半導體光電檢測器件及應用5

工作原理：是基于光輻射與物質(zhì)相互作用的熱效應而制成的器件。熱效應：器件吸收入射輻射產(chǎn)生溫升引起材料物理性質(zhì)的變化，輸出電信號。熱電傳感器件：是將入射到器件上的輻射能轉(zhuǎn)換成熱能，然后將熱能轉(zhuǎn)換成電能的器件。第1頁/共50頁熱探測器件又稱為無選擇性探測器（對全波長有相同的響應率）特點：工作時不需要制冷，光譜響應無波長選擇性等。分類：熱敏電阻、熱電偶檢測器、熱釋電器件第2頁/共50頁3對熱電探測器的分析可分為兩步：第一步是確定溫升：按系統(tǒng)的熱力學特性來確定入射輻射所引起的溫度升高ΔT（共性）；第二步是確定參量變化：根據(jù)溫升來確定具體探測器輸出信號的性能（個性）。第一步對各種熱電探測器件都適用，而第二步則隨具體器件而異。首先討論第一步的內(nèi)容，第二步在討論各種類型的探測器時再作分析。第3頁/共50頁4兩種主要的熱電效應：溫差電效應：溫差產(chǎn)生電動勢（塞貝克效應）熱電偶和熱電堆熱釋電效應：輻射變化引起表面電荷變化熱釋電探測器光吸收溫度上升電學特性變化

——電參數(shù)輸出光熱轉(zhuǎn)換熱電轉(zhuǎn)換特點：在寬廣的波段有均勻的光譜響應響應速度慢第4頁/共50頁熱探測器與前面講述的各種光電器件相比具有下列特性：響應率與波長無關，屬于無選擇性探測器；受熱時間常數(shù)（熱慣性）的制約，響應速度比較慢；熱探測器的探測率比光子探測器的峰值探測率低；可在室溫下工作。第5頁/共50頁半導體對光的吸收本征和雜質(zhì)吸收產(chǎn)生光生載子晶格吸收、自由電子吸收不產(chǎn)生光生載子光電導率變化，伴隨少量的熱能產(chǎn)生熱能產(chǎn)生，溫升造成電阻值變化光敏電阻熱敏電阻第6頁/共50頁7熱敏電阻(Bolometer)第7頁/共50頁8原理：吸收輻射，產(chǎn)生溫升，從而引起材料電阻的變化。主要材料類型：金屬、半導體和超導體。共同點：都敏感于輻射，光譜響應基本上與入射輻射的波長無關。吸收輻射—溫升---電阻變化熱敏電阻在電子電路中的符號第8頁/共50頁1.溫度系數(shù)aT

表示溫度變化1℃時，熱電阻實際阻值的相對變化：工作原理和結(jié)構(gòu)式中，R為環(huán)境溫度為熱力學溫度T時測得的實際阻值。正溫度系數(shù)（PTC）的熱敏電阻溫度系數(shù)：負溫度系數(shù)（NTC）的熱敏電阻溫度系數(shù)：隨溫度T變化很大，并與材料常數(shù)B成正比。第9頁/共50頁10由熱敏材料制成的厚度為0.01mm左右的薄片電阻粘合在導熱能力高的絕緣襯底上，電阻體兩端蒸發(fā)金屬電極以便與外電路連接；再把襯底同一個熱容很大、導熱性能良好的金屬相連構(gòu)成熱敏電阻。（使用熱特性不同的襯底，可使探測器的時間常量由大約1ms變?yōu)?0ms）紅外輻射通過探測窗口投射到熱敏元件上，引起元件的電阻變化。為了提高熱敏元件接收輻射的能力（提高吸收系數(shù)），常將熱敏元件的表面進行黑化處理。

