光电检测技术与应用-3光电检测器件的工作原理

1、光电检测技术及应用光电检测技术及应用 第三章第三章 光电检测器件的工作原理光电检测器件的工作原理 上一章主要内容回顾上一章主要内容回顾 一、光源的分类一、光源的分类 二、发光二极管二、发光二极管 三、激光器三、激光器 光的基本性质光的基本性质 牛顿牛顿微粒说微粒说 根据光直线传播现象根据光直线传播现象,高速微粒，对反射和折射做了解高速微粒，对反射和折射做了解 释释 不能解释较为复杂的光现象：干涉、衍射和偏振不能解释较为复杂的光现象：干涉、衍射和偏振 波动理论波动理论 惠更斯、杨氏和费涅耳等，光是一种波动，由发光体惠更斯、杨氏和费涅耳等，光是一种波动，由发光体 引起，和声一样依靠媒质传播，随后被

2、证实电磁波引起，和声一样依靠媒质传播，随后被证实电磁波 麦克斯韦电磁理论：光是一种电磁波麦克斯韦电磁理论：光是一种电磁波 解释了光的干涉和衍射现象，但不能解释光与物质相解释了光的干涉和衍射现象，但不能解释光与物质相 互作用中的能量量子化转换的性质。互作用中的能量量子化转换的性质。 光的基本性质光的基本性质 光量子说光量子说 1905年，爱因斯坦在解释光电发射现象时提年，爱因斯坦在解释光电发射现象时提 出光量子的概念出光量子的概念 光子的能量与光的频率成正比光子的能量与光的频率成正比 光具有波粒二象性光具有波粒二象性 光既可以看作光既可以看作光波光波又可以又可以 看作看作光子流光子流，光子，光子

3、 是是电磁场能量和动量量子化电磁场能量和动量量子化的粒子，电磁波的粒子，电磁波 是是光子的概率波光子的概率波 光作为波的属性用波长和频率来描述，作为光作为波的属性用波长和频率来描述，作为 光子的属性用能量和动量来表征光子的属性用能量和动量来表征 辐射度的基本物理量 辐射能Qe ：一种以电磁波的形式发射、传播 或接受的能量。单位：焦耳J 辐射通量e：单位时间内通过一定面积发射、 传播或接受的能量，又称辐射功率Pe，是辐 射能的时间变化率。单位：瓦 辐射强度e：点辐射源在给定方向上通过单 位立体角内的辐射通量。单位：W/Sr 辐射度的基本物理量 辐射照度Ee：投射在单位面积上的辐射通量。单 位：W

4、/m2 辐射出射度e ：扩展辐射源单位面积所辐射的 通量（也称辐射本领）。单位：W/m2 辐射亮度e ：辐射表面定向发射的辐射强度。单 位：W/m2Sr 光谱辐射通量e（）：辐射通量的光谱密度，即 单位波长间隔内的辐射通量。 基本辐射度量的名称、符号和定义方程基本辐射度量的名称、符号和定义方程 名称符号定义方程单位符号 辐射能Q,焦耳J 辐射能密度焦耳立方米Jm-3 辐射通量， 辐射功率 瓦特W 辐射强度瓦特球面度Wsr-1 辐射亮度 瓦特球面度 平方米 Wm-2 sr-1 辐射出射度瓦特平方米Wm-2 辐射照度瓦特平方米Wm-2 dvdQw/ P w dtdQ / ddI/ cos/ 2 d

5、AddL cos/dAdI dAdM/ dAdE/ 光度量的最基本单位 发光强度Iv：发出波长为555nm的单色辐射，在给 定方向上的发光强度规定为1cd。单位：坎德拉 （Candela）cd，它是国际单位制中七个基 本单位之一。 光通量v：光强度为1cd的均匀点光源在1sr内发 出的光通量。单位：流明lm。 光照度Ev：单位面积所接受的入射光的量 ，单位： 勒克斯lx，相当于 1平方米面积上接受到1个 流明的光通量。 光度的基本物理量 光度量和辐射度量的定义、定义方程是一 一对应的。辐射度量下标为e，例如Qe，e， Ie，Me，Ee，光度量下标为v，Qv，v，Iv， Lv，Mv，Ev。 光度

