RESOURCES
引言：
在红外光电技术的研究中，红外光子的捕获与信号转换机制是决定探测器性能上限的核心物理过程。红外辐射的吸收、载流子的产生与输运、信号的耦合与读出等环节，直接影响器件的探测灵敏度、响应速度与工作波段范围。
近些年来，红外探测器凭借其独特优势，广泛适用于医学成像、光通信、安全监控、遥感及气体识别等领域[1]。以制冷型红外焦平面阵列为例，可实现对微弱红外信号的精准捕获，广泛应用于深空探测与高端国防装备[2]。值得关注的是，不同类型红外探测器的物理机制差异显著，从宏观的热效应到微观的量子跃迁，其性能调控逻辑各不相同[3]。深入理解红外探测器的工作原理与微观机理，对于推动安防监控、遥感探测、医疗成像、军事制导等领域的技术升级具有至关重要的意义。系统梳理红外探测器的分类、原理及微观机理，对于理解其技术演进与应用场景适配性，已成为光电领域科普与研究的重要方向。本文将围绕红外探测器的核心知识，简述其基本概念、工作原理及关键微观机理。
一、红外探测器发展与简介
人们对于热学的认知已有数千年的历史，但红外（IR）辐射本身直到两百多年前才被发现，1800年Herschel搭建了一个简易的单色仪装置，通过温度计作为检测器来测量阳光中的能量分布，发现了红外辐射[4]。而后，温差电堆、测辐射热计等热探测器相继问世，成为早期核心器件[5][6][7]；20 世纪初光子探测器起步[8]，经过发展，现阶段兼具高探测率、室温工作、柔性集成特性探测器，以及大面阵、多波段的光子探测器阵列，成为红外探测技术的核心发展方向。
自然界中所有温度高于绝对零度（-273.15℃）的物体都会持续辐射红外光，这为红外探测器的应用提供了天然基础，红外探测器作为捕捉红外辐射的核心器件，从深空探测的微弱信号捕获到民用安防的昼夜监控，红外探测器通过将人眼不可见的红外光转化为可测量的电信号，极大拓展了人类感知世界的维度。随着二维（2D）材料等新型材料的涌现，红外探测器正朝着高灵敏度、室温工作、低成本、可穿戴的方向实现跨越式发展[1][9]。
图1二维材料基红外光电探测器及其在先进检测技术中的集成应用[9]
二、红外探测器主要类别
红外探测器的本质是“能量转换”，不同类型的探测器有着截然不同的转换路径，却都遵循 “吸收—转化—输出”的核心逻辑。根据其工作原理，可以将红外探测器分为两大核心类别：光子探测器和热探测器。
（1）热探测器（Thermal detectors）：温度变化的“间接信号”
热探测器基于红外辐射的热效应工作，核心是通过吸收红外光子使器件温度升高，进而引发电阻、电容等物理参数的变化，通过检测参数变化实现对红外信号的感知，常见类型包括热电偶、热敏电阻、热释电探测器等。这类器件的优势是工作波段宽、无需制冷、成本低廉，可在室温下稳定工作，广泛应用于家用防盗报警、非接触测温等民用场景；但缺陷也较为明显，响应速度慢（毫秒级）、探测灵敏度较低，难以满足高端成像与快速探测需求[3]。
（2）光子探测器（Photon detectors）：光子直接“唤醒”电子
光子探测器工作原理是光与材料中的电子相互作用，这些电子可能来自晶格原子、杂质原子或自由电子。当光子被吸收后，材料内部的电子能量分布会发生变化，这种能量变化*终会转化为可检测的电信号。这类器件具有响应速度快、探测灵敏度高、分辨率优异等优势，是高端红外成像、精准探测设备的核心部件；但多数高性能光电型探测器需要低温制冷（如液氮制冷、斯特林制冷）以抑制热噪声，导致器件体积大、成本偏高，限制了其在部分民用场景的普及[10][11]，但现阶段也在逐步研究针对其的优质制冷技术[12]。
三、红外探测器核心机理
红外探测器的核心功能是完成“红外辐射-电信号”的转换，不同类型器件的转换原理差异显著，分别基于热效应与光电效应两大核心物理过程[13]。红外光电探测器的探测机理主要包含以下内容[1][9]：
