半导体光电检测器件及应用5

工作原理：是基于光辐射与物质相互作用的热效应而制成的器件。热效应：器件吸收入射辐射产生温升引起材料物理性质的变化，输出电信号。热电传感器件：是将入射到器件上的辐射能转换成热能，然后将热能转换成电能的器件。第1页/共50页热探测器件又称为无选择性探测器（对全波长有相同的响应率）特点：工作时不需要制冷，光谱响应无波长选择性等。分类：热敏电阻、热电偶检测器、热释电器件第2页/共50页3对热电探测器的分析可分为两步：第一步是确定温升：按系统的热力学特性来确定入射辐射所引起的温度升高ΔT（共性）；第二步是确定参量变化：根据温升来确定具体探测器输出信号的性能（个性）。第一步对各种热电探测器件都适用，而第二步则随具体器件而异。首先讨论第一步的内容，第二步在讨论各种类型的探测器时再作分析。第3页/共50页4两种主要的热电效应：温差电效应：温差产生电动势（塞贝克效应）热电偶和热电堆热释电效应：辐射变化引起表面电荷变化热释电探测器光吸收温度上升电学特性变化

——电参数输出光热转换热电转换特点：在宽广的波段有均匀的光谱响应响应速度慢第4页/共50页热探测器与前面讲述的各种光电器件相比具有下列特性：响应率与波长无关，属于无选择性探测器；受热时间常数（热惯性）的制约，响应速度比较慢；热探测器的探测率比光子探测器的峰值探测率低；可在室温下工作。第5页/共50页半导体对光的吸收本征和杂质吸收产生光生载子晶格吸收、自由电子吸收不产生光生载子光电导率变化，伴随少量的热能产生热能产生，温升造成电阻值变化光敏电阻热敏电阻第6页/共50页7热敏电阻(Bolometer)第7页/共50页8原理：吸收辐射，产生温升，从而引起材料电阻的变化。主要材料类型：金属、半导体和超导体。共同点：都敏感于辐射，光谱响应基本上与入射辐射的波长无关。吸收辐射—温升---电阻变化热敏电阻在电子电路中的符号第8页/共50页1.温度系数aT

表示温度变化1℃时，热电阻实际阻值的相对变化：工作原理和结构式中，R为环境温度为热力学温度T时测得的实际阻值。正温度系数（PTC）的热敏电阻温度系数：负温度系数（NTC）的热敏电阻温度系数：随温度T变化很大，并与材料常数B成正比。第9页/共50页10由热敏材料制成的厚度为0.01mm左右的薄片电阻粘合在导热能力高的绝缘衬底上，电阻体两端蒸发金属电极以便与外电路连接；再把衬底同一个热容很大、导热性能良好的金属相连构成热敏电阻。（使用热特性不同的衬底，可使探测器的时间常量由大约1ms变为50ms）红外辐射通过探测窗口投射到热敏元件上，引起元件的电阻变化。为了提高热敏元件接收辐射的能力（提高吸收系数），常将热敏元件的表面进行黑化处理。

2.结构第10页/共50页（1）金属材料-正温度系数热敏电阻(PTR)由金属材料构成的测辐射热计：一般金属的能带结构外层无禁带，自由电子密度很大，以致外界光作用引起的自由电子密度相对变化较半导体而言可忽略不计。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，因晶格振动的加剧妨碍了自由电子作定向运动，从而电阻温度系数是正的.PositiveTemperatureCoefficient(PTC)thermistors适宜材料有铂、铜、镍、铁等。分类1、按原理分第11页/共50页12由半导体材料制成的测辐射热计：半导体材料对光的吸收除了直接产生光生载流子的本征吸收和杂质吸收外，还有不直接产生载流子的晶格吸收和自由电子吸收等，并且不同程度地转变为热能，引起晶格振动的加剧，器件温度的上升，即器件的电阻值发生变化。其中部分电子能够从价带跃迁到导带成为自由电子，使电阻减小，电阻温度系数是负的。又因为各种波长的辐射都能被材料吸收，只是吸收不同波长的辐射，晶格振动加剧的程度不同而已,对温升都有贡献，所以它的光谱响应特性基本上与波长无关。（2）半导体电阻材料-负温度系数热敏电阻(NTR)NegativeTemperatureCoefficient(NTC)thermistors半导体类的多为金属氧化物，例如氧化锰、氧化镍、氧化钴等。第12页/共50页图示分别为半导体和金属（白金）的温度特性曲线。白金的电阻温度系数为正值，大约为0.37%左右；半导体材料热敏电阻的温度系数为负值，大约为-3%～-6%，约为白金的10倍以上。所以热敏电阻探测器常用半导体材料制作而很少采用贵重的金属第13页/共50页14电阻温度系数多为正电阻温度系数绝对值小电阻变化与温度变化的关系基本上是线性的耐高温能力和稳定性较强多用于温度的模拟测量。金属材料的特点电阻温度系数多为负电阻温度系数绝对值大，比一般金属电阻大10～100倍电阻变化与温度变化的关系基本上是非线性的耐高温能力和稳定性较差多用于辐射探测。例如防盗报警、防火系统、热辐射体搜索和跟踪等。半导体材料的特点第14页/共50页15（3）其它类型