6、量只在可见光区（ nm)才有意义。 辐射度量和光度量都是波长的函数。 晴天阳光直射地面照度约为晴天阳光直射地面照度约为100000lx 晴天背阴处照度约为晴天背阴处照度约为10000lx 晴天室内北窗附近照度约为晴天室内北窗附近照度约为2000lx 晴天室内中央照度约为晴天室内中央照度约为200lx 晴天室内角落照度约为晴天室内角落照度约为20lx 阴天室外阴天室外50500lx 阴天室内阴天室内550lx 月光（满月）月光（满月）2500lx 日光灯日光灯5000lx 电视机荧光屏电视机荧光屏100lx 阅读书刊时所需的照度阅读书刊时所需的照度5060lx 在在40W白炽灯下白炽灯下1m远处

7、的照度约为远处的照度约为30lx 晴朗月夜照度约为晴朗月夜照度约为0.2lx 黑夜黑夜0.001lx 一、光电检测器件的物理基础一、光电检测器件的物理基础 1、光电发射第一定律、光电发射第一定律斯托列托夫定律：斯托列托夫定律： 其中：其中：Ik：光电流：光电流 , F：是入射辐射通量，单位是：是入射辐射通量，单位是 lm; S 是光电阴极灵敏度（积分灵敏度）是光电阴极灵敏度（积分灵敏度）,单位是单位是 A/lm 。 当照射到光阴极上的入射光频率或频谱成分不变时，饱当照射到光阴极上的入射光频率或频谱成分不变时，饱 和光电流（即单位时间内发射的光电子数目）与入射光强和光电流（即单位时间内发射的光电

8、子数目）与入射光强 度成正比：度成正比： Ik=SkF 一、光电检测器件的物理基础一、光电检测器件的物理基础 2、光电发射第二定律、光电发射第二定律爱因斯坦定律：爱因斯坦定律： Emax：光电子的最大初动能。：光电子的最大初动能。 h：普朗克常数：普朗克常数h=4.1356674310（-15） eVs （电子伏特秒）。 0：产生光电发射的极限频率，：产生光电发射的极限频率，频率阈值频率阈值。 W0 ：金属电子的：金属电子的逸出功逸出功（从（从 材料表面逸出时所需的最低能量），单位材料表面逸出时所需的最低能量），单位eV，与材料有关的常数，也称功，与材料有关的常数，也称功 函数。函数。 光电子

9、的最大动能与入射光的频率成正比，而与入射光强光电子的最大动能与入射光的频率成正比，而与入射光强 度无关：度无关： vEmax=(1/2)m2max =h- h0 =h- W0 一、光电检测器件的物理基础一、光电检测器件的物理基础 3、结论、结论 u入射光子的能量至少要等于逸出功入射光子的能量至少要等于逸出功W时，才能发生光电时，才能发生光电 发射。发射。 u波长阈值波长阈值0：0=C/0 当入射光波长大于当入射光波长大于0时，不论光强如何，以及时，不论光强如何，以及 照射时间多长，都不会有光电子产生。照射时间多长，都不会有光电子产生。 一、光电检测器件的物理基础一、光电检测器件的物理基础 光电

10、子发射的基本过程光电子发射的基本过程 大致可分三个过程：大致可分三个过程： 1)光射入物体后，物体中的电子吸收光子能量，从基态跃光射入物体后，物体中的电子吸收光子能量，从基态跃 迁到能量高于真空能级的激发态。迁到能量高于真空能级的激发态。 2)受激电子从受激地点出发，在向表面运动过程中免不受激电子从受激地点出发，在向表面运动过程中免不 了要同其它电子或晶格发生碰撞，而失去一部分能量。了要同其它电子或晶格发生碰撞，而失去一部分能量。 3)达到表面的电子，如果仍有足够的能量足以克服表面势达到表面的电子，如果仍有足够的能量足以克服表面势 垒对电子的束缚（即逸出功）时，即可从表面逸出。垒对电子的束缚（

11、即逸出功）时，即可从表面逸出。 光电效应：光电效应： 辐射光照射引起材料的辐射光照射引起材料的电学性质电学性质变化，如电导率改变、发变化，如电导率改变、发 射电子、产生感应电动势等。射电子、产生感应电动势等。 光电效应是德国物理学家光电效应是德国物理学家赫兹赫兹发现的，发现的，爱因斯坦给出爱因斯坦给出正确正确 解释。光电效应的深入研究对发展解释。光电效应的深入研究对发展量子理论量子理论起了根本性作用。起了根本性作用。 一、光电检测器件的物理基础一、光电检测器件的物理基础 光电效应光电效应 ( (电学性质电学性质) ) 光热效应光热效应 ( (固体晶格振动固体晶格振动) ) 外光电效应外光电效应

