光電技術(shù)第10講

1、5.3 熱釋電器件,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，工作頻率接近兆赫茲，遠遠超過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)，而熱釋電器件的有效時間常數(shù)可低達10-4 ~ 3×10-5 s；②　熱釋電器件的探測率高，在熱探測器中只有氣動探測器的D*才比熱釋電器件稍高，且這一差距正在不斷減?。虎邸後岆娖骷?/p>

2、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；,,5.3.1 熱釋電器件的基本工作原理,④　與5.2節(jié)討論的熱敏電阻相比，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，且制造比較容易。,,1. 熱釋電效應 電介質(zhì)內(nèi)部沒有自由載流子，沒有導電能力。但是，它也是由帶電的粒子（價電子和原子核）構(gòu)成的，在外加電場的情況下，帶電粒子也要受到電場力的作用，使其運動發(fā)生變化。例如，在

3、如圖5-12所示的電介質(zhì)的上下兩側(cè)加上如圖所示的電場后，電介質(zhì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，從電場的加入到電極化狀態(tài)的建立起來這段時間內(nèi)電介質(zhì)內(nèi)部的電荷適應電場的運動相當于電荷沿電力線方向的運動，也是一種電流稱為“位移電流”，該電流在電極化完成即告停止。,,,,,,,對于一般的電介質(zhì)，在電場除去后極化狀態(tài)隨即消失，帶電粒子又恢復原來狀態(tài)。而有一類稱作為“鐵電體”的電介質(zhì)在外加電場除去后仍保持著極化狀態(tài)，稱其為“自發(fā)極化”。圖5-13所示為一般的電介質(zhì)與

4、鐵電體電介質(zhì)的極化曲線。一般的電介質(zhì)的極化曲線通過中心，而圖5-13（b）所示的極化曲線在電場去除后仍保持一定的極化強度。,,鐵電體的自發(fā)極化強度PS（單位面積上的電荷量）與溫度的關(guān)系如圖5-14所示，隨著溫度的升高，,極化強度減低，當溫度升高到一定值，自發(fā)極化突然消失，這個溫度常被稱為“居里溫度”或“居里點”。,在居里點以下，極化強度PS是溫度T的函數(shù)。利用這一關(guān)系制造的熱敏探測器稱為熱釋電器件。 當紅外輻射照射到已經(jīng)極化的鐵

5、電體薄片時，引起薄片溫度升高，表面電荷減少，相當于熱“釋放”了部分電荷。釋放的電荷可用放大器轉(zhuǎn)變成電壓輸出。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，也不再有電壓信號輸出。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信號電壓為零。只有在交變輻射的作用下才會有信號輸出。,,,,,,,,,,如5-15(a)所示。由內(nèi)部自由電荷中和表面束縛電荷的時間常數(shù)為τ＝ερ，ε和ρ分別為晶體的介電常數(shù)和電阻率。,只要使

6、熱釋電晶體的溫度在面束縛電荷被中和掉之前因吸收輻射而發(fā)生變化，晶體的自發(fā)極化強度PS就會隨溫度T的變化而變化，相應的束縛電荷面密度σ也隨之變化，如圖5-15(b)所示。,,,,,,,2. 熱釋電器件的工作原理,設晶體的自發(fā)極化矢量為Ps，Ps的方向垂直于電容器的極板平面。接收輻射的極板和另一極板的重迭面積為Ad。由此引起表面上的束縛極化電荷為Q = AdΔσ=AdPs

7、 (5-35),若輻射引起的晶體溫度變化為ΔT，則相應的束縛電荷變化為ΔQ =Ad(ΔPs/ΔT)ΔT =  AdγΔT (5-36)式中，γ = ΔPs/ΔT稱為熱釋電系數(shù)，其單位為c/cm2?K，是與材料本身的特性有關(guān)的物理量，表示自發(fā)極化強度隨溫度的變化率。,,式中，dT/dt為熱釋電晶體的溫度隨時間的變化率，溫度變化速率與材料的吸收率和熱容

8、有關(guān)，吸收率大，熱容小， 則溫度變化率大。,若在晶體的兩個相對的極板上敷上電極，在兩極間接上負載RL，則負載上就有電流通過。由于溫度變化在負載上產(chǎn)生的電流可以表示為,(5-37),,,,通常熱釋電器件的電極按照性能的不同要求做成如圖5-16所示的面電極和邊電極兩種結(jié)構(gòu)。在圖5-16（a）所示的面電極結(jié)構(gòu)中，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

