光電子技術(shù)課件

熱探測器：基于光輻射與物質(zhì)相互作用的熱效應(yīng)制成的器件。研究的最早并且得到實(shí)際應(yīng)用。熱探測器種類：熱電偶、熱敏電阻和熱釋電探測器等。優(yōu)點(diǎn)：不需致冷、在全部波長上具有平坦響應(yīng)。缺點(diǎn)：響應(yīng)率較低，響應(yīng)時間較長。應(yīng)用領(lǐng)域：在大于14um的遠(yuǎn)紅外域更廣闊的用途。

第七章熱探測器熱探測器：基于光輻射與物質(zhì)相互作用的熱效應(yīng)制成第七章熱§7.1熱探測器的一般原理光敏元光源溫升物理性質(zhì)變化

探測轉(zhuǎn)換成電信號熱效應(yīng)：§7.1熱探測器的一般原理光敏元光源溫升物理性探測轉(zhuǎn)一、熱探測器吸收光輻射引起的溫度變化

圖7-1，熱探測器的熱回路P=

：入射光功率。H：熱容量，表示升高一度所需的熱量(J／K)。G：熱導(dǎo)，表示與周圍環(huán)境發(fā)生熱交換(W／K)T0：環(huán)境溫度。α：為熱探測器的吸收率。△T+T0:探測器吸收光輻射后的溫度。αP：探測器單位時間吸收的熱量。一、熱探測器吸收光輻射引起的溫度變化圖7-1，熱探測器的熱回(7.1-1)

(7.1-2)

(7.1-3)

探測器溫度升高△T，單位時間內(nèi)所需的熱量為：探測器在單位時間內(nèi)通過熱導(dǎo)流向環(huán)境的熱量流△p為:根據(jù)熱量守恒定律有：上式寫成：為線性非奇次方程，先解奇次方程，再用變易法可以(7.1-4)(7.1-1)(7.1-2)(7.1-3)探測器溫度升

的響應(yīng)時間，其意義為當(dāng)t=τT時，熱探測器的溫升衰減為初始值的1/e。（1）在一定的輻射功率下，探測器應(yīng)有盡可能大的溫度變化。要做到這一點(diǎn)，G應(yīng)盡量小而且調(diào)制頻率要很低，使。(7.1-5)

利用t=0時，可以得到幅值為：：熱探測器的時間常數(shù)，它對應(yīng)于光子探測器的響應(yīng)時間，其意義為當(dāng)t(2)

提高吸收率α，通常對熱探測器光敏元的表面進(jìn)行黑化。(3)降低熱容量H，這是多數(shù)熱探測器的光敏元做得小巧的原因。

(2)提高吸收率α，通常對熱探測器光敏元的表面進(jìn)(3)降低二、熱探測器的極限探測率溫度噪聲：由于熱探測器與周圍環(huán)境之間的熱交換存在著熱流起伏，引起熱探測器的溫度在T0附近呈現(xiàn)小的起伏，這種溫度起伏所引起的熱功率起伏的均方值構(gòu)成了熱探測器的主要噪聲源，稱為溫度噪聲。極限探測率的計算：探測器和環(huán)境的熱交換包括輻射、對流和傳導(dǎo)。當(dāng)探測器光敏元被真空封裝時，熱導(dǎo)主要是輻射熱導(dǎo)。二、熱探測器的極限探測率在理想情況下，光敏面是理想的吸收面，即α＝1；這時輻射熱導(dǎo)GR．根據(jù)黑體輻射為Ad是光敏面的面積，σ=5.67×10-8為(J.S-1.m-2.K-4)斯忒藩一玻耳茲曼常數(shù)。(7.1-6)

若熱探測器的吸收率為常數(shù)，則其輻射熱導(dǎo)與波長無關(guān)，而與溫度的三次方成正比。當(dāng)溫度降低時，輻射熱導(dǎo)將急劇減小。在理想情況下，光敏面是理想的吸收面，即α＝1；這時輻射熱導(dǎo)G將(7.1-6)式帶入溫度噪聲公式，得到溫度噪聲功率為:對于熱探測器來講，如果把熱功率起伏作為入射能量，可以得到噪聲電壓：于是，熱探測器的比探測率為：(7.1-7)

(7.1-8)

將(7.1-6)式帶入溫度噪聲公式，得到溫度噪聲功率為:(7在室溫下，把T=300K，玻爾茲曼常數(shù)k=1.38×10-23J/K和σ=5.67×10-8為(J.S-1.m-2.K-4)代入上式，可得理想熱探測器的極限比理想熱探測器的極限比探測率已接近或達(dá)到一般光子探測器的比探測率。(7.1-12)