2.結(jié)構(gòu)第10頁/共50頁（1）金屬材料-正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTR)由金屬材料構(gòu)成的測輻射熱計：一般金屬的能帶結(jié)構(gòu)外層無禁帶，自由電子密度很大，以致外界光作用引起的自由電子密度相對變化較半導體而言可忽略不計。吸收輻射產(chǎn)生溫升后，自由電子濃度的增加是微不足道的。相反，因晶格振動的加劇妨礙了自由電子作定向運動，從而電阻溫度系數(shù)是正的.PositiveTemperatureCoefficient(PTC)thermistors適宜材料有鉑、銅、鎳、鐵等。分類1、按原理分第11頁/共50頁12由半導體材料制成的測輻射熱計：半導體材料對光的吸收除了直接產(chǎn)生光生載流子的本征吸收和雜質(zhì)吸收外，還有不直接產(chǎn)生載流子的晶格吸收和自由電子吸收等，并且不同程度地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽鹁Ц裾駝拥募觿?，器件溫度的上升，即器件的電阻值發(fā)生變化。其中部分電子能夠從價帶躍遷到導帶成為自由電子，使電阻減小，電阻溫度系數(shù)是負的。又因為各種波長的輻射都能被材料吸收，只是吸收不同波長的輻射，晶格振動加劇的程度不同而已,對溫升都有貢獻，所以它的光譜響應特性基本上與波長無關。（2）半導體電阻材料-負溫度系數(shù)熱敏電阻(NTR)NegativeTemperatureCoefficient(NTC)thermistors半導體類的多為金屬氧化物，例如氧化錳、氧化鎳、氧化鈷等。第12頁/共50頁圖示分別為半導體和金屬（白金）的溫度特性曲線。白金的電阻溫度系數(shù)為正值，大約為0.37%左右；半導體材料熱敏電阻的溫度系數(shù)為負值，大約為-3%～-6%，約為白金的10倍以上。所以熱敏電阻探測器常用半導體材料制作而很少采用貴重的金屬第13頁/共50頁14電阻溫度系數(shù)多為正電阻溫度系數(shù)絕對值小電阻變化與溫度變化的關系基本上是線性的耐高溫能力和穩(wěn)定性較強多用于溫度的模擬測量。金屬材料的特點電阻溫度系數(shù)多為負電阻溫度系數(shù)絕對值大，比一般金屬電阻大10～100倍電阻變化與溫度變化的關系基本上是非線性的耐高溫能力和穩(wěn)定性較差多用于輻射探測。例如防盜報警、防火系統(tǒng)、熱輻射體搜索和跟蹤等。半導體材料的特點第14頁/共50頁15（3）其它類型