12、 内光电效应内光电效应 光与物质光与物质 的作用的作用 热释电效应热释电效应 辐射热计效应辐射热计效应 温差电效应温差电效应 光电导效应光电导效应 光生伏特效应光生伏特效应 外光电效应器件外光电效应器件 内光电效应器件内光电效应器件 光电管光电管 光电倍增管光电倍增管 光敏电阻光敏电阻 光电池光电池 光敏二极管光敏二极管 光敏三极管光敏三极管 一、光电检测器件的物理基础一、光电检测器件的物理基础 光电效应光电效应 器件器件 一、光电检测器件的物理基础一、光电检测器件的物理基础 外光电效应外光电效应：物体受光照后向外发射电子物体受光照后向外发射电子多发生多发生 于金属和金属氧化物。外光电效应的光

13、电探测器具有于金属和金属氧化物。外光电效应的光电探测器具有 光谱选择性光谱选择性。 内光电效应：内光电效应：物体受到光照后所产生的光电子只在物物体受到光照后所产生的光电子只在物 质内部而不会逸出物体外部质内部而不会逸出物体外部多发生在半导体多发生在半导体 内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应 光电导效应：光电导效应：半导体受光照后，内部产生光生载流子，半导体受光照后，内部产生光生载流子， 使半导体中载流子数显著增加而电阻减少的现象。使半导体中载流子数显著增加而电阻减少的现象。 一、光电检测器件的物理基础一、光电检测器件的物理基础 光生伏特效应：光生伏

14、特效应：光照在半导体光照在半导体PN结或金属结或金属半导体接半导体接 触上时，会在触上时，会在PN结或金属结或金属半导体接触的两侧产生光半导体接触的两侧产生光 生电动势生电动势。 一、光电检测器件的物理基础一、光电检测器件的物理基础 光热效应光热效应 光热效应光热效应：材料受光照射后，光子能量与晶格：材料受光照射后，光子能量与晶格 相互作用，振动加剧，温度升高，材料的性质相互作用，振动加剧，温度升高，材料的性质 发生变化发生变化 热释电效应热释电效应：介质的极化强度随温度变化而变化，引：介质的极化强度随温度变化而变化，引 起电荷表面电荷变化的现象起电荷表面电荷变化的现象 辐射热计效应辐射热计效

15、应：入射光的照射使材料由于受热而造成：入射光的照射使材料由于受热而造成 电阻率变化的现象电阻率变化的现象 温差电效应温差电效应：由两种材料制成的结点出现温差而在两：由两种材料制成的结点出现温差而在两 结点间产生电动势，回路中产生电流结点间产生电动势，回路中产生电流 2.12.1 光电导效应光电导效应 光照射到光照射到半导体半导体材料上，电子吸收光子的能量，从原来的材料上，电子吸收光子的能量，从原来的束束 缚态缚态变成导电的变成导电的自由态自由态。即。即非传导态非传导态电子变为电子变为传导态传导态电子，引起电子，引起 载流子浓度增大载流子浓度增大。 在外电场的作用下，流过半导体的电流会增大，即半

16、导体的在外电场的作用下，流过半导体的电流会增大，即半导体的 电导增大电导增大，这种现象叫，这种现象叫光电导效应光电导效应。 光电导材料：光电导材料：硅、锗掺杂和硅、硅、锗掺杂和硅、 锗合金掺杂等。锗合金掺杂等。 光电导效应器件：光电导效应器件：光敏电阻光敏电阻。 二、光电效应二、光电效应 导体、半导体和绝缘体 自然存在的各种物质，分为气体、液体、固体。自然存在的各种物质，分为气体、液体、固体。 固体按导电能力可分为：导体、绝缘体和介于两固体按导电能力可分为：导体、绝缘体和介于两 者之间的半导体。者之间的半导体。 电阻率电阻率10-6 10-3欧姆欧姆厘米范围内厘米范围内导体导体 电阻率电阻率1