1. PCE（Photoconductive Effect）光电导效应：当光子入射到材料中时，会激发产生额外的载流子（电子 - 空穴对），会提高材料的自由载流子密度，进而增强沟道的导电性能。在材料的对称接触电极间施加外部偏压，这些光生载流子就能被电极捕获提取，*终形成可检测的光电流。。
2. PGE（Photogating Effect）光门控效应：光门控效应可助力光晶体管型探测器提升性能。如图 2b 所示，其过程为：光照环境下，外加偏压（Vds）会分离光生载流子。若沟道中的陷阱态（Et）捕获空穴等特定类型载流子，这些带正电的陷阱态将充当局域栅极，通过静电作用对沟道导电性实现有效调控。
3. PVE （Photovoltaic Effect）光伏效应：以光伏效应为核心的光电探测器称作光电二极管。该效应中，光激发产生的电子—空穴对，会借助内部结构实现向相反极性接触的分离。通常如图2c所示的p-n结或肖特基结或具有不对称能带偏移的异质结向相反极性接触分离。
4. PTE（Photothermoelectric Effect）光热电效应：可应用于器件内部形成温度梯度（ΔT）或塞贝克系数梯度的场景。基本塞贝克效应表现为半导体材料一侧吸收光子并转化为热能，从而在半导体通道两端产生温差（ΔT）。该温差会驱动载流子定向扩散，在通道两侧形成光热电电压。该电压可表示为 VPTE = SΔT ，其中S为半导体的塞贝克系数。如图2d所示。
5. PBE（Photobolometric Effect）光热辐射效应：基于导电通道的电阻变化（ΔR），如图2e所示，这种变化由活性材料吸收入射光时的加热所引发。基于 PBE 的光电探测器也被称为光度计。
图2红外光探测器的检测机制示意图[1]
（a：PCE机制示意图；b PGE机制示意图；c：PVE机制示意图；d：PTE机制示意图；e：PBT机制示意图）
对于热探测器和光子探测器这两个类别，下文分别对两类器件的主要工作原理进行阐述。
（1）热探测器：基于热效应的信号转换
热探测器吸收入射红外辐射后，探测器材料的温度会随之升高，进而促使自身某类与温度相关的物理特性发生可量化的改变，*终转化为输出信号——传统热探测器中这一信号仅与辐射的总功率相关，与光子本身的能量、波长等固有性质并无关联。具体到不同类型的热探测器，其信号转化路径各有侧重：热释电探测器的核心是捕捉材料内部自发极化状态的温度依赖性变化，以此生成电信号；而热敏电阻测辐射热计则是通过精准监测材料温度升高引发的电阻值改变，来间接反推入射红外辐射的强度。
热探测器的核心机理是热传递与材料物理参数的温度依赖性，其探测灵敏度与响应速度主要受热吸收效率、热容量、热导率三大因素调控。其中吸收层完成“光子-热能”的转换，吸收效率取决于吸收层的材料特性与结构设计，通常采用黑色涂层、微纳结构等方式增强红外波段的吸收能力，减少光子反射与透射[14]。
图2 热红外探测器工作原理[15]
这些探测器根据工作原理大致可分为六类[9]：(a) 介电式测辐射热计利用材料的温度依赖性介电常数产生可检测信号； (b) 热释电探测器采用具有随温度变化的自发极化特性的材料来产生电压；(c) 热电传感器基于塞贝克效应（the Seebeck effect），当两种不同导体的接合处存在温度梯度时会产生电压；(d) 电阻式测辐射热计通过测量探测器温度变化引起的电阻变化来工作；(e) 机械位移装置通过检测材料受热时某层膨胀超过另一层所引起的热应力偏转来工作；(f) 基于二极管的探测器则依靠二极管I-V特性对温度的敏感性来记录吸收辐射的变化。
以应用*广泛的热释电探测器为例，其核心材料为具有热释电效应的铁电体（如钽酸锂、硫酸三甘肽），这类材料的自发极化强度会随温度变化而改变，当红外辐射照射到探测器的吸收层时，吸收层快速吸收红外光子并转化为热能，导致铁电体材料温度升高，自发极化强度随之减弱；在外部电路的作用下，极化电荷的变化会形成瞬时电流，该电流信号与红外辐射的强度、波长等参数相关，通过放大与处理电路即可实现对红外信号的探测。
