第三章热电探测器件1

光电检测技术,第一章 光电检测技术基础,第二章 光电检测器件,第三章 热电检测器件,光辐射检测器件一览表,（光子检测器件）,（光电发射检测器件）,2,物理过程是: 器件吸收入射辐射功率产生温升，温升引起材料各种有赖于温度的参量的变化，监测其中一种性能的变化，来探知辐射的存在和强弱。 这一过程比较慢，一般的响应时间多为毫秒级。 另外，热电探测器件是利用热敏材料吸收入射辐射的总功率产生温升来工作的，而不是利用某一部分光子的能量，所以各种波长的辐射对于响应都有贡献。因此，热电探测器件的突出特点是，光谱响应范围特别宽，从紫外到红外几乎都有相同的响应，光谱特性曲线近似为一条平线。,第三章 热电探测器件,热电探测器件大致分为温差电型、热敏电阻型、气动型和热释电型四类。 本章首先讨论热电探测器件的共同原理，然后再分别介绍以上各种具体器件。,对热电探测器件的分析，可分为两步。 第一步是按系统的热力学特性来确定入射辐射所引起的温升，这种分析对各种热电探测器件都适用； 第二步是根据温升来确定具体探测器件输出信号的性能。,3-1 热电探测器件的基本原理,在相同的入射辐射下，希望得到大的温升，就是说，探测器与外界的热耦合和热容以及调制频率等要小，这点是热电探测器件与普通的温度计的重要区别。 二者虽然都有随温度变化的性能，但热电探测器件所需要的，不是要与外界有尽量好的热接触，必须达到热平衡，而是要与入射辐射有最佳的相互作用，同时又要尽量少的与外界发生热接触。,热电探测器件的时间常数定义为：=CQRQ CQ：热容，RQ：热阻。 的数量级约为几毫秒至几秒，这比光电器件的时间常数大得多。因此，热电探测器件在频率响应等方面，不如光电探测器件。 为使探测器的热容小，应尽量使探测器的结构小、重量轻，同时要兼顾结构强度。 热阻RQ对于探测器灵敏度和时间常数的影响： RQ大，灵敏度高，但响应时间长。所以，在设计和选用热电探测器件时须采取折衷方案。,探测器与外界的热耦合，主要有辐射交换和热传导两种形式。其中，辐射交换的热阻最大。 根据统计计算，探测器与外界达到热平衡时，探测器的功率起伏均方根值为： WT(4kT2Gf）1/2 式中，k为波耳兹曼常数，G为热导；f为测试系统的频带宽度。 实际上，WT就是探测器因温度起伏所产生的噪声。若式中的G取最小值，即GGQ=1/RQ, 则WT将是可能取值中最小的，即为NEP： NEP(4kT2GQ f ）1/2 （一般为l0-11W量级）,3-2 热电偶与热电堆,热电偶也叫温差电偶，是最早出现的一种热电探测器件。 其工作原理是温差电效应。例如，由两种不同的导体材料构成的接点，在接点处可产生电动势。这个电动势的大小和方向与该接点处两种不同的导体材料的性质和两接点处的温差有关。如果把这两种不同的导体材料接成回路，当两个接头处温度不同时，回路中即产生电流。这种现象称为温差电效应或塞贝克效应。,构成温差电偶的材料，既可以是金属，也可以是半导体。 在结构上既可以是线、条状的实体，也可以是利用真空沉积技术或光刻技术制成的薄膜。 实体型的温差电偶多用于测温，薄膜型的热电堆（由许多个温差电偶串联而成）多用于测量辐射，例如，用来标定各类光源，测量各种辐射量，作为红外分光光度计或红外光谱仪的辐射接收元件等。,温差电偶的原理性结构图,温差电偶接收辐射一端称为热瑞，另一端称为冷端。为了提高吸收系数，在热端都装有涂黑的金箔。由半导体材料构成的温差电偶，热端接收辐射产生温升，半导体中载流子动能增加。从而多数载流子要从热端向冷端扩散，结果P型材料热端带负电，冷端带正电；而N型材料情况正好相反。当冷端开路时，开路电压为：,温差电偶的组成,Uoc=MT,式中，M为比例系数，称塞贝克常数，也称温差电势率，单位为V/；T为温度增量。,温差电偶的响应率为 ： RUL/ UL：冷端负载上所产生的电压降。 ：入射于探测器的辐射通量,温差电偶的灵敏度（响应率）,要使温差电偶的响应率高，应选用温差电势大的材料，并增大吸收系数。同时，内阻要小，热导也要小。在交变情况下，调制频率低时比调制频率高时的响应率高。