§7.2熱釋電探測器一、熱釋電效應(yīng):極化強(qiáng)度變化

面電荷變化

在室溫下，把T=300K，玻爾茲曼常數(shù)k=1.38×10-2第七章--光電子技術(shù)課件熱釋電晶體:鐵電體：某些極性晶體，當(dāng)加上電場后，無規(guī)則排列的自發(fā)極化矢量趨于同一方向，當(dāng)外加電場移去后，這些晶體保持該特性，這類晶體稱為鐵電體。例如：硫酸三甘肽(TGS)、鈮酸鍶鋇(SBN)、鉭酸鋰(LiTaO3)等。TC：居里溫度熱釋電晶體:TC：居里溫度非鐵電體：自發(fā)極化方向不能用外電場來改變，如硫酸鋰(Li2SO4·H20)和電氣石等。熱釋電探測器的工作原理:晶體

頻率ω入射光晶體溫度變化(ω)

極化強(qiáng)度變化(ω)

面電荷密度變化(ω)形成回路電流(id)

非鐵電體：自發(fā)極化方向不能用外電場來改變，如硫酸鋰(Li2S熱釋電探測器的結(jié)構(gòu):面電極置于晶體的前后表面上，一個電極位于光敏面內(nèi)電極面積較大，極間距離較小，因而極間電容較大，故其不適于高速應(yīng)用。電極所在的平面與光敏面互相垂直，電極間距離較大．電極面積較小，故極間電容較小，適于高速探測。熱釋電探測器的結(jié)構(gòu):面電極置于晶體的前后表面上，一個電極位于負(fù)載上的輸出電壓的計算：入射的交變輻射在熱釋電晶體中產(chǎn)生的電流id可表示為:(7.2-1)

PS：熱釋電晶體的極化矢量；熱釋電系數(shù)，表示自發(fā)極化強(qiáng)度隨溫度T的變化率(庫侖／厘米2·K)。

Ad:熱釋電探測器電極面積。電流在負(fù)載電阻RL上產(chǎn)生的輸出電壓為：(7.2-2)負(fù)載上的輸出電壓的計算：入射的交變輻射在熱釋電晶體中產(chǎn)生的電輸出電壓正比于熱釋電系數(shù)γ和溫度變化速率，而與晶體和入射輻射達(dá)到平衡的時間無關(guān)。為了有大的溫度變化率要求光敏材料對光輻射有較大的吸收率，同時有較小的熱容。二、熱釋電探測器的等效電路及輸出電壓計算：

探測器放大器輸出電壓正比于熱釋電系數(shù)γ和溫度變化速率，而二、熱釋電探負(fù)載阻抗RL等效為(7.2-3)

RL模值為：(7.2-4)假設(shè)入射輻射為：那么釋電探測器的溫度T表示為Cd、Rd：熱釋電探測器的電容和電阻；CA、RA：放大器的電容和電阻。（7.2－5）

熱釋電探測器接收恒定光輻射后的溫升;負(fù)載阻抗RL等效為(7.2-3)RL模值為：(7.2-4)(7.2-6)

將7.2-4式和7.2-6代入7.2-2,輸出電壓為微分后可以得到溫度的變化速率為:則電壓幅值為

(7.2-7)

(7.2-6)將7.2-4式和7.2-6代入7.2-2,輸可以得到輸出電壓幅值表達(dá)式

(7.2-8)其中

可以得到輸出電壓幅值表達(dá)式 (7.2-8)其中三、熱釋電探測器的特性1、響應(yīng)率：

(7.2-10)

討論：

(1)當(dāng)入射輻射為恒定輻射(即(ω=0))時，Rv=0,這說明熱釋電探測器對恒定輻射不響應(yīng)。(2)低頻時，既當(dāng)ωτT<<1和ωτE<<1時,結(jié)論：Rv與ω成正比。三、熱釋電探測器的特性1、響應(yīng)率：(7.2-10)討論：（3）中頻時，當(dāng)1/τT<<ω<<1/τE時結(jié)論：響應(yīng)率Rv與ω?zé)o關(guān)（4）中頻時，當(dāng)1/τE<<ω<<1/τT時結(jié)論：響應(yīng)率Rv與ω?zé)o關(guān)（5）高頻時，當(dāng)ω>>1/τT及ω〉〉1/τE時結(jié)論：響應(yīng)率Rv與ω成反比，(H,C)Rv（7.2-11）

(7.2-12)（3）中頻時，當(dāng)1/τT<<ω<<1/τE時結(jié)論：響應(yīng)如果熱釋電探測器是厚度為d的薄片，則其熱容C’:為體積比熱，電容為平板電容，電容C為：代人(7.2—12)式可以得到0和r分別為真空和熱釋電材料的相對介電常數(shù)。(7.2-13)結(jié)論：為了獲得較高的響應(yīng)率，熱釋電材料應(yīng)具有大的如果熱釋電探測器是厚度為d的薄片，則其熱容C’:為體積比對于選擇熱電材料來說是個有用的判據(jù)。2．噪聲

熱釋電探測器的主要噪聲：溫度噪聲和熱噪聲。溫度噪聲：如果熱導(dǎo)為輻射熱導(dǎo)時，溫度噪聲為：能量的起伏的均方根值為(7.2-14)對于選擇熱電材料來說是個有用的判據(jù)。2．噪聲熱釋電探測器的如果把看作探測器吸收的能量的話，由所產(chǎn)生的溫度噪聲電壓為(7.2-15)出現(xiàn)吸收系數(shù)α是由于

