第四章 热电器件.ppt

第四章热电检测器件,第一节热电检测器件的基本原理第二节热电偶与热电堆第三节热敏电阻第四节热释电探测器件,本章主要介绍热辐射探测器件的热辐射探测器件为基于光辐射与物质相互作用的热效应而制成的器件。由于它具有工作时不需要制冷，光谱响应无波长选择性等突出特点，使它的应用已进入某些被光子探测器独占的应用领域和光子探测器无法实现的应用领域。,第一节热电检测器件的基本原理,一、热电检测器件的共性热电传感器件是将入射到器件上的辐射能转换成热能，然后再把热能转换成电能的器件。输出信号的形成过程包括两个阶段：第一阶段为将辐射能转换成热能的阶段（入射辐射引起温升的阶段），是共性的，具有普遍的意义。,第二阶段是将热能转换成各种形式的电能（各种电信号的输出）阶段，是个性阶段1.温度变化方程热电器件在未受到辐射作用的情况下，器件与环境温度处于平衡状态，其温度为T0。当辐射功率为We的热辐射入射到器件表面时，令表面的吸收系数为，,则器件吸收的热辐射功率为We；其中一部分使器件的温度升高，另一部分补偿器件与环境的热交换所损失的能量。设单位时间器件的内能（即功率）增量为Wi，则有（1）CQ称为热容（表示单位温度下的热功率）上式表明：内能的增量为温度变化的函数。,热交换能量的方式有三种：传导、辐射和对流。设单位时间通过传导损失的能量式中GQ为器件与环境的热传导系数，GQ表示单位温度下的由熱导损失的功率。,由能量守恒原理，器件吸收的辐射功率应等于器件内能的增量与热交换能量之和。即设入射正弦辐射能量为则(2),若选取刚开始辐射器件的时间为初始时间，则此时器件与环境处于热平衡状态，即t=0,T=0。将初始条件代入微分方程(2)，解此方程，得到热传导方程为,(3),设为热敏器件的热时间常数，称为热阻热敏器件的热时间常数一般为毫秒至秒的数量级，它与器件的大小、形状、颜色等参数有关。,当时间tT时，(3)式中的第一项衰减到可以忽略的程度，温度的变化上式的实部为正弦变化的函数。其幅值为(4),可见，热敏器件吸收交变辐射能所引起的温升与吸收系数成正比。因此，几乎所有的热敏器件都被涂黑。另外，它又与工作频率有关，增高，其温升下降，在低频时（T1），它与热导GQ成反比，(4)式可写为,可见，减小热导是增高温升、提高灵敏度的好方法，但是热导与热时间常数成反比，提高温升将使器件的惯性增大，时间响应变坏。(4)式中，当频率很高（或器件的惯性很大）时，T1，(4)式可近似为,结果，温升与热导无关，而与热容成反比，且随频率的增高而衰减。当=0时，由(3)式，得,由初始零值开始随时间t增加，当t时，T达到稳定值(=W0/GQ);当t=T时，上升到稳定值的63%。故T被称为器件的热时间常数。二、热电器件的最小可探测功率根据斯忒番-玻耳兹曼定律，若器件的温度为T，接收面积为A，,当它与环境处于热平衡时，单位时间所辐射的能量为由热导的定义,经证明，当热敏器件与环境温度处于平衡时，在频带宽度内，热敏器件的温度起伏均方根值（即温度噪声）为（5）即(4-14),考虑（4）、（5）式（即书上的(4-7)、(4-14)式），可求热敏器件仅受温度影响的最小可探测功率或温度等效功率此式书上有误。,由上式，很容易得到热敏器件的比探测率为只与探测器的温度、吸收系数有关。,第二节热电偶与热电堆热电偶虽然是发明于1826年的古老红外探测器件，然而至今仍在光谱、光度探测仪器中得到广泛的应用。尤其在高、低温的温度探测领域的应用是其他探测器件无法取代的。,一、热电偶的结构及工作原理热电偶是利用物质温差产生电动势的效应探测入射辐射的。如图5-6所示为辐射式温差热电偶的原理图。两种材料的金属A和B组成的一个回路。,若两金属连接点的温度存在着差异（一端高而另一端低），则在回路中会有如图5-6（a）所示的电流产生。即由于温度差而产生的电位差E。回路电流I=E/R其中R称为回路电阻。这一现象称为温差热电效应（也称为塞贝克热电效应）(SeebeckEffect)。