Sukcesy w militarnym zastosowaniu detektorów promieniowania elektromagnetycznego (w szczególności promieniowania podczerwonego) w czasie II wojny światowej wyzwoliły intensywne badania, a następnie spowodowały gwałtowny rozwój detektorów przez ponad pięć powojennych dekad. Rozwój techniki podczerwieni, powstanie nowych dziedzin, takich jak termowizja, technika laserowa, światłowodowa czy też ogólniej - optoelektronika, niezwykle zróżnicowały zastosowanie detektorów, które obecnie spotyka się zarówno w prostych urządzeniach powszechnego użytku ostrzegających przed pożarem bądź włamaniem, jak również w zaawansowanych systemach sterowania i kontroli urządzeń przemysłowych. Ważną dziedziną zastosowań, będącą główną siłą napędową postępu technologicznego, są zastosowania militarne, w tym adaptacja techniki do stosowania w przestrzeni kosmicznej. Ciągła obserwacja z kosmosu umożliwia wykrycie wystrzelenia każdej większej rakiety, a także rozlokowania rakiet balistycznych wyposażonych w głowice jądrowe. Na satelitach Ziemi instalowane są urządzenia termowizyjne umożliwiające synoptyczne spojrzenie na Ziemię, jej zasoby mineralne, zasiewy i zbiory, geografię, topografię, procesy demograficzne, i jest to spojrzenie daleko bardziej wnikliwe niż to jest możliwe z powierzchni Ziemi.
Najwyższe wymagania przed detektorami promieniowania elektromagnetycznego stawia termowizja, gdzie do osiągnięcia wysokiej rozdzielczości obrazów konieczne jest stosowanie detektorów wieloelementowych - dużych mozaik liniowych i matryc dwuwymiarowych. Otrzymane dzięki tym urządzeniom precyzyjne obrazy rozkładu temperatury w obserwowanych obiektach są potężnym narzędziem zdobywania informacji i wiedzy o tych obiektach. Dlatego metody te stosowane są w niemal wszystkich dziedzinach przemysłu, badań i ogólnie ludzkiej działalności, począwszy od wymienionej poprzednio techniki wojskowej, kosmicznej, a skończywszy na medycynie, budownictwie, ciepłownictwie, energetyce, elektronice i wielu innych.
2. Klasyfikacja detektorów
Detektory promieniowania elektromagnetycznego możemy podzielić na dwie podstawowe grupy: detektory fotonowe i detektory termiczne. W detektorach termicznych padające promieniowanie jest absorbowane w materiale, co powoduje podniesienie temperatury elementu fotoczułego. Sygnał wyjściowy detektora jest wywołany zmianą pewnej właściwości materiału, zależnej od temperatury. W przypadku detektorów piroelektrycznych jest to zmiana wewnętrznej polaryzacji elektrycznej, zaś w bolometrach jest to zmiana rezystancji. Generalnie czułość widmowa detektorów termicznych jest niezależna od długości fali i w większości przypadków detektory termiczne pracują w temperaturze pokojowej. Szybkość detektorów termicznych jest mała i wynosi 10-3 - 10-1 s. Do około 1990 roku detektory termiczne, w porównaniu z detektorami fotonowymi, były badane znacznie mniej intensywnie. Główną tego przyczyną były gorsze osiągi tych detektorów: wyraźnie niższa szybkość odpowiedzi i mniejsza czułość. W ostatnich kilku latach wykazano jednak, że bardzo dobrą jakość obrazu termalnego można osiągnąć stosując duże matryce detektorów termicznych, zaś ich szybkość jest wystarczająca w przypadku skanowania elektronicznego z szybkością ramki TV. Fakt ten spowodował nową rewolucję w rozwoju ta¤szych kamer termowizyjnych o osiągach zbliżonych do kamer z matrycami detektorów fotonowych chłodzonych kriogenicznie (zwykle do temperatury 77 K).
W detektorach fotonowych padające promieniowanie jest absorbowane na skutek oddziaływania fotonów z elektronami. Sygnał detektora jest wywołany zmianą rozkładu energii nośników. Detektory fotonowe wykazują selektywną zależność czułości od długości fali padającego promieniowania i w porównaniu z detektorami termicznymi charakteryzują się wyższymi wykrywalnościami i większymi szybkościami odpowiedzi. Detektory o długofalowej granicy czułości powyżej 3 (mikro)m są zwykle chłodzone do temperatury poniżej 300 K w celu zmniejszenia termicznych procesów wzbudzania nośników.