例如，多功能超材料热释电红外探测器以铌酸锂（LiNbO₃）为热释电活性层[16]，其核心工作原理是借助超材料的多功能集成特性，让顶层金属图案同时兼具红外共振吸收与电极功能，底层接地平面形成两终端电容结构，通过电磁共振实现对 8–12 μm 长波红外的窄带高效吸收，吸收的红外能量直接在 LiNbO₃层内转化为热能，引发材料自发极化变化，进而在电极间形成可测量的电势差，同时超材料的场集中效应使热量聚焦于小体积区域，结合非连续电极结构降低器件电容，有效抑制温度波动噪声与损耗角噪声，*终实现室温下快速响应的红外探测[16]。
图3 模拟 MMD 结构在共振状态下的光功率吸收密度、温度及直流电场[16]
（2）光子探测器：载流子动力学与波段适配机理
光子探测器的核心优势在于其波长特异性响应——仅对特定红外波长敏感，这使其具备优异的信噪比和快速响应特性。其中半导体探测器在红外探测技术领域占据主导地位。
根据量子力学原理，只有当红外光子能量（E=hν，h为普朗克常量，ν为光子频率）大于半导体材料的带隙宽度（Eg）时，才能激发价带电子跃迁至导带，产生电子-空穴对。若光子能量小于带隙宽度，无法被材料吸收，器件无响应；若光子能量远大于带隙宽度，多余能量会转化为晶格热能，导致载流子复合速率加快，降低器件效率。因此，光子探测器的工作波段由材料带隙宽度决定，如近红外探测器通常采用更窄带隙半导体（如InGaAs，Eg≈0.75eV）[17]，中红外探测器通常采用中带隙材料[18]，远红外探测器则更多采用掺杂半导体。
图5常规光电导探测器机理分析[19]
根据光与材料相互作用的特性及工作模式，光子探测器还可分为本征红外探测器、非本征红外探测器、光发射红外探测器和量子阱红外探测器。
本征红外探测器（Intrinsic Infrared Detector）通过光直接作用于材料固有电子结构实现信号获取；依赖半导体材料本征能带结构，光子直接激发价带电子跃迁至导带，形成自由电子—空穴对（无需杂质能级参与）的探测器，响应波长由材料本征带隙决定[13]。
非本征探测器（Extrinsic Infrared Detector）则利用材料中杂质或掺杂剂的存在，改变光的相互作用方式并生成信号。当红外光与材料作用时，这些杂质/掺杂剂会改变光与材料的相互作用方式，进而触发电信号的产生；区别于本征探测器直接利用材料自身电子结构，非本征探测器的信号生成是杂质/掺杂剂参与调控的结果。借助半导体中掺杂引入的杂质能级，光子激发杂质原子中的电子（或空穴）跃迁至导带（或价带），形成载流子的探测器，响应波长由杂质能级与能带边缘的能量差决定[20]。
光发射探测器（Photoemissive Infrared Detector）基于金属表面吸收光后发射电子的原理，包括外部光发射（外光电效应）和内部光发射（IPE）两类：前者是光子照射金属表面，电子克服逸出功脱离材料形成光电子流；后者是电子克服肖特基势垒从金属输运至半导体内部（不脱离材料），均通过光激发电子跃迁实现探测[21]。
而量子阱红外探测器（Quantum-Well Infrared Detector）则通过设计特殊结构实现量子限制效应，从而在特定波长范围内增强光探测能力。基于半导体异质结形成的量子阱结构，电子被限制在量子阱的离散能级中，光子激发电子从阱内基态跃迁至连续态（或高能微带），进而形成电流的探测器，响应波长可由量子阱能级间距调控。
以量子阱探测器的典型代表SiGe纳米膜量子阱红外光电探测器为例，本质依旧是利用量子限制效应和子带间跃迁（ISB） 实现红外光探测，核心依赖 “量子阱结构的能级调控—光子激发载流子—载流子输运与信号输出”的完整链路[22]。