,测量辐射能的热电偶称为辐射热电偶，它与测温热电偶的原理相同，结构不同。如图5-6（b）所示，辐射热电偶的热端接收入射辐射，因此在热端装有一块涂黑的金箔，当入射辐射能量We被金箔吸收后，金箔的温度升高，形成热端，产生温差电势，在回路中将有电流流过。图5-6（b）用检流计G可检测出电流为I。显然，图中结J1为热端，J2为冷端。,由于入射辐射引起的温升T很小，因此对热电偶材料要求很高，结构也非常严格和复杂，成本昂贵。图5-7所示为半导体辐射热电偶的结构示意图。图中用涂黑的金箔将N型半导体材料和P型半导体材料连在一起构成热结，另一端（冷端）将产生温差电势，P型半导体的冷端带正电，N型半导体的冷端带负电。,开路电压UOC与入射辐射使金箔产生的温升T的关系为UOC=M12T(6)式中，M12为塞贝克常数，又称温差电势率（V/）。,辐射热电偶在恒定辐射作用下，用负载电阻RL将其构成回路，将有电流I流过负载电阻，并产生电压降UL，则(7),(7)式中，W0为入射辐射能量（W）；为金箔的吸收系数；Ri为热电偶的内阻；M12为热电偶的温差电势率；G为总热导（W/m）。,若入射辐射为交流辐射信号则产生的交流信号电压为(8)式中，=2f，f为交流辐射的调制频率，T为热电偶的时间常数，,其中的RQ、CQ、G分别为热电偶的热阻、热容和热导。热导G与材料的性质及周围环境有关，为使热电导稳定，常将热电偶封装在真空管中，因此，通常称其为真空热电偶。,二、热电偶的基本特性参数真空热电偶的基本特性参数为：灵敏度S、比探测率D*、响应时间和小可探测功率NEP等参数。1.灵敏度S(响应度）在直流辐射作用下，热电偶的灵敏度S0为(4-22),在交流辐射信号作用下，热电偶的灵敏度S为(4-23)由(4-22)式可见，在直流辐射下，提高热电偶的响应率最有效的办法：选用塞贝克系数M12较大的材料，增加辐射的吸收率，减小内阻Ri，减小热导G等,但T=CQ/G变大。,由(4-23)式可见，在交流辐射信号的作用下，提高热电偶交流响应率最有效的办法：降低工作频率，减小时间常数T。但是，热电偶的响应率与时间常数是一对矛盾（尤其是在直流辐射或低频时），应用时只能兼顾。,2.响应时间热电偶的响应时间约为几毫秒到几十毫秒左右，比较大，在BeO衬底上制造Bi-Ag结热电偶有望得到更快的时间响应，响应时间可达到或小于10-7s。3.最小可探测功率Pmin（或NEP）取决于探测器的噪声，主要有热噪声和温度噪声，电流噪声几乎被忽略。半导体热电偶的NEP10-11W左右。,三、热电堆探测器为了减小热电偶的响应时间提高灵敏度，常把辐射接收面分为若干块，每块都接一个热电偶，并把它们串联（热容变小）。,1.热电堆的灵敏度St式中，n为热电堆中热电偶的对数（或PN结的个数），S为热电偶的灵敏度。热电堆的响应时间常数为式中,为热电堆的热容量，为热电堆的热阻抗。,从上二式可看出：若使高速化和提高灵敏度两者并存，就要在不改变的情况下减小热容。热阻抗由导热通路的长和热电堆以及膜片的剖面面积比决定。,四、使用热电偶的注意事项（1）不许强辐射照射，max几十微瓦（2）电流1/为晶体内部自由电荷起中和作用的时间的情况下，一旦稳定，则无电荷的释放，即无信号输出。,三、热释电系数P设电极面积为A，面束缚电荷密PS=Q/A则信号电压大小为,当T较小时，热释电系数P=dPS/T，可看成常数V正比于温度的变化速度dT/dtV不取决于晶体与辐射是否达到热平衡。,作业,1辐射度量与光度量的根本区别是什么？2试举例说明辐射出射度Me与辐射照度Ee是两个意义不同的物理量。3一台氦氖激光器发出波长为0.6328m的激光束，其功率为3mW，光束平面发散角为0.02mrad，放电毛旧管直径为1mm，试求：,（1）当V0.6328=0.4时，此光束的辐射通量、光通量、发光强度、光出射度各为多少？（2）若将其投影到6m远处的屏幕上，屏幕的光照度为多少？4已知本征硅材料的禁带宽度Eg1.2eV，求该材料的本征吸收长波限。5若已知光生伏特器件的光电