除了熱敏電阻類的測輻射熱計外，還有超導測輻射熱計、碳測輻射熱計和鍺測輻射熱計。碳測輻射熱計：已用于極遠紅外波段的光譜測量。敏感元件是從碳電阻上切下來的一小塊，致冷到2.1K時，其D*要比熱敏電阻測輻射熱計高一個數(shù)量級。鍺測輻射熱計：敏感元件是鍺摻鎵單晶，致冷到2.1K時，其D*比熱敏電阻測輻射熱計約高1～2個數(shù)量級，它的光譜響應可延伸到1000μm以外。超導測輻射熱計：它利用了金屬或半導體由正常態(tài)向超導態(tài)過渡時，電阻隨溫度急劇變化的性能。電阻溫度系數(shù)可達5000％。這種測輻射熱計靈敏度很高，可用以精密測量很弱的輻射如紅外輻射和激光的功率。超導材料多為鈮、鉭、鉛或錫的氮化物。但為保持住轉(zhuǎn)變期溫度，所需制冷量很大，控制復雜，目前僅限于實驗室。第15頁/共50頁162、按使用范圍分類通用型熱敏電阻器特點：價格便宜，溫度上限偏低，一般在100度左右，例如圓片形2.熱響應速度非?？斓臒崦綦娮杵魈攸c：適合微小型化應用、熱響應速度非?？斓膱龊蠎玫臏囟葌鞲衅鳎话阊b在細針尖里面使用或貼在薄膜上使用。直徑非常小，達到了lmm以下，熱時間常數(shù)約為普通熱敏電阻器的10分之一。3.高溫型熱敏電阻器特點：溫度上限可擴展到500度左右4.微測輻射熱計（(Microbolometer)）特點：主要用于紅外輻射測量第16頁/共50頁17熱敏電阻應用范圍家用電器（如空調(diào)機、微波爐、電風扇、電取暖爐等）的溫度控制與溫度檢測辦公自動化設備（如復印機、打印機等）的溫度檢測或溫度補償。工業(yè)、醫(yī)療、環(huán)保、氣象、食品加工設備的溫度控制與檢驗。儀表線圈、集成電路、石英晶體振蕩器和熱電偶的溫度補償。熱敏電阻特點穩(wěn)定性好、可靠性高。阻值范圍寬：0.1～1000KΩ阻值精度高。第17頁/共50頁熱敏電阻使用說明自身的發(fā)熱進行補償溫度特性的非線性：根據(jù)器件手冊，建立溫度-阻值之間的查找表，利用查表的方式進行對應的溫度計算穩(wěn)定性和老化：正溫度系數(shù)熱敏電阻器和臨界溫度熱敏電阻器特性的均勻性要差于負溫度系數(shù)熱敏電阻器第18頁/共50頁19熱電偶又稱溫差電偶，1826年就出現(xiàn)。其工作原理是熱電效應。熱電偶是溫度測量中應用最普遍的測溫器件，它的特點是測溫范圍寬，性能穩(wěn)定，有足夠的測量精度，能夠滿足工業(yè)過程溫度測量的需要；結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)響應好；輸出為電信號，可以遠傳，便于集中檢測和自動控制。熱電偶檢測器第19頁/共50頁熱電偶的結(jié)構(gòu)示意圖兩種不同的導體A和B兩端相互緊密地連接在一起，組成一個閉合回路，當兩接觸點溫度不等（T>T0）時，回路中就會產(chǎn)生電動勢，從而形成熱電流，這一現(xiàn)象稱為熱電效應，回路中產(chǎn)生的電動勢稱為熱電勢熱電偶工作原理第20頁/共50頁熱電勢由兩部分組成：接觸電勢-溫差電勢熱電勢第21頁/共50頁溫差電勢熱電極A和B緊密連接在一起，由于電極材料的成分不同，其電子密度也不同，于是在接觸面上便產(chǎn)生自由電子的擴散現(xiàn)象接觸電勢源第22頁/共50頁溫差電勢溫差電勢是由于同一導體的兩端溫度不同，即存在著溫度梯度而產(chǎn)生的熱電勢T、T0為電極兩端的熱力學溫度；δA、δB為電極的湯姆遜系數(shù)第23頁/共50頁24T+ΔTJ1BAJ2IGΦc輻射熱電偶T+ΔTNPTTRLI+_涂黑金箔半導體輻射熱電偶采用金屬材料制成，用于探測入射輻射，溫升小，對材料的要求高，結(jié)構(gòu)嚴格且復雜，成本高。P型半導體冷端帶正電，N型半導體冷端帶負電，最小可檢測功率一般為10-11W。第24頁/共50頁第三導體的引入在實際應用中，熱電偶回路中需接入測量儀表相當于在熱電偶回路中接入第三導體在A、B材料組成的熱電偶回路中接入第三導體C第25頁/共50頁熱電偶冷端溫度誤差及其補償熱電偶利用導體結(jié)點間的溫差電動勢實現(xiàn)對溫度的測量，因此，冷端的溫度必須保持恒定，或者通過其它方式對其溫度變化進行補償，才能實現(xiàn)對待測溫度的準確測量補償方法恒溫法冷端補償器法第26頁/共50頁恒溫法冷端0度恒溫第27頁/共50頁冷端補償器法工業(yè)上，常采用簡便的冷端補償器法。冷端補償器是一個四臂電橋，其中三個橋臂電阻的溫度系數(shù)為零，另一橋臂采用銅電阻RCu（其值隨溫度變化），放置于熱電偶的冷結(jié)點處第28頁/共50頁熱電偶具有以下特性:（1）若熱電偶兩電極材料相同，