17、012欧姆欧姆厘米以上厘米以上绝缘体绝缘体 电阻率介于导体和绝缘体之间电阻率介于导体和绝缘体之间半导体半导体 半导体的特性 半导体电阻温度系数一般是负的，而且对温度变半导体电阻温度系数一般是负的，而且对温度变 化非常敏感。根据这一特性，热电探测器件。化非常敏感。根据这一特性，热电探测器件。 导电性受极微量杂质的影响而发生十分显著的变导电性受极微量杂质的影响而发生十分显著的变 化。化。（纯净（纯净Si在室温下电导率为在室温下电导率为5*10-6/(欧姆欧姆厘米厘米)。掺入。掺入 硅原子数百万分之一的杂质时，电导率为硅原子数百万分之一的杂质时，电导率为2 /(欧姆欧姆厘米厘米) 半导体导电能力及性

18、质受光、电、磁等作用的影半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用的影 响。响。 本征和杂质半导体 本征半导体就是没有杂质和缺陷的半导体。 在绝对零度时，价带中的全部量子态都被电子占据， 而导带中的量子态全部空着。 在纯净的半导体中掺入一定的杂质，可以显著地控制 半导体的导电性质。 掺入的杂质可以分为施主杂质和受主杂质。 施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子， 同时向导带提供电子，使半导体成为电子导电的n型半 导体。 受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子， 同时向价带提供空穴，使半导体成为空穴导电的p型半 导体。 平衡和非平衡载流子 处于热平衡状态的半导体，在一定温度下，载流 子浓

19、度一定。这种处于热平衡状态下的载流子浓 度，称为平衡载流子浓度。 半导体的热平衡状态是相对的，有条件的。如果 对半导体施加外界作用，破坏了热平衡的条件， 这就迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态，称 为非平衡状态。 处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度也不再 是平衡载流子浓度，比它们多出一部分。比平衡 状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子。 非平衡载流子的产生 光注入光注入：用光照使得半导体内部产生非平衡载流子。 当光子的能量大于半导体的禁带宽度时，光子就能把 价带电子激发到导带上去，产生电子空穴对，使导 带比平衡时多出一部分电子，价带比平衡时多出一部 分空穴。 产生的非平衡电子浓度等于价带

20、非平衡空穴浓度。 光注入产生非平衡载流子，导致半导体电导率增 加。 其它方法其它方法：电注入、高能粒子辐照等。 非本征非本征光电导效应光电导效应( (杂质光电导效应杂质光电导效应) ) 本征本征光电导效应光电导效应 本征型半导体：本征型半导体： 晶格完整晶格完整且且不含杂质不含杂质的晶体半导体。参与导电的电子和的晶体半导体。参与导电的电子和 空穴的数目空穴的数目相等相等，如硅和锗。，如硅和锗。 非本征半导体：非本征半导体： 半导体中添加施主或受主物质（称为半导体中添加施主或受主物质（称为掺杂物掺杂物），使本征），使本征 半导体产生半导体产生额外的电导额外的电导，成为非本征半导体。，成为非本征半

21、导体。 非本征半导体由于添加受主型杂质或施主型杂质分别成非本征半导体由于添加受主型杂质或施主型杂质分别成 为为p型半导体或型半导体或N型半导体型半导体。 二、光电效应二、光电效应 能带理论：能带理论： 固体中运动电子的能量谱是由一系列准连续的具有一定宽固体中运动电子的能量谱是由一系列准连续的具有一定宽 度的度的能带能带(称为称为允带允带)所组成。两个相邻的允带之间的区域为不所组成。两个相邻的允带之间的区域为不 能被电子占据的能量禁区，称为能被电子占据的能量禁区，称为禁带禁带。禁带所覆盖的能量区。禁带所覆盖的能量区 间即为间即为禁带宽度禁带宽度。 2.1.1 2.1.1 本征光电导效应本征光电导

22、效应 光子能量大于材料光子能量大于材料禁带宽度禁带宽度的入射光，激发出电子空穴的入射光，激发出电子空穴 对，使材料产生对，使材料产生光电导效应光电导效应现象。现象。 禁带宽度：禁带宽度： 导带的能量导带的能量下边界下边界和价带的能量和价带的能量上上 边界边界之间的间隙。之间的间隙。 二、光电效应二、光电效应 光照激发电子由光照激发电子由价带价带跃过跃过禁带禁带进入进入导带导带的条件是：的条件是： g Eh 能够激发电子的光辐射能够激发电子的光辐射截止波长截止波长： )( 24. 1 0 m EE hc gg cv 本征半导体光电效应现象：本征半导体光电效应现象： 电场、光照、光电流电场、光照、

