲镉汞的水平,但材料适于大规模陈列器件的制备,所以应用领域将就有它一席之地。超晶格、量子阱是人们有意识地在一维方向上把异质结构制做到纳米惊讶。若在两维方向上达到纳米惊讶,称作量子线;在三维方向同时达到这种惊讶,叫做量子点。这些人造微结构的光电性质正被深入研究,其潜在应用坐也将被发掘出来。还有人把热电偶做到纳米惊讶,不仅提高了响应速率,温差电系数也明显增大,这一现象提示大家,其他纳米材料和内米结构同样应予关注。

  当全面考察红外探测器件发展时,大家看到它表现出从单元到多元、从单色到多色、从线列到面陈的明显趋势。这些改进提高了输出信噪比,展宽了探测功能、简化了成像系统。其中,将光电换元件与读出电路并合而构成红外领料平面陈列器件可以说是红外探测发展中的一次革命。大家知道,硅电荷耦合器件CCD是集光电化与信号读出于一体的典型,但它工作在可见光区,冷却到液氮温度才延展到近红外。可惜由于材料问题,用锑化甸、碲镉汞制成与似的单片结构太困难了,现实的工艺线路是分开制作光电换元件和电路,再用甸柱将两者连成一体,即所谓 混成。光敏元的行与列为1024-1024的锑化年,前者工作在3-5um的大气窗口,后者主要工作在8-14um大气窗口,也有用于3-5um波段的。640*486的GAAS/A1GAAS多量子阱长波领料平面及8-9um于14-15um波段的双色量子阱领料平面具已研制出来,并被送入空间进行试验。这些器件性能哩高,但都在深低温下工作,为便于一般应用,人们正在积极发展硅一氧化钒微测辐射热计和铁电等非制冷型领料平面器件。这类器件是热敏型,选择的材料须在近室温有较大的电阻温度系数或热释电系数,结构上运用半导体平面工艺做成桥式,即把热敏面架空或填充以绝热物质以减小热容和热导,提高探测率和响应速率。还有人尝试着用集成光学技术把红外信号、红外图像直接转换为可见光信号、可见光图像,也是很有意义的工作。近些年,专家们从生物学眼一脑系统研究成果受到启发,又在探索神经形态灵巧式焦平面列陈、类视网膜焦平面列陈以及三维人工神经网络等。可以想见,新一代红外器件的成功将使红外技术发生更加巨大的变化。

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