具体如下：量子阱的能级调控与载流子限制探测器的核心是SiGe/Si多层量子阱结构，通过 Si 与 Ge 的晶格不匹配形成量子限制势阱。价带被分割为离散的子带（如重空穴带HH1、HH2，轻空穴带等），载流子被限制在阱层内，仅占据低能量子带（基态 HH1），为子带间跃迁奠定基础。
接着，红外光子引发子带间跃迁当红外光子入射时，若光子能量与相邻子带间距匹配，基态（HH1）的载流子会吸收光子能量，发生两种子带间跃迁：一是“束缚态—束缚态跃迁”（HH1→HH2），仅响应特定波长，且仅耦合 TM 偏振光；二是“束缚态—连续态跃迁”（HH1→阱外连续态）响应宽波段红外光（光子能量≥势垒高度），其偏振依赖性源于跃迁叠加：重空穴（HH）间子带跃迁仅响应 TM 偏振，重空穴（HH）与轻空穴（LH）/自旋轨道分裂带（SO）的跨带跃迁响应 TE 偏振，整体偏振依赖性减弱。
载流子输运与电信号输出跃迁后的载流子（热载流子）通过隧穿或热激活机制逃离量子阱，在外部偏压作用下形成定向光电流；SiGe 纳米膜与高掺杂Si衬底直接键合，实现高效电流提取，光电流强度与入射红外光功率成正比，完成探测。
图5 SiGe 纳米膜量子阱红外探测器（QWIPs）的核心架构与关键设计逻辑[22]
总的来说，对于光子探测器，载流子的输运与复合过程直接影响器件的响应速度与探测灵敏度。此外，如开始介绍所说，低温制冷对高性能光子探测器的作用机理也值得关注。因此开发室温下高性能的光子探测器，成为当前研究的热点方向，包括新型材料的探索和量子阱应变工程（Quantum Well Strain Engineering）、等离激元（Plasmon）增强等结构优化，以及热电制冷等制冷技术小型化的应用。二维黑磷、拓扑绝缘体等新型材料，凭借其独特的电子结构，有望在室温下实现高效红外探测。
参考文献：
1. Zha, J.; Luo, M.; Ye, M.; Ahmed, T.; Yu, X.; Lien, D.; He, Q.; Lei, D.; Ho, J. C.;Bullock, J.; Crozier, K. B.; & Tan, C. (2021). Infrared Photodetectors Based on 2D Materials and Nanophotonics. Advanced Functional Materials 2021, 32(15).
2. Bhan R K, Dhar V. Recent infrared detector technologies, applications, trends and development of HgCdTe based cooled infrared focal plane arrays and their characterization[J]. Opto-Electronics Review, 2019, 27(2): 174-193.
3. Rogalski A. Infrared detectors: status and trends[J]. Progress in quantum electronics, 2003, 27(2-3): 59-210.
4. Herschel W. II. Experiments on the refrangibility of the invisible rays of the sun[J]. The Philosophical Magazine, 1800, 8(29): 9-15.
5. Barr E S. Historical survey of the early development of the infrared spectral region[J]. American Journal of physics, 1960, 28(1): 42-54.
