第四章---热电探测器件ppt课件.ppt

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1、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。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。光子能量的大小，直接影响内部电子状态改变的大小。光子能量是hν,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，在光子直接与电子相互作用的情况下，其响应速度一般比较快。光热效应和光子效应的区别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

2、电学性质或其它物理性质发生变化。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。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。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。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。1.器件吸收入射辐射功率产生温升；温升引起材料各种有赖于温度的参量的变化，监测其中一种性能的变化，来探知辐射的存在和强弱。§4.1热电探测器工作原理1.热电探测器件工作的物理过程：这一过程比较慢，一般的响应时间多为毫秒级。另外，

3、热电探测器件是利用热敏材料吸收入射辐射的总功率产生温升来工作的，而不是利用某一部分光子的能量，所以各种波长的辐射对于响应都有贡献。因此，热电探测器件的突出特点是，光谱响应范围特别宽，从紫外到红外几乎都有相同的响应，光谱特性曲线平坦。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。2.热电探测器件的特点：（1）热探测器的热时间常数：H：探测器热容量，即探测器升高一度所需热量。（J/K）G：热导，即探测器单位时间内流向环境的热量流ΔP与探测器和环境温度差ΔT的比值。G=ΔP/ΔT(W/K)几ms~几s，如何减小？3.热电探测器件的工作参数：对应于光子探

4、测器的响应时间探测器通过热导G与周围环境发生热交换（2）热探测器的极限探测率：硫酸三苷酞热释电探测器D*（500,10,1）可达：——温度噪声限制极限探测率。热释电型热敏电阻型温差电型热电探测器件分类热释电效应是通过所谓的热电材料实现的，热电材料首先是一种电介质，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，因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Ps的材料表面上出现面束缚电荷，面电荷密度由于晶体内部自发电极化矢量排列混乱，因而总的Ps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，通常察觉不出有面电荷存在。

5、§4.2热释电探测器件热释电效应：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。而有一类极性晶体除去电场后仍能保持极化状态，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。热释电晶体作为压电晶体中一种，具有非中心对称的晶体结构。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，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。！注意热释电传感器KDS209热释电传感器RE200B热释电

6、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，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。§4.2.1结构原理恒温下温度变化时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。热电晶体在温度变化时所显示的热电效应示意图当温度变化时，晶体表面的极化电荷则随之变化（驰豫时间约10－12s），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

7、来不及中和之前，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。光辐射照射时热释电晶体温度升高，自发极化强度降低，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。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，这个电流称为短路热释电流。这一过程的平均作用时间为所以，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。ε为晶体的介电系数，σ为晶体的电导率。如果没有经过调制的光辐射照射热释电晶体使之温度升