23、光电流 即只有波长小于即只有波长小于 的入射光，才能产生本征光电导。的入射光，才能产生本征光电导。 0 二、光电效应二、光电效应 光电导的弛豫光电导的弛豫 光照射到样品后，光光照射到样品后，光 电导电导逐渐逐渐增加，光照停止，增加，光照停止， 光电导在一段时间内光电导在一段时间内逐渐逐渐 消失。消失。 反应了光电导对光强反应了光电导对光强 变化反应的变化反应的快慢快慢。 弛豫特性限制了器件弛豫特性限制了器件 对对调制频率高的光功率调制频率高的光功率的的 响应。响应。 矩形脉冲光照下光电导弛豫过程矩形脉冲光照下光电导弛豫过程 二、光电效应二、光电效应 dr t M 光电导增益是表征光电导器件特性

24、的一个重要参数。光电导增益是表征光电导器件特性的一个重要参数。 它表示长度它表示长度L L的光电导体在电压的光电导体在电压U U下，光照产生的光生载下，光照产生的光生载 流子形成的外电流与光生载流子在内部形成的光电流之比。流子形成的外电流与光生载流子在内部形成的光电流之比。 M M为光电导增益，为光电导增益， 为器件的响应时间，为器件的响应时间， 为载流子在为载流子在 两极间渡越时间。两极间渡越时间。 dr t 光电导增益与带宽之积为常数，即光电导增益与带宽之积为常数，即光电灵敏度与带宽是光电灵敏度与带宽是 矛盾的矛盾的。 书书P13P13，最下面的文字。，最下面的文字。 光电导的增益光电导的

25、增益 二、光电效应二、光电效应 典型结构型式：典型结构型式： 绝缘基底、光电导材料薄绝缘基底、光电导材料薄 膜、电极、引线、带有膜、电极、引线、带有窗口窗口的的 金属或塑料外壳内。金属或塑料外壳内。 蛇形光敏面蛇形光敏面 即保证有较大的受光面，也可以减小即保证有较大的受光面，也可以减小 电极之间的距离，从而减小载流子的两极电极之间的距离，从而减小载流子的两极 间渡越时间，提高灵敏度间渡越时间，提高灵敏度 二、光电效应二、光电效应 N N型光电半导体型光电半导体施主施主能级中的能级中的电子电子跃迁到导带中跃迁到导带中 去，电子为主要载流子，增加了去，电子为主要载流子，增加了自由电子的浓度自由电子

26、的浓度。 P P型光电半导体型光电半导体价带中的电子跃迁到价带中的电子跃迁到受主受主能级，能级， 与受主能级中的空穴复合，而在价带中留有与受主能级中的空穴复合，而在价带中留有空穴空穴，作为主，作为主 要载流子参加导电。要载流子参加导电。增加了空穴的浓度增加了空穴的浓度。 是杂质半导体中的是杂质半导体中的施主（受主）施主（受主）吸收光子能量后吸收光子能量后电离电离， 产生自由电子或空穴，使材料电导率增加。产生自由电子或空穴，使材料电导率增加。 2.1.22.1.2 杂质光电导效应杂质光电导效应 二、光电效应二、光电效应 电离能级电离能级比比禁带宽度禁带宽度小很多小很多； 非本征的光谱响应非本征的

27、光谱响应波长波长比本征光电导的比本征光电导的长长； 杂质原子数目少，杂质原子数目少，杂质光电导效应比本征光电导微弱。杂质光电导效应比本征光电导微弱。 多数非本征半导体器件工作在低温状态，多数非本征半导体器件工作在低温状态，避免热激发的避免热激发的 载流子产生的噪声超过光激发的信号载流子，常放在装载流子产生的噪声超过光激发的信号载流子，常放在装 有有制冷剂的容器制冷剂的容器中使用。中使用。 本征与非本征效应的比较：本征与非本征效应的比较： 书书P14，中间一段文字，中间一段文字。 二、光电效应二、光电效应 光照射光照射PNPN结结，在，在PNPN结两端出现电动势，称为光生电动势，结两端出现电动势