則無論兩結(jié)點溫度如何，總熱電勢為零；（2）若熱電偶兩結(jié)點溫度相同，

則盡管A、B材料不同，回路中的總電勢等于零；（3）熱電偶產(chǎn)生的熱電勢只與材料和結(jié)點溫度有關

與電極的尺寸、形狀等無關，

電極材料相同的熱電偶可以互換；（4）熱電偶A、B的結(jié)點溫度為T1、T3時的熱電勢

等于此熱電偶在結(jié)點溫度為T1、T2與T2、T3

兩個不同狀態(tài)下的熱電勢之和;（5）當熱電極A、B選定后，熱電勢EAB(T,T0)

是兩結(jié)點溫度T和T0的函數(shù)差第29頁/共50頁熱電偶的應用鎢錸系熱電偶主要應用在超高溫的測量中鎢錸系熱電偶—200-300℃,其上限主要受絕緣材料的限制；就其電極材料本身的耐溫情況來看，其測溫上限可高達2800℃，它們適用于惰性氣體及氫氣之中，在真空中也可短期使用第30頁/共50頁熱電偶的應用鎧裝熱電偶具有良好的機械性能，抗震抗沖擊，適合各種條件下的工業(yè)現(xiàn)場使用，尤適于高壓容器內(nèi)的溫度測量常見熱電偶鎧裝第31頁/共50頁32熱電堆工作原理

熱電堆提高了熱電偶的響應時間和靈敏度。其結(jié)構(gòu)是多個熱電偶串聯(lián)。熱電堆的靈敏度為每個熱電偶靈敏度的和?？偨Y(jié)：熱電偶型紅外輻射探測器的時間常數(shù)較大，響應時間長，動態(tài)特性差，被測輻射變化頻率一般應在10Hz以下。第32頁/共50頁熱電偶檢測器熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一，熱電偶工作原理是基于賽貝克(seeback)效應,即兩種不同成分的導體兩端連接成回路，如兩連接端溫度不同，則在回路內(nèi)產(chǎn)生熱電流的物理現(xiàn)象。熱電偶的優(yōu)點：

①測量精度高。因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。

②測量范圍廣。常用的熱電偶從-50~+1600℃均可測量，某些特殊熱電偶最低可測到-269℃（如金鐵鎳鉻），最高可達+2800℃（如鎢-錸）。

③構(gòu)造簡單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和接頭的限制，外有保護套管，用起來非常方便。

適合高低溫環(huán)境溫度測量。如：在陶瓷生產(chǎn)中熱電偶是熱工監(jiān)測與測試的計量工具。第33頁/共50頁熱釋電探測器(Pyroelectricinfrareddetector)第34頁/共50頁

熱釋電探測器原理極性晶體

極性晶體在外電場和應力均為零的情況下，晶體內(nèi)正負電荷的中心并不重合，而是呈現(xiàn)電偶極矩，也就是說，晶體本身具有自發(fā)的電極化。第35頁/共50頁熱釋電效應溫度產(chǎn)生變化，晶體中離子間的距離和電偶極距的角度發(fā)生變化，從而導致自發(fā)極化強度和面束縛電荷產(chǎn)生變化，在垂直于極軸的兩個端面之間產(chǎn)生微小的電壓，在有外部回路時，產(chǎn)生電流，可響應快速的溫度變化，這種現(xiàn)象被稱為熱釋電效應。

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當紅外輻射照射到已經(jīng)極化的熱釋電晶體時，引起溫度升高，表面電荷減少，相當于熱“釋放”了部分電荷。釋放的電荷變成電信號輸出。如果輻射持續(xù)作用，表面電荷將達到新的平衡，不再釋放電荷，也不再有電信號輸出。因此，熱釋電器件不同于其他光電器件，在恒定輻射作用的情況下輸出的電信號為零；只有在交變輻射的作用下才會有信號輸出。

