红外探测器是一种辐射能转换器，主要用于将接收到的红外辐射能转换为便于测量或观察的电能、热能等其他形式的能量。根据能量转换方式，红外探测器可分为热探测器和光子探测器两大类。
热探测器的工作机理是基于入射辐射的热效应引起探测器某一电特性的变化，而光子探测器是基于入射光子流与探测材料相互作用产生的光电效应，具体表现为探测器响应元自由载流子（即电子和/或空穴）数目的变化。由于这种变化是由入射光子数的变化引起的，光子探测器的响应正比于吸收的光子数。而热探测器的响应正比与所吸收的能量。
熱探测器的换能过程包括：热阻效应、熱伏效应、熱气动效应和热释电效应。光子探测器的换能过程包括：光生伏特效应、光电导效应、光电磁效应和光发射效应。
各种光子探测器、热探测器的作用机理虽然各有不同，但其基本特性都可用等效噪声功率或探测率、响应率、光谱响应、响应时间等参数来描述。

对于光子探测器，仅当入射光子的能量大于某一极小值时才能产生光电效应。也就是说，探测器仅对波长小于，或者频率大于的光子才有响应。??? 光子探测器的光谱响应正比于入射的光子数，由于光子能量与波长成正比，在单位波长间隔内辐射功率不变的前提下，入射光子数同样与波长成正比。因此，光子探测器的响应响应随波长线性上升，然后到某一截止波长突然下降为零。
理想情况下，光子探测器的光谱比探测率可写成：
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理想情况下，截止波长即峰值波长。实际曲线稍有偏离。例如光子探测器实际光谱响应在峰值波长附近迅速下降，一般将响应下降到峰值响应的50％处的波长称为截止波长。

系统的工作波段通常是根据目标辐射光谱特性和应用需求而设定的，则选用的探测器就应该在此波段中有较高的光谱响应。因为光子探测器响应截止的斜率很陡，不少探测器的窗口并不镀成带通滤光片，而是镀成前截止滤光片，可起到抑制背景的效果。

光电效应概述
?? 光子探测器是最有用的红外探测器，它的工作机理是光子与探测器材料直接作用，产生内光电效应。因此，光子探测器的探测率一般比热探测器要大1至2个数量级，其响应时间为微秒或纳秒级。光子探测器的光谱响应特性与热探测器完全不同，通常需要制冷至较低温度才能正常工作。 按照普朗克的量子理论，辐射能量是以微粒形式存在的，这种微粒称为光子或量子。一个光子的能量是
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当入射光子与金属中的电子碰撞时，则将能量传递给电子。如果电子获得光子全部能量，则光子不复存在。如果电子获得的能量大到足以使其穿过表面的势垒，就能从表面逸出。这一效应称为外光电效应或光电子发射效应。

电子逸出所需做的功与材料特性有关。由于光子能量随频率而变，故存在一个长波限，或称为截止波长。超过截止波长的光子的能量均低于逸出功，不足以产生自表面逸出的自由电子。因此，光发射探测器的响应只能延伸到近红外的一个小范围。

波长大于1.2微米的光子的能量虽然不足产生电子发射，但存在内光电效应。光子传递的能量使电子从非导电状态变为导电状态，从而产生了载流子。载流子的类型取决于材料的特性，这些材料几乎都是半导体。如果材料是本征的，即纯净的半导体，一个光子产生一个电子空穴对，它们分别是正、负电荷的携带者。如果材料是非本征，即掺杂的半导体，光子则产生单一符号的载流子，或为正，或为负，不会同时产生两种载流子。如果在探测器上加电场，则流过探测器的电流将随载流子数量的变化而变化，称为光电导效应。

如果光子在p-n结附近产生空穴－电子对，结间的电场就使两类载流子分开，而产生光电压，称为光生伏打效应。光生伏打型的探测器不需要外加偏压，因为p-n已提供了偏压。

当电子－空穴对在半导体表面附近形成时，它们力图向深处扩展，以重新建立电中性。如果在这一过程中加上强磁场，就使两种载流子分开而产生光电压，称为光电磁效应。 60年代后期，由于硅CCD的发明，使得带焦平面信号读出的第二代探测器阵列的设想成为现实。这种读出结构能多路传输大阵列器件的信号，但是实施时对探测器有阻抗要求。只有InSb、PtSi和HgCdTe那样的光伏探测器和PbSe,PbS之类高阻抗光导器件才能提供与多路传输器的场效应管输入级互连的合适阻抗。由于光导HgCdTe是低阻抗器件，偏置功耗也较大，所以并不合适制成大阵列。因此，70年代后期，甚至整个80年代，HgCdTe技术几乎集中在光伏器件的发展。作为第二代红外探测器标志的二维大阵列有两大类。一类是具有TDI功能的线列结构，用于扫描成像。另一类是面阵结构，用于凝视成像系统。

