Принцип работы средневолнового инфракрасного детектора (MWIR) основан на физических эффектах взаимодействия инфракрасного излучения с материалом. Основной механизм включает в себя два основных типа фотоэлектрических и термоэлектрических эффектов, которые преобразуются в измеримые электрические сигналы путем захвата инфракрасного излучения в диапазоне от 3 до 5 мкм от целевого объекта. Вот анализ конкретных принципов:

Фотоэлектрический эффект: прямое преобразование электронов, возбуждаемых фотонами

Фотоэлектрические эффекты являются основным механизмом работы детекторов MWIR, особенно для сценариев, требующих высокой скорости отклика и чувствительности (например, военная разведка, автономное вождение). Основные процессы заключаются в следующем:

Абсорбция фотонов

Когда фотоны MWIR (длина волны 3 - 5 мкм), излучаемые целевым объектом, облучают материал детектора (например, сурьмянид индия InSb, теллур кадмий ртуть HgCdTe), фотонная энергия поглощается материалом.

Ключевые параметры: энергия фотона должна быть больше ширины запрещенной полосы материала (EG), например, ширина запрещенной полосы HgCdTe может быть отрегулирована с помощью компонента Cd (0,2)

Электронные переходы и генерация носителей

После поглощения фотонов электроны в материале переходят из валентной полосы в направляющую полосу, образуя электронно - дырочные пары (носители).

Квантовая эффективность: квантовая эффективность высококачественных детекторов MWIR может достигать более 80%, то есть на каждые 100 падающих фотонов может быть активировано 80 пар электронов - дырок.

Выход электрических сигналов

Носитель движется в направлении под действием электрического поля внутри детектора, образуя световой ток. Измеряя размер светового тока, количество излучающих фотонов может быть оттолкнуто назад, чтобы получить интенсивность инфракрасного излучения целевого объекта.

Типичная структура:

Фотоэлектрический тип (PV): разделение носителей с использованием встроенного электрического поля p - n - перехода без внешнего смещения, подходит для применения с низким энергопотреблением (например, портативный тепловизор).

Фотопроводящий тип (PC): скорость дрейфа носителей усиливается внешним смещением, скорость отклика быстрее, часто используется для высокоскоростных сценариев обнаружения.

II. Термотермальные эффекты: косвенное преобразование, обусловленное изменением температуры

　　инфракрасный детектор средних волнТермотермальные эффекты косвенно генерируют электрические сигналы через изменение температуры после поглощения инфракрасного излучения материалом детектора и применяются к детекторам MWIR без охлаждения (например, промышленные испытания, умные дома). Основные процессы заключаются в следующем:

Поглощение и термизация инфракрасного излучения

После того, как материал детектора (например, оксид ванадия VOₓ, аморфный кремний) поглощает излучение MWIR, молекулярная вибрация усиливается, а температура материала повышается.

Теплоемкость и время отклика: чем меньше теплоемкость материала, тем быстрее меняется температура, тем короче время отклика (типичное значение < 10 мс).

Изменение сопротивления термочувствительных элементов

Повышение температуры приводит к изменению сопротивления термочувствительного материала (например, сопротивление VO уменьшается с повышением температуры).

Температурный коэффициент сопротивления (TCR): TCR высококачественных термочувствительных материалов может достигать - 2% - 5% / °С, то есть температура на 1 °C, сопротивление изменяется на 2% - 5%.

Мостовые схемы и усиление сигнала

Термочувствительные элементы подключаются к схеме моста Уистона, изменение температуры вызывает дисбаланс моста, выходной слабый сигнал напряжения.

Усиление сигнала до обрабатываемого диапазона (например, милливольтного уровня) с помощью малошумного усилителя (LNA) в конечном итоге генерирует тепловое изображение.