第37頁/共50頁熱釋電晶體的自發(fā)極化強度PS（單位面積上的電荷量）與溫度的關系，利用這一關系制造的熱敏探測器稱為熱釋電器件第38頁/共50頁面電極結(jié)構(gòu)：電極置于熱釋電晶體的前后表面上,其中一個電極位于光敏面內(nèi)。這種電極結(jié)構(gòu)的電極面積較大，極間距離較少，因而極間電容較大，故其不適于高速應用。此外，由于輻射要通過電極層才能到達晶體，所以電極對于待測的輻射波段必須透明。邊電極結(jié)構(gòu)：電極所在的平面與光敏面互相垂直，電極間距較大，電極面積較小，因此極間電容較小。由于熱釋電器件的響應速度受極間電容的限制，因此，在高速運用時以極間電容小的邊電極為宜。

熱釋電探測器的基本結(jié)構(gòu)第39頁/共50頁硫酸三甘肽（TGS）晶體熱釋電器件

熱釋電系數(shù)較大，介電常數(shù)較小，探測率D*值較高，在較寬的頻率范圍內(nèi)，靈敏度較高可在室溫下工作，具有光譜響應寬、靈敏度高，是一種性能優(yōu)良的紅外探測器，廣泛應用紅外光譜領域

常見熱釋電探測器種類第40頁/共50頁摻丙乙酸的TGS（LATGS）

鎖定極化特點，即溫度由居里溫度以上降到室溫，仍無退極化現(xiàn)象。摻雜后TGS晶體的介電損耗減小，介電常數(shù)下降，前者降低了噪聲，后者改進了高頻特性。

第41頁/共50頁鈮酸鍶鋇(SBN)熱釋電器件鋇含量的提高而使居里溫度相應提高，在大氣條件下性能穩(wěn)定，無需窗口材料，電阻率高，熱釋電系數(shù)大，機械強度高，在紅外波段吸收率高，可不必涂黑，可用于快速光輻射的探測。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x>0.6時，晶體在生長過程會開裂第42頁/共50頁鉭酸鋰（LiTaO3）

在室溫下它的響應約為TGS的一半，但在低于零度或高于45℃時都比TGS好。居里溫度高，室溫下的響應率幾乎不隨溫度變化，可在很高的環(huán)境溫度下工作，且能夠承受較高的輻射能量，不退極化，它的物理化學性質(zhì)穩(wěn)定，不需要保護窗口；機械強度高，響應快，適于探測高速光脈沖。第43頁/共50頁壓電陶瓷熱釋電器件

壓電陶瓷器件的特點是熱釋電系數(shù)較大，介電常數(shù)也較大，二者的比值并不高。其機械強度高、物理化學性能穩(wěn)定、電阻率可以控制，能承受的輻射功率超過LiTaO3熱釋電器件，居里溫度高，不易退極化，這種熱釋電器件容易制造，成本低廉第44頁/共50頁聚合物熱釋電器件有機聚合物熱釋電材料的導熱小，介電常數(shù)也?。灰子诩庸こ扇我庑螤畹谋∧?；其物理化學性能穩(wěn)定，造價低廉；雖然熱釋電系數(shù)不大，但介電系數(shù)也小，所以兩者比值并不小。第45頁/共50頁

熱釋電探測器的應用熱釋電探測器應用

空中與地面?zhèn)刹?、入侵報警、?zhàn)地觀察、火情觀測、醫(yī)用熱成像、環(huán)境污染監(jiān)視艾托斯－D衛(wèi)星上裝備有使用熱釋電晶體TGS的垂直溫度分布輻射計云雨6號衛(wèi)星上所使用的壓力調(diào)制輻射計和地球平衡測量儀第46頁/共50頁47

熱釋電器件是一種利用熱釋電效應制成的熱探測器件。與其它熱探測器相比，熱釋電器件具有以下優(yōu)點：①具有較寬的頻率響應，工作頻率接近MHz，遠超其它熱探測器的工作頻率。一般熱探測器的時間常數(shù)典型值在1～0.01s范圍內(nèi)，熱釋電器件的有效時間常數(shù)低達10-4～3×10-5s；②熱釋電器件的探測率高；③熱釋電器件可以有大面積均勻的敏感面，而且工作時可以不外加接偏置電壓；④與熱敏電阻相比，它受環(huán)境溫度變化的影響更小；⑤熱釋電器件的強度和可靠性比其它多數(shù)熱探測器都要好，