28、，称为光生电动势， 这种现象就是光生伏特效应，简称这种现象就是光生伏特效应，简称光伏效应光伏效应。 PN PN结材料结材料 同质结同质结同一种半导体掺杂突变形成的同一种半导体掺杂突变形成的 异质结异质结两种不同半导体接触形成的两种不同半导体接触形成的 肖特基结肖特基结金属与半导体结合形成的金属与半导体结合形成的 2.1.32.1.3 光生伏特效应光生伏特效应 光伏器件：光伏器件：光电池、光敏二极光电池、光敏二极 管、光敏管、光敏PINPIN管、雪崩光敏二极管。管、雪崩光敏二极管。 二、光电效应二、光电效应 PN结的光生电动势：结的光生电动势： 无光照时，无光照时，PN结存在内部自结存在内部自

29、建电场建电场E； 当光照射当光照射PN结时，载流子结时，载流子在在 能量足够大的光子作用下，在结能量足够大的光子作用下，在结 区及其附近就产生少数载流子区及其附近就产生少数载流子。 载流子的移动产生附加电动载流子的移动产生附加电动 势势，此电动势称为，此电动势称为光生电光生电动势动势。 光生伏光生伏特效应示意图特效应示意图 二、光电效应二、光电效应 光电流：光电流： 通过负载构成闭合回路，就会有电流。通过负载构成闭合回路，就会有电流。 辐射光不停止，电流不消失。辐射光不停止，电流不消失。 g Eh 注意：注意： 产生光生伏特的产生光生伏特的条件条件是：是： 与照射光的强度无关；与照射光的强度无

30、关； 光生伏特的光生伏特的大小大小与照射光的与照射光的强度成正比强度成正比。 光生伏特效应检器件比光电导效应检测器件有更快的光生伏特效应检器件比光电导效应检测器件有更快的 响应速度响应速度：（书（书P15P15，中间一段），中间一段） 光生伏特效应是少数载流子的行为，光电导效应是多光生伏特效应是少数载流子的行为，光电导效应是多 数载流子的行为，少数载流子的寿命通常很短。数载流子的行为，少数载流子的寿命通常很短。 二、光电效应二、光电效应 光照光照引起材料引起材料温度温度变化，进而使变化，进而使材料性质材料性质变化。变化。 光电效应与光热效应区别：光电效应与光热效应区别： 光电效应中，光能量直接

31、变为光电效应中，光能量直接变为电子能量电子能量； 光热效应中，光能量使材料光热效应中，光能量使材料晶格振动加剧晶格振动加剧，形成，形成 温升。温升。 热释电效应热释电效应 辐射热计效应辐射热计效应 温差电效应温差电效应 光热光热 效应效应 三、三、 光热效应光热效应 1.1.光热释电效应：光热释电效应： 是指是指光照光照使介质产生使介质产生温生温生，介质的，介质的极化强度极化强度随温度变化，随温度变化， 引起表面引起表面电荷变化电荷变化的现象。的现象。 畸变极化：畸变极化：原子核外的原子核外的电子云分布产生畸变电子云分布产生畸变，产生不等于，产生不等于 零的电偶极矩。零的电偶极矩。 位移极化：

32、位移极化：原来正、负电中心重合的分子，在外电场作用原来正、负电中心重合的分子，在外电场作用 下下正、负电中心分离正、负电中心分离。 转向极化：转向极化：具有固有电偶极矩的分子原来的取向是混乱的，具有固有电偶极矩的分子原来的取向是混乱的， 宏观上电偶极矩总和等于零，在外电场作用下，宏观上电偶极矩总和等于零，在外电场作用下，各个电偶极各个电偶极 子趋向于一致的排列子趋向于一致的排列，从而宏观电偶极矩不等于零。，从而宏观电偶极矩不等于零。 典型极化形式：典型极化形式： 三、三、 光热效应光热效应 热释电效应的特征：热释电效应的特征： 热电材料；热电材料； 垂直于电极化方向的材料表面出现面束缚电荷；垂