是用人射能量表示的，而式(7.2－14)是用吸收能量給出的。溫度噪聲與頻率的關(guān)系和響應(yīng)率與頻率的關(guān)系相同。熱噪聲

與圖6—6所示等效電路的電阻有關(guān)的熱噪聲電壓為(7.2-16)

如果把看作探測器吸收的能量的話，由所產(chǎn)生的溫度噪聲電壓為(7其中有效電阻(7.2-17)

代人(7.2—16)式，得到熱噪聲電壓為

（7.2－18）較大，對于通常的工作頻率便能滿足，上式可簡化為：

(7.2—19)由于τE=RC

其中有效電阻(7.2-17)代人(7.2—16)式，得到熱總結(jié)：熱釋電探測器的熱噪聲隨頻率ω的升高而下降；增大總電阻R可使熱噪聲電壓降低。探測器在低頻時，Rac>RA

，總電阻取決于RA，即R≈RA，所以(7.2-20)討論：（1）熱釋電探測器的熱噪聲隨頻率ω的升高而下降；增大總電阻R可使熱噪聲電壓降低。（2）總電阻R為熱釋電探測器材料的直流電阻Rdc、熱釋電材料的介電損耗引起的交流電阻Rac和前置放大器輸入電阻RA的并聯(lián)值。一般情況下滿足總結(jié)：熱釋電探測器的熱噪聲隨頻率ω的升高而下降；增大總電阻R在高頻時探測器在低頻時，Rac<RA，總電阻取決于Rac，即R≈Rac

，所以

(7.2-21)總噪聲：如果只考慮溫度噪聲和熱噪聲，總噪聲功率可表示為：

(7.2-22)所以，熱釋電探測器的噪聲等效功率NEP值為

(7.2-23)

熱釋電探測器的使用說明：由于熱釋電材料具有壓電特性，因而對微震等應(yīng)變十分敏感，在使用熱釋電探測器時，應(yīng)注意減震防震。在高頻時探測器在低頻時，Rac<RA，總電阻取決于Rac四、幾種常用的熱釋電探測器鐵電晶體材料的熱釋電系數(shù)最大的，其中最主要的材料有：（1）TGS（硫酸三甘肽，NH2CH2(OOH)3H2SO4）（2）SBN（鈮酸鍶鋇,BaSrNbO3）（3）LT--鉭酸鋰(L1Ta03)（4）LN一鈮酸鋰(LiNb03)、（5）PT--鈦酸鉛(PbTi03)等。1、TGS(硫酸三甘肽)及其同晶體探測器：

---發(fā)展最早、工藝最成熟的熱釋電探材料。特點(diǎn)：（1）在室溫下其熱釋電系數(shù)大，介電常數(shù)小；(500，10，1)達(dá)（2）D*(500,10,1)可以達(dá)到5χ109cm.Hz1/2.W-1（3）在較寬的頻率范圍內(nèi)，有較高探測靈敏度。四、幾種常用的熱釋電探測器鐵電晶體材料的熱釋電系數(shù)最大的，其缺點(diǎn)：（1）物理化學(xué)的穩(wěn)定性差，居里溫度較低(僅為490C)，不能承受大的輻射功率。例如在幾毫瓦C02激光作用下就發(fā)生分解(TGS分解溫度為1500C)?，F(xiàn)在多不用純TGS單晶材料制作熱釋電探測器。氘化硫酸三甘肽(DTGS)：居里溫度有所提高，但工藝較復(fù)雜，成本較高。摻雜丙氨酸的TGS(LATGS)：（1）有很好的鎖定極化效果。當(dāng)溫度升高到居里點(diǎn)以上再冷卻到室溫，仍無退極化現(xiàn)象，熱釋電系數(shù)也有提高；（2）摻雜后TGS晶體的介電損耗減小，降低了噪聲。同時介電常數(shù)下降，改進(jìn)了高頻性能。NEP=，=。缺點(diǎn)：（1）物理化學(xué)的穩(wěn)定性差，居里溫度較低(僅為490C)同TGS相比響應(yīng)快得多。圖6—10示出了LATGS的NEP和隨頻率而變化的情況。

同TGS相比響應(yīng)快得多。圖6—10示出了LATGS的NEP和2、SBN(鈮酸鍶鋇)熱釋電探測器

特點(diǎn)：材料的居里溫度與鋇的含量的有關(guān)，例如，鋇含量從0.25增加到0.52，其居里溫度Tc相應(yīng)從47oC提高到115oC。優(yōu)點(diǎn)：(1)SBN在大氣條件下性能穩(wěn)定，無需窗口材料保護(hù)，電阻率高，熱釋電系數(shù)γ大，機(jī)械強(qiáng)度高，在紅外波段(10um以上)吸收率很高，故不必涂黑。