除了热敏电阻类的测辐射热计外，还有超导测辐射热计、碳测辐射热计和锗测辐射热计。碳测辐射热计：已用于极远红外波段的光谱测量。敏感元件是从碳电阻上切下来的一小块，致冷到2.1K时，其D*要比热敏电阻测辐射热计高一个数量级。锗测辐射热计：敏感元件是锗掺镓单晶，致冷到2.1K时，其D*比热敏电阻测辐射热计约高1～2个数量级，它的光谱响应可延伸到1000µm以外。超导测辐射热计：它利用了金属或半导体由正常态向超导态过渡时，电阻随温度急剧变化的性能。电阻温度系数可达5000％。这种测辐射热计灵敏度很高，可用以精密测量很弱的辐射如红外辐射和激光的功率。超导材料多为铌、钽、铅或锡的氮化物。但为保持住转变期温度，所需制冷量很大，控制复杂，目前仅限于实验室。第15页/共50页162、按使用范围分类通用型热敏电阻器特点：价格便宜，温度上限偏低，一般在100度左右，例如圆片形2.热响应速度非常快的热敏电阻器特点：适合微小型化应用、热响应速度非常快的场合应用的温度传感器，一般装在细针尖里面使用或贴在薄膜上使用。直径非常小，达到了lmm以下，热时间常数约为普通热敏电阻器的10分之一。3.高温型热敏电阻器特点：温度上限可扩展到500度左右4.微测辐射热计（(Microbolometer)）特点：主要用于红外辐射测量第16页/共50页17热敏电阻应用范围家用电器（如空调机、微波炉、电风扇、电取暖炉等）的温度控制与温度检测办公自动化设备（如复印机、打印机等）的温度检测或温度补偿。工业、医疗、环保、气象、食品加工设备的温度控制与检验。仪表线圈、集成电路、石英晶体振荡器和热电偶的温度补偿。热敏电阻特点稳定性好、可靠性高。阻值范围宽：0.1～1000KΩ阻值精度高。第17页/共50页热敏电阻使用说明自身的发热进行补偿温度特性的非线性：根据器件手册，建立温度-阻值之间的查找表，利用查表的方式进行对应的温度计算稳定性和老化：正温度系数热敏电阻器和临界温度热敏电阻器特性的均匀性要差于负温度系数热敏电阻器第18页/共50页19热电偶又称温差电偶，1826年就出现。其工作原理是热电效应。热电偶是温度测量中应用最普遍的测温器件，它的特点是测温范围宽，性能稳定，有足够的测量精度，能够满足工业过程温度测量的需要；结构简单，动态响应好；输出为电信号，可以远传，便于集中检测和自动控制。热电偶检测器第19页/共50页热电偶的结构示意图两种不同的导体A和B两端相互紧密地连接在一起，组成一个闭合回路，当两接触点温度不等（T>T0）时，回路中就会产生电动势，从而形成热电流，这一现象称为热电效应，回路中产生的电动势称为热电势热电偶工作原理第20页/共50页热电势由两部分组成：接触电势-温差电势热电势第21页/共50页温差电势热电极A和B紧密连接在一起，由于电极材料的成分不同，其电子密度也不同，于是在接触面上便产生自由电子的扩散现象接触电势源第22页/共50页温差电势温差电势是由于同一导体的两端温度不同，即存在着温度梯度而产生的热电势T、T0为电极两端的热力学温度；δA、δB为电极的汤姆逊系数第23页/共50页24T+ΔTJ1BAJ2IGΦc辐射热电偶T+ΔTNPTTRLI+_涂黑金箔半导体辐射热电偶采用金属材料制成，用于探测入射辐射，温升小，对材料的要求高，结构严格且复杂，成本高。P型半导体冷端带正电，N型半导体冷端带负电，最小可检测功率一般为10-11W。第24页/共50页第三导体的引入在实际应用中，热电偶回路中需接入测量仪表相当于在热电偶回路中接入第三导体在A、B材料组成的热电偶回路中接入第三导体C第25页/共50页热电偶冷端温度误差及其补偿热电偶利用导体结点间的温差电动势实现对温度的测量，因此，冷端的温度必须保持恒定，或者通过其它方式对其温度变化进行补偿，才能实现对待测温度的准确测量补偿方法恒温法冷端补偿器法第26页/共50页恒温法冷端0度恒温第27页/共50页冷端补偿器法工业上，常采用简便的冷端补偿器法。冷端补偿器是一个四臂电桥，其中三个桥臂电阻的温度系数为零，另一桥臂采用铜电阻RCu（其值随温度变化），放置于热电偶的冷结点处第28页/共50页热电偶具有以下特性:（1）若热电偶两电极材料相同，