6. Barr E S. The infrared pioneers—II. Macedonio melloni[J]. Infrared physics, 1962, 2(2): 67-74.
7. Barr E S. The infrared pioneers—III. Samuel pierpont langley[J]. Infrared physics, 1963, 3(4): 195-206.
8. Case T W. Notes on the change of resistance of certain substances in light[J]. Physical Review, 1917, 9(4): 305.
9. Zulfiqar M W, Nisar S, Dastgeer G, et al. 2D material-based infrared photodetectors: recent progress, challenges, and perspectives[J]. Nanoscale, 2025, 17(31): 17881-17918.
10. Yildiz Y, Nalbant M. A review of cryogenic cooling in machining processes[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2008, 48(9): 947-964.
11. Anatychuk L I, Vikhor L N. The limits of thermoelectric cooling for photodetectors[J]. J. Thermoelectricity, 2013, 5: 54-58.
12. Ezawa H, Matsuo H, Niwa A, et al. Recent developments for the terahertz photon detector system: detector and cryogenics[J]. Journal of Low Temperature Physics, 2024, 216(1): 246-253.
13. Rogalski A. Infrared detectors: an overview[J]. Infrared physics & technology, 2002, 43(3-5): 187-210.
14. Rogalski A, Piotrowski J. Intrinsic infrared detectors[J]. Progress in Quantum Electronics, 1988, 12(2-3): 87-289.
15. Ogawa S, Kimata M. Wavelength-or polarization-selective thermal infrared detectors for multi-color or polarimetric imaging using plasmonics and metamaterials[J]. Materials, 2017, 10(5): 493.
16. Suen J Y, Fan K, Montoya J, et al. Multifunctional metamaterial pyroelectric infrared detectors[J]. Optica, 2017, 4(2): 276-279.
17. Xie Z, Deng Z, Zou X, et al. InP-based near infrared/extended-short wave infrared dual-band photodetector[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2020, 32(16): 1003-1006.
18. Zhang X, Ouyang J, Ran X, et al. Sensitization-Engineered Uncooled Mid-infrared PbSe Photodetectors[J]. ACS Photonics, 2025, 12(8): 4640-4650.
19. Jin P, Tang Y, Li D, et al. Realizing nearly-zero dark current and ultrahigh signal-to-noise ratio perovskite X-ray detector and image array by dark-current-shunting strategy[J]. Nature Communications, 2023, 14(1): 626.
20. Hadek V. Charge distribution and response time for a modulation‐doped extrinsic infrared detector[J]. Journal of applied physics, 1987, 61(2): 773-776.
21. Grajower M, Desiatov B, Mazurski N, et al. Optimization and experimental demonstration of plasmonic enhanced internal photoemission silicon Schottky detectors in the mid-IR[J]. Acs Photonics, 2017, 4(4): 1015-1020.
22. Durmaz H, Sookchoo P, Cui X, et al. SiGe nanomembrane quantum-well infrared photodetectors[J]. ACS Photonics, 2016, 3(10): 1978-1985.
作者简介：
赵洋，博士，副教授，河南科技大学教学标兵，光电系副主任。
学习与工作经历：
2006-2010 吉林大学电子科学与工程学院，电子信息工程专业，学士；2010-2012吉林大学电子科学与工程学院，集成电路工程专业，硕士；2012-2013 中兴通讯上海股份有限公司，工程师；2013-2016吉林大学电子科学与工程学院，微电子学与固体电子学专业，博士；2016年8月到河南科技大学物理工程学院参加工作。
教学工作：
获得河南省高等教育教学成果二等奖，河南省线上教学优秀课程一等奖，主持河南省首批专创融合特色示范课程，参与河南省教学改革研究与实践重点项目等；指导学生获“挑战杯”竞赛国家二等奖，“互联网+”竞赛省级一等奖，“创青春”竞赛省级金奖等。
科研工作：
近年来在Ceramics International，Journal of Luminescence等SCI期刊发表文章20余篇，获得河南省自然科学优秀论文一等奖，主持河南省科技攻关项目、河南省高等学校重点科研项目等，出版学术专著1部，授权**2项。
13810146393
在线咨询