(2)在500MHz尚未出現(xiàn)明顯的壓電諧振，故可用于快速光輻射的探測。缺點(diǎn)：SBN晶體在鋇含量x<0.4時，如不加偏壓，在室溫下就趨于退極化。而當(dāng)x>0.6時，晶體在生長過程中趨于開裂。改進(jìn)方法：在SBN中摻入1％的La2O2可（氧化鑭）就可以提高熱釋電系數(shù)，消除退極化現(xiàn)象，其(500，10，1)達(dá)到。2、SBN(鈮酸鍶鋇)熱釋電探測器特點(diǎn)：材料的居里溫度與鋇3、LiTa03(鉭酸鋰)

優(yōu)點(diǎn)：器件的居里溫度Tc高達(dá)620oC，能承受較高的輻射能量，可以工作在很高的環(huán)境溫度下，且不退極化，是一種非常好的熱釋電材料。在室溫下響應(yīng)率幾乎不隨溫度變化；物理化學(xué)性能穩(wěn)定，不需保護(hù)窗口；機(jī)械強(qiáng)度高，響應(yīng)快(時間常數(shù)約為）適于探測高速光脈沖，已用于測量峰值功率為幾個千瓦、上升時間為100ps的Nd:YAG激光脈沖。其(500，30，1)已達(dá)。4、壓電陶瓷熱釋電探測器

特點(diǎn)：熱釋電系數(shù)γ大，介電常數(shù)ε也大，所以二者的比值并不高。

3、LiTa03(鉭酸鋰)優(yōu)點(diǎn)：器件的居里溫度Tc高達(dá)62優(yōu)點(diǎn)：機(jī)械強(qiáng)度大，物理化學(xué)性能穩(wěn)定，電阻率可摻雜來控制。能承受的輻射功率超過LiTaO3熱釋電探測器，居里溫度高(例如鋯鈦酸熱釋電探測器的Tc高達(dá)365℃)，不易退極化，其

(500，1，1)達(dá)制造，成本低廉。。此外，這種熱釋電探測器易5、聚合物熱釋電探測器

特點(diǎn)：熱釋電材料的導(dǎo)熱小，熱釋電系數(shù)γ不大，同時介電常數(shù)也小，比值γ／ε并不??；優(yōu)點(diǎn)：易于加工任意形狀的薄膜；物理化學(xué)性能穩(wěn)定；富有彈性；價格低廉。

優(yōu)點(diǎn)：機(jī)械強(qiáng)度大，物理化學(xué)性能穩(wěn)定，電阻率可摻雜來控制。(§7.3測輻射熱電偶一、測輻射熱電偶的工作原理溫差電效應(yīng)：在由兩種導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料組成的閉合回路中，如果接點(diǎn)Jl上的接收面(見圖)吸收紅外輻射而使接點(diǎn)Jl升溫，使得接點(diǎn)Jl和J2的溫度不同，那么回路中就有電流流通。這一現(xiàn)象稱為溫差電效應(yīng)或塞貝克效應(yīng)。典型材料：較好的材料有聚二氟乙烯(PVF2)、聚氟乙烯(PVF)及聚氟乙烯和聚四氟乙烯的共聚物。利用PVF2薄膜已得到

(5010，1)值達(dá)§7.3測輻射熱電偶一、測輻射熱電偶的工作原理溫差電效應(yīng)：在J1J2RL熱電極測量端或熱端參考端或冷端探測原理:測量端J1光照溫度升高參考端J2溫度恒定溫差電勢V12

TT(b)圖7-3-1J1J2RL熱電極測量端或熱端參考端或冷端探測原理:測量端J根據(jù)溫差電效應(yīng)，溫差電勢為（7.3－1）12:溫差電勢率(塞貝克系數(shù))，由熱電極材料確定?！鱐:為兩接點(diǎn)的溫差。熱電偶光敏面受到輻射照射時，回路中就有電流I通過，受照射的節(jié)點(diǎn)J1將按下式描述的速率釋放能量:稱(7.3-2)式為珀耳帖效應(yīng)，12為珀耳帖系數(shù)。（7.3－2）12和12滿足：

(7.3—3)根據(jù)溫差電效應(yīng)，溫差電勢為（7.3－1）12:溫差電勢

設(shè)想測輻射熱電偶與負(fù)載電阻RL組成閉合回路，如圖7-3-1(b)所示，則流過測輻射熱電偶的電流I為（7.3－4）R為熱電偶兩臂電阻之和，即R=RA+RB。將(7.3-3)式和(7.3-4)式代入(7.3-2)式有

(7.3—5)設(shè)想測輻射熱電偶與負(fù)載電阻RL組成閉合回路，如圖7-(7.3-6)功率為Peit的交變輻射入射到測輻射熱電偶的光敏面時，J1點(diǎn)滿足能量守恒H：為測輻射熱電偶的熱容，G：為兩臂熱導(dǎo)之和。與上一節(jié)推導(dǎo)方法相同，得式△T的幅值為：(7.3-7)式中由此可求得測輻射熱電偶的溫差電勢為：(7.3-6)功率為Peit的交變輻射入射到測輻射熱電偶二、測輻射熱電偶的特性(7.3-8)