则无论两结点温度如何，总热电势为零；（2）若热电偶两结点温度相同，

则尽管A、B材料不同，回路中的总电势等于零；（3）热电偶产生的热电势只与材料和结点温度有关

与电极的尺寸、形状等无关，

电极材料相同的热电偶可以互换；（4）热电偶A、B的结点温度为T1、T3时的热电势

等于此热电偶在结点温度为T1、T2与T2、T3

两个不同状态下的热电势之和;（5）当热电极A、B选定后，热电势EAB(T,T0)

是两结点温度T和T0的函数差第29页/共50页热电偶的应用钨铼系热电偶主要应用在超高温的测量中钨铼系热电偶—200-300℃,其上限主要受绝缘材料的限制；就其电极材料本身的耐温情况来看，其测温上限可高达2800℃，它们适用于惰性气体及氢气之中，在真空中也可短期使用第30页/共50页热电偶的应用铠装热电偶具有良好的机械性能，抗震抗冲击，适合各种条件下的工业现场使用，尤适于高压容器内的温度测量常见热电偶铠装第31页/共50页32热电堆工作原理

热电堆提高了热电偶的响应时间和灵敏度。其结构是多个热电偶串联。热电堆的灵敏度为每个热电偶灵敏度的和。总结：热电偶型红外辐射探测器的时间常数较大，响应时间长，动态特性差，被测辐射变化频率一般应在10Hz以下。第32页/共50页热电偶检测器热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一，热电偶工作原理是基于赛贝克(seeback)效应,即两种不同成分的导体两端连接成回路，如两连接端温度不同，则在回路内产生热电流的物理现象。热电偶的优点：

①测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。

②测量范围广。常用的热电偶从-50~+1600℃均可测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃（如金铁镍铬），最高可达+2800℃（如钨-铼）。

③构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和接头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。

适合高低温环境温度测量。如：在陶瓷生产中热电偶是热工监测与测试的计量工具。第33页/共50页热释电探测器(Pyroelectricinfrareddetector)第34页/共50页

热释电探测器原理极性晶体

极性晶体在外电场和应力均为零的情况下，晶体内正负电荷的中心并不重合，而是呈现电偶极矩，也就是说，晶体本身具有自发的电极化。第35页/共50页热释电效应温度产生变化，晶体中离子间的距离和电偶极距的角度发生变化，从而导致自发极化强度和面束缚电荷产生变化，在垂直于极轴的两个端面之间产生微小的电压，在有外部回路时，产生电流，可响应快速的温度变化，这种现象被称为热释电效应。

