第四章 热电探测器件

Ps Φ RL Vs Φ Ps RL Vs
热释电传感器RE200B 热释电传感器RE200B
热释电传感器KDS209 热释电传感器KDS209
§4.2.1 结构原理
热释电器件是以热释电晶体为电介质的平板 热释电器件是以热释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， 自发极化性质 电容器。因热电晶体具有自发极化性质，自 发极化强度能够随着温度变化， 发极化强度能够随着温度变化，结果在垂直 于自发极化方向的晶体两个外表面之间出现 感应电压， 热释电效应， 感应电压，即热释电效应，从而可利用这一 感应电压的变化探测光辐射的能量。 感应电压的变化探测光辐射的能量。
光热效应和光子效应完全不同。 光热效应和光子效应完全不同。探测元件吸收光辐射能量 后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光 并不直接引起内部电子状态的改变， 能变为晶格的热运动能量，引起探测器元件温度上升， 能变为晶格的热运动能量，引起探测器元件温度上升，温 度上升的结果使探测元件的电学性质或其它物理性质发生 变化。 变化。 所以，光热效应与单光子能量 的大小没有直接关系 的大小没有直接关系。 所以，光热效应与单光子能量hν的大小没有直接关系。原 则上，光热效应对光波频率没有选择性。 则上，光热效应对光波频率没有选择性。 只是在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就越强烈， 只是在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就越强烈， 所以广泛用于对红外辐射的探测 广泛用于对红外辐射的探测。 所以广泛用于对红外辐射的探测。 因为温度升高是热积累的作用，所以光热效应的响应速度 因为温度升高是热积累的作用，所以光热效应的响应速度 一般比较慢，而且容易受环境温度变化的影响。 一般比较慢，而且容易受环境温度变化的影响。
第四章
热电探测器件
热探测器工作原理 热释电探测器 热敏电阻 热电偶
光热效应和光子效应的区别
所谓光子效应， 所谓光子效应，是指单个光子的性质对产生的光电子起直 接作用的一类光电效应。 接作用的一类光电效应。 探测器吸收光子后， 探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态 的改变。 的改变。 光子能量的大小，直接影响内部电子状态改变的大小。 光子能量的大小，直接影响内部电子状态改变的大小。光 是普朗克常数， 是光波频率。 子能量是hν, 是普朗克常数 子能量是 ,h是普朗克常数，ν是光波频率。 所以，光子效应就对光波频率表现出选择性， 所以，光子效应就对光波频率表现出选择性，在光子直接 与电子相互作用的情况下， 响应速度一般比较快。 与电子相互作用的情况下，其响应速度一般比较快。
光辐射照射时热释电晶体温度升高， 光辐射照射时热释电晶体温度升高，自发极化 升高 强度降低 因此电极表面感应的电荷减少， 降低， 强度降低，因此电极表面感应的电荷减少，相当于 释放”了一部分电荷，因此称为热释电现象 热释电现象。 “释放”了一部分电荷，因此称为热释电现象。
如果把热电体放进一个电容器极板之间， 如果把热电体放进一个电容器极板之间，把一 个电流表与电容两端相接，就会有电流流过电流表， 个电流表与电容两端相接，就会有电流流过电流表， 这个电流称为短路热释电流 短路热释电流。 这个电流称为短路热释电流。
设晶体的自发极化矢量为 方向垂直于电容器 设晶体的自发极化矢量为Ps ， Ps 的方向垂直于电容器 自发极化矢量为 的极板平面。接收辐射的极板和另一极板的重合部分面积 的极板平面。接收辐射的极板和另一极板的重合部分面积 辐射引起的晶体温度变化为 温度变化为∆T 由此， 为A 。辐射引起的晶体温度变化为 。由此，引起表面 极化电荷的变化为
（2） 热探测器的极限探测率： ） 热探测器的极限探测率：
—— 温度噪声限制极限探测率。 温度噪声限制极限探测率。
RV D = VN
∗
Ad ⋅ ∆f 1
5 12
T = 300 K , k = 1.38 ×10−23 J K ,
=
σ = 5.67 ×10−12 W cm 2 ⋅ K 4
4 (σ KT
§4.1
热电探测器工作原理
热探测器是基于光辐射与物质相互作用的光热 热探测器是基于光辐射与物质相互作用的光热 效应制成的器件。 效应制成的器件。
1.热电探测器件工作的物理过程： 1.热电探测器件工作的物理过程： 热电探测器件工作的物理过程 1. 器件吸收入射辐射功率产生温升； 器件吸收入射辐射功率产生温升； 2. 温升引起材料各种有赖于温度的参量的变化，监测 温升引起材料各种有赖于温度的参量的变化， 其中一种性能的变化，来探知辐射的存在和强弱。 其中一种性能的变化，来探知辐射的存在和强弱。
♣ 优点：不需制冷、在全部波长上具有平坦响应。 优点：不需制冷、在全部波长上具有平坦响应。 ♣ 缺点：响应较低，响应时间较长。 缺点：响应较低，响应时间较长。
热电探测器件的工作参数： 3. 热电探测器件的工作参数：
对应于光子探测 器的响应时间
（1） 热探测器的热时间常数： ） 热探测器的热时间常数：