1、響應(yīng)率

(7.3-9)

在低頻情況下，即當(dāng)T<<1時，上式可近似為:（7.3－10）二、測輻射熱電偶的特性(7.3-8)1、響應(yīng)率(7.3?Rv與塞貝克系數(shù)12及吸收率成正比，選擇塞貝克系數(shù)高的材料，并將測輻射熱電偶的光敏面涂黑可使吸收率增大，從而提高測輻射熱電偶的響應(yīng)率。?Rv與Gt成反比，所以將測輻射熱電偶置于真空中可減小熱導(dǎo)，從而提高Rv,但減小熱導(dǎo)增加了響應(yīng)時間。因此應(yīng)折衷考慮響應(yīng)率和響應(yīng)時間之間的關(guān)系。在高頻情況下，即當(dāng)T>>1時，測輻射熱電偶的響應(yīng)率為:(7.3-11)?在高頻情況下Rv與ω成反比。?半導(dǎo)體真空測輻射熱電偶的響應(yīng)率約為50uV／uW。?Rv與塞貝克系數(shù)12及吸收率成正比，選擇塞貝克?Rv2、測輻射熱電偶的噪聲

主要噪聲：（1）測輻射熱電偶?xì)W姆電阻的熱噪聲；（2）測輻射熱電偶光敏面溫度起伏所產(chǎn)生的溫度噪聲。①溫度噪聲②溫度噪聲總噪聲為：(7.3—12)

2、測輻射熱電偶的噪聲①溫度噪聲②溫度噪聲總噪聲為：(7其中

?測輻射熱電偶的噪聲可看成是由Rt所產(chǎn)生的熱噪聲。求得測輻射熱電偶的最小可探測功率（7.3－13）

由關(guān)系式一般來講Pmin在之間。其中?測輻射熱電偶的噪聲可看成是由Rt所產(chǎn)生的熱噪聲。3、時間響應(yīng)：測輻射熱電偶的響應(yīng)時間通常為幾十毫秒到幾秒，所以只能對很低的調(diào)制頻率才有較高的響應(yīng)率。

三、測輻射熱電堆3、時間響應(yīng)：測輻射熱電偶的響應(yīng)時間通常為幾十毫秒到幾秒，所熱探測器：基于光輻射與物質(zhì)相互作用的熱效應(yīng)制成的器件。研究的最早并且得到實(shí)際應(yīng)用。熱探測器種類：熱電偶、熱敏電阻和熱釋電探測器等。優(yōu)點(diǎn)：不需致冷、在全部波長上具有平坦響應(yīng)。缺點(diǎn)：響應(yīng)率較低，響應(yīng)時間較長。應(yīng)用領(lǐng)域：在大于14um的遠(yuǎn)紅外域更廣闊的用途。

第七章熱探測器熱探測器：基于光輻射與物質(zhì)相互作用的熱效應(yīng)制成第七章熱§7.1熱探測器的一般原理光敏元光源溫升物理性質(zhì)變化

探測轉(zhuǎn)換成電信號熱效應(yīng)：§7.1熱探測器的一般原理光敏元光源溫升物理性探測轉(zhuǎn)一、熱探測器吸收光輻射引起的溫度變化

圖7-1，熱探測器的熱回路P=

：入射光功率。H：熱容量，表示升高一度所需的熱量(J／K)。G：熱導(dǎo)，表示與周圍環(huán)境發(fā)生熱交換(W／K)T0：環(huán)境溫度。α：為熱探測器的吸收率?！鱐+T0:探測器吸收光輻射后的溫度。αP：探測器單位時間吸收的熱量。一、熱探測器吸收光輻射引起的溫度變化圖7-1，熱探測器的熱回(7.1-1)

(7.1-2)

(7.1-3)

探測器溫度升高△T，單位時間內(nèi)所需的熱量為：探測器在單位時間內(nèi)通過熱導(dǎo)流向環(huán)境的熱量流△p為:根據(jù)熱量守恒定律有：上式寫成：為線性非奇次方程，先解奇次方程，再用變易法可以(7.1-4)(7.1-1)(7.1-2)(7.1-3)探測器溫度升

的響應(yīng)時間，其意義為當(dāng)t=τT時，熱探測器的溫升衰減為初始值的1/e。（1）在一定的輻射功率下，探測器應(yīng)有盡可能大的溫度變化。要做到這一點(diǎn)，G應(yīng)盡量小而且調(diào)制頻率要很低，使。(7.1-5)

利用t=0時，可以得到幅值為：：熱探測器的時間常數(shù)，它對應(yīng)于光子探測器的響應(yīng)時間，其意義為當(dāng)t(2)