3. Nowe trendy
Analizując rozwój detektorów promieniowania elektromagnetycznego
przez ostatnie pół wieku można zauważyć, że do około 1980 roku postęp
technologiczny w ich rozwoju był niezależny od postępu w innych
dziedzinach, szczególnie w elektronice i optoelektronice. W latach
80. zapoczątkowano transformacje osiągnięć technologicznych z
tych dziedzin w technologię detektorów. W tym kontekście za
szczególnie istotne należy uznać:
1) rozwój nowoczesnych technologii epitaksjalnych (MOCVD i MBE),
pozwalających na konstrukcję nowej generacji przyrządów
optoelektronicznych (głównie laserów i detektorów) o lepszych
parametrach użytkowych, w konstrukcji których wykorzystuje
się możliwości tzw. inżynierii przerwy energetycznej i w których
podstawową rolę odgrywają kwantowe efekty rozmiarowe;
2) rozwój elektroniki krzemowej, a w szczególności obwodów scalonych
wielkiej skali integracji, co pozwoliło na opracowanie zaawansowanych
procesorów krzemowych i pamięci półprzewodnikowych RAM;
3) rozwój technologii mikromechaniki krzemowej, pozwalającej wykonywać
w precyzyjny sposób przyrządy o złożonych strukturach przestrzennych
(w szczególności różnego rodzaju sensorów).
Podczas gdy na początku lat 90. były osiągalne matryce detektorów podczerwieni o rozmiarach 64 × 64, to obecnie kilku producentów prowadzi zaawansowane programy wdrożeniowe monolitycznych matryc o rozmiarach 1040 × 1040 pikseli, kompatybilnych z formatem TV. Przedstawiciele firmy amerykańskiej Boeing zapowiedzieli, że jeszcze w tym roku zostanie opracowana matryca detektorów z HgCdTe o formacie 2048 × 2048, pracująca w zakresie widmowym bliskiej podczerwieni.
Rozwój nowych technologii epitaksjalnych pozwolił kontrolować wzrost
półprzewodników na poziomie pojedynczej warstwy atomowej, a poprzez
to zrealizować optymalnie zaprojektowane struktury przyrządów
optoelektronicznych. Z tego też powodu w ostatnich dziesięciu latach
okazał się możliwy:
1) ogromny postęp w technologii związków azotków grupy
III-V, takich jak AlGaN i InGaN (uzyskanie przewodnictwa typu p,
obniżenie koncentracji domieszek do poziomu około 1015
cm-3, poprawa jakości strukturalnej warstw - obniżenie gęstości
dyslokacji poprzez zastosowanie tzw. lateral overgrowth) i
przyrządów konstruowanych na ich bazie (diod świecących i laserów
półprzewodnikowych niebieskiego zakresu widma, detektorów
promieniowania UF i ,,wysokotemperaturowej"
elektroniki pracującej w ekstremalnych warunkach);
2) postęp w heterozłączowych detektorach fotowoltaicznych
zakresu podczerwieni; zastosowanie możliwości ,,inżynierii przerwy
energetycznej" spowodowało pojawienie się matryc detektorów
pracujących jednocześnie w dwu zakresach widmowych (tzw. detektorów
,,dwubarwnych"), np. w tzw. oknach atmosferycznych 3 - 5 (mikro)m i 8 - 14 (mikro)m;
3) z kolei wykorzystując kwantowe efekty rozmiarowe można konstruować
detektory promieniowania podczerwonego z półprzewodników o szerokich
przerwach energetycznych, np. z AlGaAs i GaAs.
Rozwój technologii mikromechaniki krzemowej w połączeniu z rozwojem procesorów krzemowych pozwolił na opanowanie technologii wysokiej jakości krzemowych monolitycznych matryc bolometrycznych i hybrydowych matryc piroelektrycznych. Matryce obu typów pracują w długofalowym zakresie widma promieniowania podczerwonego (8 - 14 (mikro)m).