1、第六章 热探测器光电子技术6.1 热辐射的一般规律热辐射的一般规律6.2 热释电探测器热释电探测器6.3 热敏电阻热敏电阻6.4 测辐射热电偶、热电堆测辐射热电偶、热电堆对热电探测器的分析可分为两步：第一步是按系统的热力学特性来确定入射辐射所引起的温度升高T；第二步是根据温升来确定具体探测器输出信号的性能。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。TGdtTdHPtiPPPexp0TTT0GPT00tiGPTHexp12122GHarctgGHH二、二、热探测器的极限探测率热探测器的极限探测率 根据斯忒番根据斯忒番-
2、玻耳兹曼定律，若器件的温度为玻耳兹曼定律，若器件的温度为T T，接收面积为，接收面积为A Ad d，并可以将探测器近似为黑体（吸收系数与发射系数相等），并可以将探测器近似为黑体（吸收系数与发射系数相等），当它与环境处于热平衡时，单位时间所辐射的能量为当它与环境处于热平衡时，单位时间所辐射的能量为 4eTAd由热导的定义由热导的定义 3e4TAdTdGdR由噪声相关知识知，当热敏器件与环境温度处于平衡时，在频带由噪声相关知识知，当热敏器件与环境温度处于平衡时，在频带宽度内宽度内,由于辐射热导决定的热起伏功率由于辐射热导决定的热起伏功率(即热躁声功率即热躁声功率)215212164fKTAfGKT
3、dRT21521*41KTNEPfADd只与探测器的温度有关只与探测器的温度有关,理想热探测器的比探测理想热探测器的比探测率已接近或达到一般光子探测器。率已接近或达到一般光子探测器。例如，在常温环境下（T=300K），对于黑体，热敏器件的面积为100mm2,频带宽度为1，热敏器件的最小可探测功率为510-11W左右。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：具有较宽的频率响应，工作频率接近MHz，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10.01s范围内，而热释电器件的有效时间常数可低达10-4 310-5 s；热释电器件
4、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；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；与热敏电阻相比，它受环境温度变化的影响更小；热释电器件的强度和可靠性比其它多数热探测器都要好，且制造比较容易。2 2热释电材料单畴极化热释电材料单畴极化sPsP由于保持下来的由于保持下来的 ，将在材料表面吸，将在材料表面吸附表面电荷，其附表面电荷，其面电荷密度面电荷密度sPsP单畴化后的热电体，其电极化矢量单畴化后的热电体，其电极化矢量 值是温值是温度的函数度的函数sP3 3热释电效应定义热释电效应定义sPsP铁电体的自发极化强度PS（单位
5、面积上的电荷量）与温度的关系如图所示，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。注意：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。图（a）所示的面电极结构中，电
6、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。图（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。sddPAAQTTPAQsddtdTAdtdTdTdPAdtdQtQidsdtd0limLdLdRdtdTARiVRCiRCiRRL111212221CRRRLtieTTTTTTTTT000002)(tieTdtTddtdT2212221tideCRRTAV212221C
7、RRTAVd21221HGPT 2122212211EHdGRAPV 2122212211EHdGRAPVRVEHdVGRARHCARdVdACdr0cARrdV02154221221216444fKTAfdTTAdKTfdTdMAKTfGKTddedRTVdTVNTRfKTARV2154/2154fKTARVNEPdVNT热噪声电压为热噪声电压为 412e2212NJ1)(4kTfRU当e 1时，上式可简化为 22212NJ4kTfRU表明热噪声电压随调制频率的升高而下降。表明热噪声电压随调制频率的升高而下降。式中，式中，k k为波耳兹曼常数，为波耳兹曼常数，T TR R为器件的温度，为器件
8、的温度，f f为系统的带宽。为系统的带宽。=4 kTRf/Reff 2Ri电阻的热噪声来自晶体的介电损耗和与探测器的并联电阻。电阻的热噪声来自晶体的介电损耗和与探测器的并联电阻。若等效电阻为若等效电阻为R Reffeff，则热噪声电流的方均值为，则热噪声电流的方均值为热噪声热噪声响应度高端半功率点取决于响应度高端半功率点取决于1/1/H H 或或 1/1/E E中较大的一个，因而按通常的响应中较大的一个，因而按通常的响应时间定义，时间定义，H H 和和E E中较小的一个为热释电探测器的响应时间。通常中较小的一个为热释电探测器的响应时间。通常H H较较大，而大，而E E与负载电阻有关，多在几秒到