提高吸收率α，通常對熱探測器光敏元的表面進(jìn)行黑化。(3)降低熱容量H，這是多數(shù)熱探測器的光敏元做得小巧的原因。

(2)提高吸收率α，通常對熱探測器光敏元的表面進(jìn)(3)降低二、熱探測器的極限探測率溫度噪聲：由于熱探測器與周圍環(huán)境之間的熱交換存在著熱流起伏，引起熱探測器的溫度在T0附近呈現(xiàn)小的起伏，這種溫度起伏所引起的熱功率起伏的均方值構(gòu)成了熱探測器的主要噪聲源，稱為溫度噪聲。極限探測率的計算：探測器和環(huán)境的熱交換包括輻射、對流和傳導(dǎo)。當(dāng)探測器光敏元被真空封裝時，熱導(dǎo)主要是輻射熱導(dǎo)。二、熱探測器的極限探測率在理想情況下，光敏面是理想的吸收面，即α＝1；這時輻射熱導(dǎo)GR．根據(jù)黑體輻射為Ad是光敏面的面積，σ=5.67×10-8為(J.S-1.m-2.K-4)斯忒藩一玻耳茲曼常數(shù)。(7.1-6)

若熱探測器的吸收率為常數(shù)，則其輻射熱導(dǎo)與波長無關(guān)，而與溫度的三次方成正比。當(dāng)溫度降低時，輻射熱導(dǎo)將急劇減小。在理想情況下，光敏面是理想的吸收面，即α＝1；這時輻射熱導(dǎo)G將(7.1-6)式帶入溫度噪聲公式，得到溫度噪聲功率為:對于熱探測器來講，如果把熱功率起伏作為入射能量，可以得到噪聲電壓：于是，熱探測器的比探測率為：(7.1-7)

(7.1-8)

將(7.1-6)式帶入溫度噪聲公式，得到溫度噪聲功率為:(7在室溫下，把T=300K，玻爾茲曼常數(shù)k=1.38×10-23J/K和σ=5.67×10-8為(J.S-1.m-2.K-4)代入上式，可得理想熱探測器的極限比理想熱探測器的極限比探測率已接近或達(dá)到一般光子探測器的比探測率。(7.1-12)

§7.2熱釋電探測器一、熱釋電效應(yīng):極化強(qiáng)度變化

面電荷變化

在室溫下，把T=300K，玻爾茲曼常數(shù)k=1.38×10-2第七章--光電子技術(shù)課件熱釋電晶體:鐵電體：某些極性晶體，當(dāng)加上電場后，無規(guī)則排列的自發(fā)極化矢量趨于同一方向，當(dāng)外加電場移去后，這些晶體保持該特性，這類晶體稱為鐵電體。例如：硫酸三甘肽(TGS)、鈮酸鍶鋇(SBN)、鉭酸鋰(LiTaO3)等。TC：居里溫度熱釋電晶體:TC：居里溫度非鐵電體：自發(fā)極化方向不能用外電場來改變，如硫酸鋰(Li2SO4·H20)和電氣石等。熱釋電探測器的工作原理:晶體

頻率ω入射光晶體溫度變化(ω)

極化強(qiáng)度變化(ω)

面電荷密度變化(ω)形成回路電流(id)

非鐵電體：自發(fā)極化方向不能用外電場來改變，如硫酸鋰(Li2S熱釋電探測器的結(jié)構(gòu):面電極置于晶體的前后表面上，一個電極位于光敏面內(nèi)電極面積較大，極間距離較小，因而極間電容較大，故其不適于高速應(yīng)用。電極所在的平面與光敏面互相垂直，電極間距離較大．電極面積較小，故極間電容較小，適于高速探測。熱釋電探測器的結(jié)構(gòu):面電極置于晶體的前后表面上，一個電極位于負(fù)載上的輸出電壓的計算：入射的交變輻射在熱釋電晶體中產(chǎn)生的電流id可表示為:(7.2-1)

PS：熱釋電晶體的極化矢量；熱釋電系數(shù)，表示自發(fā)極化強(qiáng)度隨溫度T的變化率(庫侖／厘米2·K)。

Ad:熱釋電探測器電極面積。電流在負(fù)載電阻RL上產(chǎn)生的輸出電壓為：(7.2-2)負(fù)載上的輸出電壓的計算：入射的交變輻射在熱釋電晶體中產(chǎn)生的電輸出電壓正比于熱釋電系數(shù)γ和溫度變化速率，而與晶體和入射輻射達(dá)到平衡的時間無關(guān)。為了有大的溫度變化率要求光敏材料對光輻射有較大的吸收率，同時有較小的熱容。二、熱釋電探測器的等效電路及輸出電壓計算：

探測器放大器輸出電壓正比于熱釋電系數(shù)γ和溫度變化速率，而二、熱釋電探負(fù)載阻抗RL等效為(7.2-3)

RL模值為：(7.2-4)假設(shè)入射輻射為：那么釋電探測器的溫度T表示為Cd、Rd：熱釋電探測器的電容和電阻；CA、RA：放大器的電容和電阻。（7.2－5）

熱釋電探測器接收恒定光輻射后的溫升;負(fù)載阻抗RL等效為(7.2-3)RL模值為：(7.2-4)(7.2-6)