减小调制频率和减小时间常数T都有利于提高响应率，可是与T是矛盾的，所以响应率与带宽之积为一常数的结论，对于温差电偶也成立。时间常数多为毫秒量级，带宽较窄。多用于测量恒定的辐射或低频辐射。,3-3 热敏电阻,主要区别是，金属的热敏电阻，电阻温度系数多为正的，绝对值比半导体的小，它的电阻与温度的关系基本上是线性的，耐高温能力较强。而半导体的热敏电阻，电阻温度系数多为负的，绝对值比金属的大十多倍，它的电阻与温度的关系是非线性的，耐高温能力较差。,热敏电阻是由电阻温度系数大的导体材料制成的电阻元件，也称它为测辐射热计。,热敏电阻有金属的和半导体的两种。制作热敏电阻灵敏面的材料，金属的多为金、镍、铋等薄膜；半导体的多为金属氧化物，例如氧化锰、氧化镍、氧化钴等。,热敏电阻的结构,热敏电阻的原理,定性地解释：吸收辐射后，材料中电子的动能和晶格的振动能都有增加。因此，其中部分电子能够从价带跃迁到导带成为自由电子，从而使电阻减小，电阻温度系数是负的。对于由金属材料制成的热敏电阻，因其内部有大量的自由电子，在能带结构上无禁带，吸收辐射产生温升后，自由电子浓度的增加是微不足道的。相反，因晶格振动的加剧，却妨碍了电子的自由运动，从而电阻温度系数是正的，而且其绝对值比半导体的小。,热敏电阻的物理过程是吸收辐射，产生温升，从而引起材料电阻的变化。,热敏电阻的电压响应率,热敏电阻的电压响应率为： Rv= iRT/(G2+2CH2)1/2 由上式可知，要使热敏电阻的电压响应率大，电流 i、电阻温度系数、热敏电阻RT、吸收系数都要大，热导G、热辐射的交变频率、热容CH都要小，但这些量是受诸因素制约的，只能折中选取，而不能任意增减。,热敏电阻的电压响应率,1）热敏电阻RT不能任意大。另外，假如RT很大，那它和引线的杂散电容和放大器输入电容等所构成的电路时间常数就有可能大于热时间常数，将使频率特性变坏。 2）电阻温度系数决定于材料。对于大多数金属，l/T。对于大多数半导体，在某有限温区内3000/T2。所以，通过致冷可提高。 3）为了提高吸收系数，要使灵敏面表面黑化。 4）为了减小热导G，可使接收元件装在一个真空的外壳里。但G小，热时间常救T（CH/G）要变大，频率特性要变坏。 5)电流i不能很大，否则产生的焦耳热会使元件温度提高.,Rv= iRT/(G2+2CH2)1/2,3-4 热释电器件,热释电器件是一个以热电晶体为电介质的平板电容器。因热电晶体具有自发极化性质，自发极化矢量能够随着温度变化，所以入射辐射可引起电容器电容的变化，从而可利用这一特性来探测变化的辐射。,热释电器件的结构,结构原理： 热电晶体是压电晶体中的一种，具有非中心对称的晶体结构。 自然状态下，在某个方向上正负电荷中心不重合，从而晶体表面存在着一定量的极化电荷，称为自发极化。 晶体温度变化时，可引起晶体的正负电荷中心发生位移，因此表面上的极化电荷即随之变化。,a) 恒温下 b) 温度变化时 c) 温度变化时的等效表现,热释电器件的材料,制作热释电器件的常用材料有，硫酸三甘肽（TGS）晶体，掺丙胺酸改性后的硫酸三甘肽（LATGS）晶体，钽酸锂（LiTaO3）晶体，锆钛酸铅（PZT）类陶瓷，聚氟乙烯（PVF）和聚二氟乙烯（PVF2）聚合物薄膜等。但不论那种材料，都有一个特定温度，称居里温度。当温度高于居里温度时，自发极化矢量为零，只有低于居里温度时，材料才有自发极化性质。正常使用时，都是使器件工作于离居里温度稍远一点的温区。,小结：热电器件使用要点,1）由半导体材料制成的温差电堆，响应率很高，但机械强度较差，使用时必须十分当心。它的功耗很小，测量辐射时，应对所测的辐射强度范围有所估计，不要因电流过大烧毁热端的黑化金箔。保存时，输出端不能短路，要防止电磁感应。,小结：热电器件使用要点,2）热敏电阻(测辐射热计)，响应率也很高，对灵敏面采取致冷措施后，响应率会进一步提高。但它的机械强度也较差，容易破碎，所以使用时要当心。它要求跟它相接的放大器要有很高的输入阻抗。流过它的偏置电流不能大，免得电流产生的焦耳热影响灵敏面的温度。,小结：热电器件使用要点,3）热释电器件是一种比较理想的热探测器，机械强度、响应率、响应速度都很高。但根据它的工作原理，它只能