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当红外辐射照射到已经极化的热释电晶体时，引起温度升高，表面电荷减少，相当于热“释放”了部分电荷。释放的电荷变成电信号输出。如果辐射持续作用，表面电荷将达到新的平衡，不再释放电荷，也不再有电信号输出。因此，热释电器件不同于其他光电器件，在恒定辐射作用的情况下输出的电信号为零；只有在交变辐射的作用下才会有信号输出。

第37页/共50页热释电晶体的自发极化强度PS（单位面积上的电荷量）与温度的关系，利用这一关系制造的热敏探测器称为热释电器件第38页/共50页面电极结构：电极置于热释电晶体的前后表面上,其中一个电极位于光敏面内。这种电极结构的电极面积较大，极间距离较少，因而极间电容较大，故其不适于高速应用。此外，由于辐射要通过电极层才能到达晶体，所以电极对于待测的辐射波段必须透明。边电极结构：电极所在的平面与光敏面互相垂直，电极间距较大，电极面积较小，因此极间电容较小。由于热释电器件的响应速度受极间电容的限制，因此，在高速运用时以极间电容小的边电极为宜。

热释电探测器的基本结构第39页/共50页硫酸三甘肽（TGS）晶体热释电器件

热释电系数较大，介电常数较小，探测率D*值较高，在较宽的频率范围内，灵敏度较高可在室温下工作，具有光谱响应宽、灵敏度高，是一种性能优良的红外探测器，广泛应用红外光谱领域

常见热释电探测器种类第40页/共50页掺丙乙酸的TGS（LATGS）

锁定极化特点，即温度由居里温度以上降到室温，仍无退极化现象。掺杂后TGS晶体的介电损耗减小，介电常数下降，前者降低了噪声，后者改进了高频特性。

第41页/共50页铌酸锶钡(SBN)热释电器件钡含量的提高而使居里温度相应提高，在大气条件下性能稳定，无需窗口材料，电阻率高，热释电系数大，机械强度高，在红外波段吸收率高，可不必涂黑，可用于快速光辐射的探测。在钡含量x<0.4时，如不加偏压，在室温下就趋于退极化；而当x>0.6时，晶体在生长过程会开裂第42页/共50页钽酸锂（LiTaO3）

在室温下它的响应约为TGS的一半，但在低于零度或高于45℃时都比TGS好。居里温度高，室温下的响应率几乎不随温度变化，可在很高的环境温度下工作，且能够承受较高的辐射能量，不退极化，它的物理化学性质稳定，不需要保护窗口；机械强度高，响应快，适于探测高速光脉冲。第43页/共50页压电陶瓷热释电器件

压电陶瓷器件的特点是热释电系数较大，介电常数也较大，二者的比值并不高。其机械强度高、物理化学性能稳定、电阻率可以控制，能承受的辐射功率超过LiTaO3热释电器件，居里温度高，不易退极化，这种热释电器件容易制造，成本低廉第44页/共50页聚合物热释电器件有机聚合物热释电材料的导热小，介电常数也小；易于加工成任意形状的薄膜；其物理化学性能稳定，造价低廉；虽然热释电系数不大，但介电系数也小，所以两者比值并不小。第45页/共50页

热释电探测器的应用热释电探测器应用

空中与地面侦察、入侵报警、战地观察、火情观测、医用热成像、环境污染监视艾托斯－D卫星上装备有使用热释电晶体TGS的垂直温度分布辐射计云雨6号卫星上所使用的压力调制辐射计和地球平衡测量仪第46页/共50页47

热释电器件是一种利用热释电效应制成的热探测器件。与其它热探测器相比，热释电器件具有以下优点：①具有较宽的频率响应，工作频率接近MHz，远超其它热探测器的工作频率。一般热探测器的时间常数典型值在1～0.01s范围内，热释电器件的有效时间常数低达10-4～3×10-5s；②热释电器件的探测率高；③热释电器件可以有大面积均匀的敏感面，而且工作时可以不外加接偏置电压；④与热敏电阻相比，它受环境温度变化的影响更小；⑤热释电器件的强度和可靠性比其它多数热探测器都要好，