將7.2-4式和7.2-6代入7.2-2,輸出電壓為微分后可以得到溫度的變化速率為:則電壓幅值為

(7.2-7)

(7.2-6)將7.2-4式和7.2-6代入7.2-2,輸可以得到輸出電壓幅值表達(dá)式

(7.2-8)其中

可以得到輸出電壓幅值表達(dá)式 (7.2-8)其中三、熱釋電探測器的特性1、響應(yīng)率：

(7.2-10)

討論：

(1)當(dāng)入射輻射為恒定輻射(即(ω=0))時，Rv=0,這說明熱釋電探測器對恒定輻射不響應(yīng)。(2)低頻時，既當(dāng)ωτT<<1和ωτE<<1時,結(jié)論：Rv與ω成正比。三、熱釋電探測器的特性1、響應(yīng)率：(7.2-10)討論：（3）中頻時，當(dāng)1/τT<<ω<<1/τE時結(jié)論：響應(yīng)率Rv與ω?zé)o關(guān)（4）中頻時，當(dāng)1/τE<<ω<<1/τT時結(jié)論：響應(yīng)率Rv與ω?zé)o關(guān)（5）高頻時，當(dāng)ω>>1/τT及ω〉〉1/τE時結(jié)論：響應(yīng)率Rv與ω成反比，(H,C)Rv（7.2-11）

(7.2-12)（3）中頻時，當(dāng)1/τT<<ω<<1/τE時結(jié)論：響應(yīng)如果熱釋電探測器是厚度為d的薄片，則其熱容C’:為體積比熱，電容為平板電容，電容C為：代人(7.2—12)式可以得到0和r分別為真空和熱釋電材料的相對介電常數(shù)。(7.2-13)結(jié)論：為了獲得較高的響應(yīng)率，熱釋電材料應(yīng)具有大的如果熱釋電探測器是厚度為d的薄片，則其熱容C’:為體積比對于選擇熱電材料來說是個有用的判據(jù)。2．噪聲

熱釋電探測器的主要噪聲：溫度噪聲和熱噪聲。溫度噪聲：如果熱導(dǎo)為輻射熱導(dǎo)時，溫度噪聲為：能量的起伏的均方根值為(7.2-14)對于選擇熱電材料來說是個有用的判據(jù)。2．噪聲熱釋電探測器的如果把看作探測器吸收的能量的話，由所產(chǎn)生的溫度噪聲電壓為(7.2-15)出現(xiàn)吸收系數(shù)α是由于

是用人射能量表示的，而式(7.2－14)是用吸收能量給出的。溫度噪聲與頻率的關(guān)系和響應(yīng)率與頻率的關(guān)系相同。熱噪聲

與圖6—6所示等效電路的電阻有關(guān)的熱噪聲電壓為(7.2-16)

如果把看作探測器吸收的能量的話，由所產(chǎn)生的溫度噪聲電壓為(7其中有效電阻(7.2-17)

代人(7.2—16)式，得到熱噪聲電壓為

（7.2－18）較大，對于通常的工作頻率便能滿足，上式可簡化為：

(7.2—19)由于τE=RC

其中有效電阻(7.2-17)代人(7.2—16)式，得到熱總結(jié)：熱釋電探測器的熱噪聲隨頻率ω的升高而下降；增大總電阻R可使熱噪聲電壓降低。探測器在低頻時，Rac>RA

，總電阻取決于RA，即R≈RA，所以(7.2-20)討論：（1）熱釋電探測器的熱噪聲隨頻率ω的升高而下降；增大總電阻R可使熱噪聲電壓降低。（2）總電阻R為熱釋電探測器材料的直流電阻Rdc、熱釋電材料的介電損耗引起的交流電阻Rac和前置放大器輸入電阻RA的并聯(lián)值。一般情況下滿足總結(jié)：熱釋電探測器的熱噪聲隨頻率ω的升高而下降；增大總電阻R在高頻時探測器在低頻時，Rac<RA，總電阻取決于Rac，即R≈Rac

，所以

(7.2-21)總噪聲：如果只考慮溫度噪聲和熱噪聲，總噪聲功率可表示為：

(7.2-22)所以，熱釋電探測器的噪聲等效功率NEP值為

(7.2-23)

熱釋電探測器的使用說明：由于熱釋電材料具有壓電特性，因而對微震等應(yīng)變十分敏感，在使用熱釋電探測器時，應(yīng)注意減震防震。在高頻時探測器在低頻時，Rac<RA，總電阻取決于Rac四、幾種常用的熱釋電探測器鐵電晶體材料的熱釋電系數(shù)最大的，其中最主要的材料有：（1）TGS（硫酸三甘肽，NH2CH2(OOH)3H2SO4）（2）SBN（鈮酸鍶鋇,BaSrNbO3）（3）LT--鉭酸鋰(L1Ta03)（4）LN一鈮酸鋰(LiNb03)、（5）PT--鈦酸鉛(PbTi03)等。1、TGS(硫酸三甘肽)及其同晶體探測器：