33、直于电极化方向的材料表面出现面束缚电荷； 温度升高，极化强度减小，电荷减少，似于释放电荷；温度升高，极化强度减小，电荷减少，似于释放电荷； 温度升高到温度升高到TcTc值值时，自发极化突然消失；（居里温度点时，自发极化突然消失；（居里温度点 光照强度变化，热电体的温度发生变化，面电荷变化。光照强度变化，热电体的温度发生变化，面电荷变化。 极化晶体：极化晶体：自发极化、自发极化、稳态下不能测出稳态下不能测出； 光照光照使自发极化强度变化、使自发极化强度变化、动态测量动态测量。 三、三、 光热效应光热效应 注意：注意： 热释电探测器是一种热释电探测器是一种交流或瞬时交流或瞬时响应的器件响应的器件。

34、 热释电效应热释电效应是指电介质的极化强度随温度变化，释放表面吸附的部分电荷现是指电介质的极化强度随温度变化，释放表面吸附的部分电荷现 象。象。 光热释电效应光热释电效应是指光照引起电介质的温度变化，随之极化强度变化，释放表是指光照引起电介质的温度变化，随之极化强度变化，释放表 面吸附的部分电荷现象。面吸附的部分电荷现象。 典型器件：典型器件： 红外探测器、热电激光量热计、夜视仪、光谱仪。红外探测器、热电激光量热计、夜视仪、光谱仪。 热释电名称的来源：热释电名称的来源： 书书P16，中间一段。，中间一段。 三、三、 光热效应光热效应 红外热释电器件：红外热释电器件： 是对是对红外光红外光敏感的

35、光热释电器件。敏感的光热释电器件。 采用采用高热电系数高热电系数的材料，如锆的材料，如锆(gao)钛酸铅系陶瓷、钽钛酸铅系陶瓷、钽(tan) 酸锂、硫酸三甘钛等。酸锂、硫酸三甘钛等。 敏感红外线能力弱、输出电压信号微弱：敏感红外线能力弱、输出电压信号微弱：为了提高灵敏为了提高灵敏 度、增大探测距离，一般在探测器的前方装设度、增大探测距离，一般在探测器的前方装设菲涅尔透镜菲涅尔透镜， 可将信号放大可将信号放大70分贝以上，敏感距离可达分贝以上，敏感距离可达1020米。为了加米。为了加 大输出信号，常在探头内加大输出信号，常在探头内加场效应管放大场效应管放大。 三、三、 光热效应光热效应 人体发出

36、的红外线波长为人体发出的红外线波长为8-12微米微米，人体的体温一般在，人体的体温一般在 37度。度。 被动式红外探头就是靠探测人体发射的红外线来工作，被动式红外探头就是靠探测人体发射的红外线来工作， 人体发射的红外线通过人体发射的红外线通过菲尼尔滤光片菲尼尔滤光片增强后聚集到热释电元增强后聚集到热释电元 件上。件上。 菲尼尔滤光片具有不同的菲尼尔滤光片具有不同的焦距（感应距离）焦距（感应距离），从而产生，从而产生 不同的不同的监控视场监控视场，视场越多，控制越严密。，视场越多，控制越严密。 在在电子防盗、人体探测器电子防盗、人体探测器领域中，被动式热释电红外探领域中，被动式热释电红外探 测器

37、的应用非常广泛。测器的应用非常广泛。 人体热释电红外传感器人体热释电红外传感器 三、三、 光热效应光热效应 2.2.辐射热计效应辐射热计效应 光的照射使材料由于光的照射使材料由于受热受热引起引起电阻率电阻率变化现象。变化现象。 TRR T 3.3.温差电效应温差电效应（参阅热电偶相关内容）（参阅热电偶相关内容） 当两当两种不同种不同的材料两端并联熔接时，如果两个接头的的材料两端并联熔接时，如果两个接头的温温 度不同度不同，并联回路中就产生电动势，回路中产生电流（热电，并联回路中就产生电动势，回路中产生电流（热电 偶）；偶）； 光照射结点产生温度变化引起光照射结点产生温度变化引起温差电温差电现象；现象； 热电效应（塞贝克效应热电效应（塞贝克效应= =珀尔贴效应珀尔贴效应+ +汤姆逊效应）汤姆逊效应） 为提高测量灵敏度，常将若干个热电偶串联起来使用，为提高测量灵敏度，常将若干个热电偶串联起来使用， 称为热电堆。称为热电堆。 不同于光电导效应！不同于光电导效应！ 三、三、 光热效应