9、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。在圖5-16（b）所示的邊電極結(jié)構(gòu)中，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。,,,,,,,,熱釋電器件產(chǎn)生的熱釋電電流在負載電阻RL上產(chǎn)生的電壓為,,(5－38),可見，熱釋電器件的電壓響應正比于熱釋電系數(shù)和溫度的變化速率dT/

10、dt，而與晶體和入射輻射達到平衡的時間無關(guān)。,如果將熱釋電器件跨接到放大器的輸入端，其等效電路為如圖5-17所示。由等效電路可得熱釋電器件的等效負載電阻為,,(5－39),這里，R(=Rs//RL)和C(=Cs+CL)分別為熱釋電器件和放大器的等效電阻和等效電容。則RL的模值為,,(5－40),對于熱釋電系數(shù)為λ，電極面積為A的熱釋電器件，其在以調(diào)制頻率為ω的交變幅射照射下的溫度可以表示為,,(5－41),式中，T0為環(huán)境溫度，ΔT0表

11、示熱釋電器件接收光輻射后的平均溫升，表示與時間相關(guān)的溫度變化。于是熱釋電器件的溫度變化率為,,(5－42),,(5－43),輸入到放大器的電壓為,,由熱平衡溫度方程（參見5.1節(jié)）可知,,式中，τT＝H/G為熱釋電器件的熱時間常數(shù)。 將(5－44)代入(5－43)式，可得輸出電壓的幅值為,,式中，τe＝RC為電路時間常數(shù)，R =Rs∥RL，C=Cs＋CL。τT =CH/G為熱時間常數(shù)。τe、τT的數(shù)量級為0.1～10s左右。Ad

12、為光敏面的面積，α為吸收系數(shù)，ω為入射輻射的調(diào)制頻率。,5.3.2 熱釋電器件的靈敏度,根據(jù)光電器件靈敏度的定義，熱釋電器件的電壓靈敏度Sv為輸出電壓的幅值U與入射光功率之比，由式(5－45)可得電壓靈敏度為,(5－44),,,,(5－46),分析式(5－46)可以看出,(1) 當入射為恒定輻射，即ω＝0時，Sv=0，說明熱釋電器件對恒定輻射不靈敏； (2) 在低頻段ω＜ ＜ 1/τT或1/τe時，靈敏度S v與ω成正

13、比，為熱釋電器件交流靈敏的體現(xiàn)。 (3) 當τe ≠ τT時，通常τe＜ τT，在ω＝1/τT ~ 1/τe范圍內(nèi)，Sv與ω無關(guān)； (4) 高頻段（ω ＞ ＞1/τT、 1/τe）時，Sv則隨ω-1變化。,因此在許多應用中，該式的高頻特性近似為,,(5－47),即靈敏度與信號的調(diào)制頻率ω成反比。,5.3.3 熱釋電器件的噪聲,熱釋電器件的基本結(jié)構(gòu)是一個電容器，因此輸出阻抗很高，所以它后面常接有場效應管，

14、構(gòu)成源極跟隨器的形式，使輸出阻抗降低到適當數(shù)值。因此在分析噪聲的時候，也要考慮放大器的噪聲。這樣，熱釋電器件的噪聲主要有電阻的熱噪聲、溫度噪聲和放大器噪聲等。,,圖5-18給出了不同負載電阻RL下的靈敏度頻率特性，由圖可見，增大RL可以提高靈敏度，但是，頻率響應的帶寬變得很窄。應用時必須考慮靈敏度與頻率響應帶寬的矛盾，根據(jù)具體應用條件，合理選用恰當?shù)呢撦d電阻。,熱噪聲電壓為,,(5－50),當ωτe ＞＞1時，上式可簡化為,,(5－51

15、),表明熱噪聲電壓隨調(diào)制頻率的升高而下降。,2. 放大器噪聲,式中，k為波耳茲曼常數(shù)，TR為器件的溫度，Δf為系統(tǒng)的帶寬。,= 4 kTRΔf /Reff　 　　　　　　(5－48),電阻的熱噪聲來自晶體的介電損耗和與探測器的并聯(lián)電阻。,若等效電阻為Reff，則熱噪聲電流的方均值為,1. 熱噪聲,3. 溫度噪聲,,,,溫度噪聲來自熱釋電器件的靈敏面與外界輻射交換能量的隨機性，噪聲電流的方均值為,,(5－53),式中，A為電極的面