热电晶体在温度变化时所显示的热电效应示意图
a) 恒温下 b) 温度变化时 c) 温度变化时的等效表现
温度恒定时，面束缚电荷被晶体内部或外部的自由电荷 温度恒定时， 所中和，而观察不到它的自发极化现象。 所中和，而观察不到它的自发极化现象。因此静态时不能测 量自发极化。 量自发极化。 当温度变化时，晶体表面的极化电荷则随之变化（驰豫 当温度变化时，晶体表面的极化电荷则随之变化（ ），而自由电荷中和面束缚电荷所需时间长 而自由电荷中和面束缚电荷所需时间长（ 时间约10 时间约 －12s），而自由电荷中和面束缚电荷所需时间长（一 般在1~103秒量级）因此跟不上它的变化，在来不及中和之前， 秒量级）因此跟不上它的变化，在来不及中和之前， 般在 热电体侧表面就呈现出相应于温度变化的面电荷变化， 热电体侧表面就呈现出相应于温度变化的面电荷变化，失去 电的平衡，这时即显现出晶体的自发极化现象 自发极化现象。 电的平衡，这时即显现出晶体的自发极化现象。
热释电探测器产生的热释电流在负载电阻R 上产生的电压为： 热释电探测器产生的热释电流在负载电阻 L上产生的电压为：
dT V = id ⋅ RL = A ⋅ γ ⋅ ⋅ RL dt
V正比于热释电系数 V正比于热释电系数 γ 和温度变化速率 dT dt ，而与时间无关; 而与时间无关; 正比于
γ 值取决于材料本身特性； 值取决于材料本身特性；
这一过程的平均作用时间为
τ =ε σ
ε为晶体的介电系数，σ为晶体的电导率。 为晶体的介电系数 介电系数， 为晶体的电导率 电导率。
注意
如果没有经过调制的光辐射照射热释电晶体使之温度升 如果没有经过调制的光辐射照射热释电晶体使之温度升 没有经过调制的光辐射 高到新的平衡值，则电极表面感应电荷也变到新的平衡值， 高到新的平衡值，则电极表面感应电荷也变到新的平衡值， 不再“释放”电荷，也就不再输出信号。 不再“释放”电荷，也就不再输出信号。 所以，探测的辐射必须经过调制，而且只有辐射的调制 所以，探测的辐射必须经过调制，而且只有辐射的调制 频率f 1/τ时才有输出 时才有输出。 频率f＞1/τ时才有输出。
！注意
自发极化：大多数电介质在电场中发生极化现象， 自发极化：大多数电介质在电场中发生极化现象，除
去电场则极化现象消失。 去电场则极化现象消失。而有一类极性晶体除去电场后仍 能保持极化状态， 自发极化” 能保持极化状态，即“自发极化”。 自发极化强度随温度变化的极性晶体称为热释电晶体。 自发极化强度随温度变化的极性晶体称为热释电晶体。 极性晶体称为热释电晶体 热释电晶体作为压电晶体中一种，具有非中心对称的晶 热释电晶体作为压电晶体中一种，具有非中心对称的晶 非中心对称 体结构。自然状态下，在某个方向上正负电荷中心不重合， 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（面束缚电荷）， ），即 从而晶体表面存在着一定量的极化电荷（面束缚电荷），即 自发极化（面束缚电荷等于自发极化强度） 自发极化（面束缚电荷等于自发极化强度） 。因此晶体内的 电场不为零，晶体成为极性晶体。温度变化时， 电场不为零，晶体成为极性晶体。温度变化时，引起晶体的 正负电荷中心发生位移，因此表面的极化电荷即随之变化。 正负电荷中心发生位移，因此表面的极化电荷即随之变化。
∆Q = A ⋅ ∆Ps
若使上式改变一下形式， 若使上式改变一下形式，则为
∆Q = A ⋅ ( ∆Ps ∆T ) ∆T = A ⋅ γ ⋅ ∆T
γT
入射的交变辐射在热释电晶体中产生的电流为： 入射的交变辐射在热释电晶体中产生的电流为：
dPs dT id = A ⋅ = A⋅γ ⋅ dt dt
式中γ 称为热释电系数。 式中 称为热释电系数。 很显然，如果照射光是恒定的，那么 为恒定值， 很显然，如果照射光是恒定的，那么T 为恒定值，Ps亦 为恒定值，电流为零。 为恒定值，电流为零。 所以热释电探测器是一种交流或瞬时响应的器件 所以热释电探测器是一种交流或瞬时响应的器件。 交流或瞬时响应的器件
)
⇒ D∗ = 1.81×1010 cm ⋅ Hz1 2 W
硫酸三苷酞热释电探测器 D*（500,10,1）可达： （ ）可达：
5×10 cm ⋅ Hz
9
12
W
热电探测器件分类
热释电型 热敏电阻型 温差电型
§4.2
热释电效应： 热释电效应：
热释电探测器件
热释电效应是通过所谓的热电材料实现的， 热释电效应是通过所谓的热电材料实现的，热电材料首先 电介质， 是一种电介质 是绝缘体。 是一种电介质，是绝缘体。 再详细一点说，它是一种结晶对称性很差的压电晶体， 再详细一点说，它是一种结晶对称性很差的压电晶体，因 压电晶体 而在常温下具有自发电极化特性 即固有电偶极距) 自发电极化特性( 而在常温下具有自发电极化特性(即固有电偶极距)。 由电磁理论可知，在垂直于电极化矢量P 由电磁理论可知，在垂直于电极化矢量 s 的材料表面上出 电极化矢量 v 面束缚电荷， 现面束缚电荷，面电荷密度 σs = ps 由于晶体内部自发电 极化矢量排列混乱，因而总的P 并不大。 极化矢量排列混乱，因而总的 s并不大。 再加上材料表面附近分布的外部自由电荷的中和作用， 再加上材料表面附近分布的外部自由电荷的中和作用，通 中和作用 常察觉不出有面电荷存在。 常察觉不出有面电荷存在。