概念深读：为什么近红外（NIR）必须用 InGaAs？
2026-01-20 01:18:37
奥谱天成
为什么近红外（NIR）必须用 InGaAs？
很多人第一次接触近红外光谱仪，都会有一个直觉问题： 为什么一过 1000 nm，仪器价格就陡然上升？ 答案并不在厂商，而在半导体能带结构本身。 这是一条由物理定律划出的分水岭。 从硅（Si）到 InGaAs：成本飙升的真正起点 理解这个问题，只需要一个核心隐喻—— 探测器到底在“测”什么？ 无论是 CCD、CMOS，还是 InGaAs，本质都是一件事： 让光子把电子从价带“踢”到导带，形成可读出的电信号 可以把电子想象成被困在深坑里的运动员： 坑的深度 = 材料的带隙能量（Eg） 光子能量 = 助跑与起跳的力量 只有跳出坑，探测器才“看得见”光。 硅（Si）：可见光的王者，NIR 的终点 硅的带隙：约 1.1 eV 对应的截止波长约为： 结果很直接： 可见光（>1.6 eV） 轻松起跳，信号清晰 近红外光（如 1500 nm，对应 ~0.8 eV） 力量不够，撞在坑壁上 结论： 超过 1100 nm，硅“物理性失明” 不是算法不行，也不是厂家偷工减料，而是电子根本跳不出来。 InGaAs：为近红外而生的材料 标准 InGaAs（In₀.₅₃Ga₀.₄₇As）的带隙约为： Eg ≈ 0.75 eV 截止波长 ≈ 1700 nm 这一次：1500 nm 光子（~0.8 eV） 刚好能跳出来 这就是 InGaAs 成为 NIR 探测“事实标准”的根本原因。 暗电流：坑太浅，连“热”都能把电子震出来 暗电流：坑太浅，连“热”都能把电子震出来 InGaAs 的“浅坑”有一个严重副作用： 不仅光子能踢电子出来，环境热量也可以 即使在完全黑暗中： 电子也会被室温热激发 形成大量暗电流（Dark Current） 本质上是噪声 解决办法只有一个：制冷 常规 InGaAs： 否则： 制造难度：从“沙子”到“精密外延艺术” 硅（Si） 来自沙子 工艺成熟、良率极高 可做千万像素 CMOS InGaAs 必须在 InP 衬底上外延生长 对晶格匹配极其敏感 一点失配就产生位错和坏点 这就是为什么： NIR 相机像素通常只有 256 / 512 / 1024，却价格惊人 不是厂家不想做大，而是物理良率不允许。 如何从 1700 nm 突破到 2500 nm？ 改变“配方”：铟含量决定极限波长 标准 InGaAs： 扩展型 InGaAs： 结果： 带隙进一步减小 截止波长延伸至 2.2–2.5 μm 代价：致命的晶格失配（Lattice Mismatch） 问题来了： 铟多了 → 晶格变大 InP 衬底没变 就像： 大脚硬穿小鞋 生长过程中会产生： 位错 缺陷 漏电通道 后果：暗电流暴增 扩展型 InGaAs 的暗电流通常： 比标准型 高 10–100 倍 不处理，图像全是“雪花” 唯一出路：深度制冷 标准 InGaAs（1.7 μm）： 扩展 InGaAs（2.5 μm）： TE2 / TE3，多级制冷 -50°C 至 -80°C 这直接导致： 体积更大（散热片） 功耗更高 成本成倍上升
为什么近红外几乎“必须”用 InGaAs，而不是更便宜的硅（Si）？
电子的“跳高”比赛。
TE 制冷到 -10 ~ -20°C
信号会被噪声彻底淹没
53% In + 47% Ga（完美匹配 InP）
提高铟比例（可达 ~80%）
一级 TE（~ -10°C）
总结 奥谱天成 InGaAs高光谱成像仪 近红外不是“选择 InGaAs”，而是“只能 InGaAs” 而 1700 nm 与 2500 nm 的差距，不是 800 nm 波长，而是： 晶格失配 暗电流指数级上升 制冷与制造成本的断崖 这不是市场问题，而是半导体物理的边界。