---發(fā)展最早、工藝最成熟的熱釋電探材料。特點(diǎn)：（1）在室溫下其熱釋電系數(shù)大，介電常數(shù)小；(500，10，1)達(dá)（2）D*(500,10,1)可以達(dá)到5χ109cm.Hz1/2.W-1（3）在較寬的頻率范圍內(nèi)，有較高探測靈敏度。四、幾種常用的熱釋電探測器鐵電晶體材料的熱釋電系數(shù)最大的，其缺點(diǎn)：（1）物理化學(xué)的穩(wěn)定性差，居里溫度較低(僅為490C)，不能承受大的輻射功率。例如在幾毫瓦C02激光作用下就發(fā)生分解(TGS分解溫度為1500C)?，F(xiàn)在多不用純TGS單晶材料制作熱釋電探測器。氘化硫酸三甘肽(DTGS)：居里溫度有所提高，但工藝較復(fù)雜，成本較高。摻雜丙氨酸的TGS(LATGS)：（1）有很好的鎖定極化效果。當(dāng)溫度升高到居里點(diǎn)以上再冷卻到室溫，仍無退極化現(xiàn)象，熱釋電系數(shù)也有提高；（2）摻雜后TGS晶體的介電損耗減小，降低了噪聲。同時介電常數(shù)下降，改進(jìn)了高頻性能。NEP=，=。缺點(diǎn)：（1）物理化學(xué)的穩(wěn)定性差，居里溫度較低(僅為490C)同TGS相比響應(yīng)快得多。圖6—10示出了LATGS的NEP和隨頻率而變化的情況。

同TGS相比響應(yīng)快得多。圖6—10示出了LATGS的NEP和2、SBN(鈮酸鍶鋇)熱釋電探測器

特點(diǎn)：材料的居里溫度與鋇的含量的有關(guān)，例如，鋇含量從0.25增加到0.52，其居里溫度Tc相應(yīng)從47oC提高到115oC。優(yōu)點(diǎn)：(1)SBN在大氣條件下性能穩(wěn)定，無需窗口材料保護(hù)，電阻率高，熱釋電系數(shù)γ大，機(jī)械強(qiáng)度高，在紅外波段(10um以上)吸收率很高，故不必涂黑。

(2)在500MHz尚未出現(xiàn)明顯的壓電諧振，故可用于快速光輻射的探測。缺點(diǎn)：SBN晶體在鋇含量x<0.4時，如不加偏壓，在室溫下就趨于退極化。而當(dāng)x>0.6時，晶體在生長過程中趨于開裂。改進(jìn)方法：在SBN中摻入1％的La2O2可（氧化鑭）就可以提高熱釋電系數(shù)，消除退極化現(xiàn)象，其(500，10，1)達(dá)到。2、SBN(鈮酸鍶鋇)熱釋電探測器特點(diǎn)：材料的居里溫度與鋇3、LiTa03(鉭酸鋰)

優(yōu)點(diǎn)：器件的居里溫度Tc高達(dá)620oC，能承受較高的輻射能量，可以工作在很高的環(huán)境溫度下，且不退極化，是一種非常好的熱釋電材料。在室溫下響應(yīng)率幾乎不隨溫度變化；物理化學(xué)性能穩(wěn)定，不需保護(hù)窗口；機(jī)械強(qiáng)度高，響應(yīng)快(時間常數(shù)約為）適于探測高速光脈沖，已用于測量峰值功率為幾個千瓦、上升時間為100ps的Nd:YAG激光脈沖。其(500，30，1)已達(dá)。4、壓電陶瓷熱釋電探測器

特點(diǎn)：熱釋電系數(shù)γ大，介電常數(shù)ε也大，所以二者的比值并不高。

3、LiTa03(鉭酸鋰)優(yōu)點(diǎn)：器件的居里溫度Tc高達(dá)62優(yōu)點(diǎn)：機(jī)械強(qiáng)度大，物理化學(xué)性能穩(wěn)定，電阻率可摻雜來控制。能承受的輻射功率超過LiTaO3熱釋電探測器，居里溫度高(例如鋯鈦酸熱釋電探測器的Tc高達(dá)365℃)，不易退極化，其

(500，1，1)達(dá)制造，成本低廉。。此外，這種熱釋電探測器易5、聚合物熱釋電探測器

特點(diǎn)：熱釋電材料的導(dǎo)熱小，熱釋電系數(shù)γ不大，同時介電常數(shù)也小，比值γ／ε并不??；優(yōu)點(diǎn)：易于加工任意形狀的薄膜；物理化學(xué)性能穩(wěn)定；富有彈性；價格低廉。

優(yōu)點(diǎn)：機(jī)械強(qiáng)度大，物理化學(xué)性能穩(wěn)定，電阻率可摻雜來控制。(§7.3測輻射熱電偶一、測輻射熱電偶的工作原理溫差電效應(yīng)：在由兩種導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料組成的閉合回路中，如果接點(diǎn)Jl上的接收面(見圖)吸收紅外輻射而使接點(diǎn)Jl升溫，使得接點(diǎn)J