光电技术第10讲

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1、5.3热释电器件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，工作频率接近兆赫兹，远远超过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，而热释电器件的有效时间常数可低达10-4~3×10-5s；②　热释电器件的探测率高，在热探测器中只有气动探测器的D*才比热释电器件稍高，且这一差距正在不断减小；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；5.3.1热释电器件的基本工作原理④与5.2节讨论的热敏电阻相比，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

2、探测器都要好，且制造比较容易。1.热释电效应电介质内部没有自由载流子，没有导电能力。但是，它也是由带电的粒子（价电子和原子核）构成的，在外加电场的情况下，带电粒子也要受到电场力的作用，使其运动发生变化。例如，在如图5-12所示的电介质的上下两侧加上如图所示的电场后，电介质产生极化现象，从电场的加入到电极化状态的建立起来这段时间内电介质内部的电荷适应电场的运动相当于电荷沿电力线方向的运动，也是一种电流称为“位移电流”，该电流在电极化完成即告停止。对于一般的电介质，在电场除去后极化状态随即消失，带电粒子又恢复原来状态。而有一类称作为“铁电体”的电介质在外加电场除去后仍保持着极化状态，称其为“自发极

3、化”。图5-13所示为一般的电介质与铁电体电介质的极化曲线。一般的电介质的极化曲线通过中心，而图5-13（b）所示的极化曲线在电场去除后仍保持一定的极化强度。铁电体的自发极化强度PS（单位面积上的电荷量）与温度的关系如图5-14所示，随着温度的升高，极化强度减低，当温度升高到一定值，自发极化突然消失，这个温度常被称为“居里温度”或“居里点”。在居里点以下，极化强度PS是温度T的函数。利用这一关系制造的热敏探测器称为热释电器件。当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片时，引起薄片温度升高，表面电荷减少，相当于热“释放”了部分电荷。释放的电荷可用放大器转变成电压输出。如果辐射持续作用，表面电荷将达到新

4、的平衡，不再释放电荷，也不再有电压信号输出。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信号电压为零。只有在交变辐射的作用下才会有信号输出。如5-15(a)所示。由内部自由电荷中和表面束缚电荷的时间常数为τ＝ερ，ε和ρ分别为晶体的介电常数和电阻率。只要使热释电晶体的温度在面束缚电荷被中和掉之前因吸收辐射而发生变化，晶体的自发极化强度PS就会随温度T的变化而变化，相应的束缚电荷面密度σ也随之变化，如图5-15(b)所示。2.热释电器件的工作原理设晶体的自发极化矢量为Ps，Ps的方向垂直于电容器的极板平面。接收辐射的极板和另一极板的重迭面积为Ad。由此引起表面上的束缚极化电荷

5、为Q=AdΔσ=AdPs(5-35)若辐射引起的晶体温度变化为ΔT，则相应的束缚电荷变化为ΔQ=Ad(ΔPs/ΔT)ΔT=AdγΔT(5-36)式中，γ=ΔPs/ΔT称为热释电系数，其单位为c/cm2∙K，是与材料本身的特性有关的物理量，表示自发极化强度随温度的变化率。式中，dT/dt为热释电晶体的温度随时间的变化率，温度变化速率与材料的吸收率和热容有关，吸收率大，热容小，则温度变化率大。若在晶体的两个相对的极板上敷上电极，在两极间接上负载RL，则负载上就有电流通过。由于温度变化在负载上产生的电流可以表示为(5-37)通常热释电器件的电极按照性能的不同要求做成如图5-16所示的面电极和边电极两

6、种结构。在图5-16（a）所示的面电极结构中，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。在图5-16（b）所示的边电极结构中，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。热释电器件产生的热释电电流在负载电阻RL上产生的电压为(5－38)可见，热释电器件的电压响应正比于热释电系数和温度的变化速率dT/dt，而

7、与晶体和入射辐射达到平衡的时间无关。如果将热释电器件跨接到放大器的输入端，其等效电路为如图5-17所示。由等效电路可得热释电器件的等效负载电阻为(5－39)这里，R(=Rs//RL)和C(=Cs+CL)分别为热释电器件和放大器的等效电阻和等效电容。则RL的模值为(5－40)对于热释电系数为λ，电极面积为A的热释电器件，其在以调制频率为ω的交变幅射照射下的温度可以表示为(5－41)式中，T0为环境温