9、几个微秒之间。随着负载的减小与负载电阻有关，多在几秒到几个微秒之间。随着负载的减小,E E变小，灵敏度也相应减小。变小，灵敏度也相应减小。1.1.硫酸三甘肽（硫酸三甘肽（TGSTGS）晶体热释电器件）晶体热释电器件 它在室温下的热释电系数较大，介电常数较小，比探测率它在室温下的热释电系数较大，介电常数较小，比探测率D*值值较高较高D*(500,10,1)15109cmHz1/2W1。在较宽的频率。在较宽的频率范围内，这类探测器的灵敏度较高，因此，至今仍是广泛应用范围内，这类探测器的灵敏度较高，因此，至今仍是广泛应用的热辐射探测器件。的热辐射探测器件。TGS可在室温下工作，具有光谱响应宽、可在室
10、温下工作，具有光谱响应宽、灵敏度高等优点，是一种性能优良的红外探测器，广泛应用红灵敏度高等优点，是一种性能优良的红外探测器，广泛应用红外光谱领域。外光谱领域。掺丙乙酸的掺丙乙酸的TGS（LATGS）具有很好的锁定极化特点。温度）具有很好的锁定极化特点。温度由居里温度以上降到室温，仍无退极化现象。它的热释电系数也有由居里温度以上降到室温，仍无退极化现象。它的热释电系数也有所提高。掺杂后所提高。掺杂后TGS晶体的介电损耗减小，介电常数下降。前者降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。在低频情况下，这种热释电器件低了噪声，后者改进了高频特性。在低频情况下，这种热释电器
11、件的的NEP为为41011 W/Hz-1/2，相应的，相应的D*值为值为5109cmHz1/2W1。它。它不仅灵敏度高，而且响应速度也很快。不仅灵敏度高，而且响应速度也很快。3.3.钽酸锂（钽酸锂（LiTaOLiTaO3 3）这种热释电器件由于材料中钡含量的提高而使居里温度相应提高。例如，钡含量从0.25增加到0.47，其居里温度相应从47C提高到115C。SBN探测器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。工作在500MHz也不出现压电谐振，可用于快速光辐射的探测。但SNB晶体在钡含量x0.6时，晶体在生长过程会开裂。在SNB中
12、掺少量La2O2可提高其热释电系数，掺杂的SBN热释电器件无退极化现象，D*(500,10,1)达8.0108cmHz1/2W1。掺镧后其居里温度有所降低，但极化仍很稳定，损耗也有所改善。这种热释电器件具有很吸引人的特性。在室温下它的热释电响应约为TGS的一半，但在低于零度或高于45C时都比TGS好。2.铌酸锶钡(SBN)4.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。例如，锆钛酸铅热释电器件的Tc高达365，D*（500，1，1）高
13、达7108cmHz1/2W1。此外，这种热释电器件容易制造，成本低廉。该器件的居里温度Tc高达620C，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（时间常数为1310-12s，极限为110-12s；）；适于探测高速光脉冲。已用于测量峰值功率为几个千瓦，上升时间为100ps的Nd:YAG激光脉冲。其D*（500,30,1）达8.5108cmHz1/2W1。5.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
14、不大，但介电系数也小，所以比值并不小。在聚合物热释电材料中较好的有聚二氟乙烯（PVF2）、聚氟乙烯（PVF）及聚氟乙烯和聚四氟乙烯等共聚物。利用PVF2薄膜已得到D*（500，10，1）达108cmHz1/2W1。l6.快速热释电探测器 如前所述，由于热释电器件的输出阻抗高，因此需要配以高阻抗负载，因而其时间常数较大，即响应时间较长。这样的热释电器件不适于探测快速变化的光辐射。即使使用补偿放大器，其高频响应也仅为103Hz量级。近年来发展了快速热释电器件。快速热释电器件一般都设计成同轴结构，将光敏元置于阻抗为50的同轴线的一端，采用面电极结构时，时间常数可达到1ns左右，采用边电极结构时，时间常数可降至几个ps。图所示为一种快速热释电探测器的结构原理图。光敏元件是SBN晶体薄片，采用边电极结构，电极Au的厚度为0.1m，衬底采用Al2O3或BeO陶瓷等导热良好的材料。输出用SMA/BNC高频接头。这种结构的热释电探测器的响应时间为13ps，其最低极限值受晶格振动弛豫时间的限制，约为1ps。不采用同轴结构而采用一般的管脚引线封装结构，热释电探测器的频响带宽已扩展到几十兆赫。快速热释电器件常用来测量大功率脉冲激光，需要能承受大功率辐射，为此应选用损伤阈值高的热释电材料和高热导的衬底材料制造。