??? 自CCD发明到到带读出电路的红外焦平面探测器的成熟，经历了近20年时间。现在，光子探测器如PbS、PbTe、PtSi 和光伏HgCdTe器件均可制成大阵列，并已商品化。热探测器，如非晶硅热敏器件和热释电器件也已做成商品面阵。尽管探测率不如光子探测器，这种面阵可在室温下工作，只需用一级热电致冷稳定芯片温度和防止热串扰。室温热探测器面阵功耗小，价格低廉，应用十分广泛。

现在，红外传感技术正处于从第一代器件向第二代器件转化的时期。红外焦平面器件功能目前只包含了信号读出。可以预计，红外焦平面技术发展趋势能将红外成像传感器和神经网络信息处理器相结合，具有类似动物眼睛作用的新功能。

焦平面结构
红外探测器有单元、线列（有TDI多列和无TDI单列器件）和二维阵列（面阵）等种类。对于扫描成像系统，整帧图象的获取可以用单元探测器二维扫描。如用线列器件，只需一维扫描即可获取二维图像，帧频较单元扫描高。面阵器件主要用于凝视成像系统。

线列或二维阵列都是通过透明衬底背面光照的，其焦平面结构有：

1. 直接混成

探测器通过铟柱直接电学连结到前放阵列。直接混成有较好的可生产性，高密度的凝视或扫描成像阵列探测器通常都用直接混成的焦平面结构。直接混成需要在每个探测器下为读出前放和相应电路留出足够的单元面积，因此，功能受到较大限制。

1. 间接混成

间接混成是用一块电路板把一个或多个探测器连接到一个或多个ROIC上。因为电路尺寸不再受探测器下部有限空间的限制，尺寸较大、功能更完善的前放和信号处理电路可以在间接读出电路的较大单元中制造。间接混成也可以减小探测器与ROIC材料间的热失配引起的应力。大线列通常用间接混成结构。

1. 单片结构

把探测器和读出电路集成在一起，信号处理电路装在探测器周围，用引线焊接到探测器上。由于探测器光敏面积受到周围读出电路限制，探测器的占空因子较小。

1. Z技术

从结构上看，每一像元的信号处理区域在垂直方向上大大延伸了，极薄的读出芯片叠堆并粘接在一起，探测器阵列用铟柱连到端面上。这种结构对增加焦平面器件的信号处理功能很有好处，但是，Z技术目前尚未成熟。

1. 环孔技术

环孔技术把探测器材料粘接到硅读出芯片，再将探测器材料减薄。探测单元通常是二极管或MIS器件，它们通过环孔与底层的读出电路连接。

线阵或面阵响应率的均匀性和动态范围对成像系统尤为重要。非均匀校正要求大量额外的信息处理，还要损失器件的动态范围。不能完全被校正的不均匀性称为残余不均匀性，它将限制成像系统的信噪比。器件的每个象元在积分时间内存贮的电荷等于光子通量乘以量子效率。电荷存贮容量本身是探测器结构、象元尺寸和间距、以及工作条件的复杂函数，而读出电荷的储存能力限制了动态范围的上限。

CCD多路传输器
1970年，CCD的发明使光电子工业步入高密度多元固态焦平面领域。下面简单描述CCD在读出集成电路中的应用。
CCD的基础是提供电荷存储和沿半导体表面的转移。光生电荷被载流子吸引力控制，移到MOSFET的栅极和半导体衬底之间建立的电场中。如果栅压大于阈值，则在栅下区域产生存储少数载流子电荷的势阱。栅下存储势阱被认为是“桶”，当栅压撤消时，电荷存储势阱消失，就像桶被倒空一样。光生电荷通过相邻扩散区或栅结构注入CCD中。

以三相CCD多路传输器为例。电荷（对P型半导体，少数载流子为电子）趋于流向最高表面电势，此时，表面电势由正栅偏置φ1控制，实际上电荷被存储在靠近半导体表面的薄层中，用图解方式表示为一个“桶”。增加φ2的电势，以吸引第一栅极下的电荷。将φ1的电压减少倒零，强迫靠近半导体表面的电荷流入φ2下的势阱。这一过程在φ2和φ3之间重复，实现信号电荷包的转移。在转移过程中，CCD必须提供信号电荷包之间的隔离。

电荷转移效率，即电荷从CCD的一个单元转移到下一个单元的比率，是CCD的一个重要参数。不完全转移引起的电荷损失能导致信号下降，或者因为被损失的电荷出现在下一个电荷包中而导致串音。

CCD的输入电路包括自积分、直接注入等电荷放大电路。通过CCD末端的扩散区，可使CCD的输出电荷转移到源极跟随器的栅极上。源极跟随器的栅极必须在下一个信号到达之前复位。

焦平面器件的灵敏度参数
D*可以用来衡量探测器工艺的好坏，但并不适合用来表征传感器芯片组件的性能。衡量读出灵敏度最常用的参数是噪声等效电荷（NEC），即一帧时间内（或数据采样过程中）积累的噪声电子数。对于用积分电容积累电荷的读出电路，NEC是积分电容器上的噪声等效电荷。因此，NEC需要标明帧速。