16、積，Ad為光敏區(qū)的面積，為溫度起伏的方均值。如果這三種噪聲不相關(guān)，則總噪聲為,,放大器噪聲來自放大器中的有源元件和無源器件，及信號源的阻抗和放大器輸入阻抗之間噪聲的匹配等方面。設放大器的噪聲系數(shù)為F，把放大器輸出端的噪聲折到輸入端，認為放大器是無噪聲的，這時，放大器輸入端的噪聲電流方均值為 Ik = 4k(F-1)TΔf/R　　　　 　　　　(5－52)式中，T

17、為背景溫度。,2,考慮統(tǒng)計平均值時的信噪功率比為,,(5－54),如果溫度噪聲是主要噪聲源而忽略其它噪聲時，噪聲等效功率為 (NEP)2＝(4kT 2G2Δf/α2A2γ2ω2R) [1+(TN/T)2] (5－55)由上式可以看出，熱釋電器件的噪聲等效功率NEP具有隨著調(diào)制頻率的增加而減小的性質(zhì)。,式中，TN＝T＋(F-1)T，稱為放大器的有效輸入噪聲溫度。,,,,,,,,,4 響應時間,熱

18、釋電探測器的響應時間可由式(5－46)求出。由圖5-18可見，熱釋電探測器在低頻段的電壓響應度與調(diào)制頻率成正比，在高頻段則與調(diào)制頻率成反比，僅在1/τT ~ 1/τe范圍內(nèi)，Rv與ω無關(guān)。響應度高端半功率點取決于1/τT 或 1/τe中較大的一個，因而按通常的響應時間定義，τT 和τe中較小的一個為熱釋電探測器的響應時間。通常τT較大，而 τe與負載電阻有關(guān)，多在幾秒到幾個微秒之間。由圖5-18可見，隨著負載的減小，τe變小，靈敏度也相

19、應減小。,5 熱釋電探測器的阻抗特性,熱釋電探測器幾乎是一種純?nèi)菪云骷?，由于電容量很小，所以阻抗很高，常?09Ω以上。因此，必須配高阻抗的負載。常用JFET器件作熱釋電探測器的前置放大器。,,,,,,如圖5-19所示為常用的電路。圖中用JFET構(gòu)成源極跟隨器，進行阻抗變換。,最后，要特別指出，由于熱釋電材料具有壓電特性，因而對微震等應變十分敏感，因此在使用時應注意減震防震。,5.3.4 熱釋電器件的類型,1. 硫酸三甘肽（TGS）晶

20、體熱釋電器件,它在室溫下的熱釋電系數(shù)較大，介電常數(shù)較小，比探測率D*值較高[D*(500, 10 ,1) 1~5×109cmHz1/2W－1]。在較寬的頻率范圍內(nèi)，這類探測器的靈敏度較高，因此，至今仍是廣泛應用的熱輻射探測器件。 TGS可在室溫下工作，具有光譜響應寬、靈敏度高等優(yōu)點，是一種性能優(yōu)良的紅外探測器，廣泛應用紅外光譜領(lǐng)域。,2. 鈮酸鍶鋇 (SBN)

21、 熱釋電器件,,,,摻丙乙酸的TGS（LATGS）具有很好的鎖定極化特點。溫度由居里溫度以上降到室溫，仍無退極化現(xiàn)象。它的熱釋電系數(shù)也有所提高。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。在低頻情況下，這種熱釋電器件的NEP為4×10－11 W/Hz-1/2，相應的D*值為5×109cm·Hz1/2W－1。它不僅靈敏度高，而且響應速度也很快。,,,圖5

22、-20所示為LATGS的等效噪聲功率NEP和比探測率D*隨工作頻率f的變化關(guān)系。,3. 鉭酸鋰（LiTaO3）,,,這種熱釋電器件由于材料中鋇含量的提高而使居里溫度相應提高。例如，鋇含量從0.25增加到0.47，其居里溫度相應從47°C提高到115°C。SBN探測器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。工作在500MHz也不出現(xiàn)壓電諧振，可用于快速光

23、輻射的探測。但SNB晶體在鋇含量x0.6時，晶體在生長過程會開裂。,,,在SNB中摻少量La2O2可提高其熱釋電系數(shù)，摻雜的SBN熱釋電器件無退極化現(xiàn)象，D*(500, 10 ,1) 達8.0×108cm·Hz1/2·W－1。摻鑭后其居里溫度有所降低，但極化仍很穩(wěn)定，損耗也有所改善。,這種熱釋電器件具有很吸引人的特性。在室溫下它的熱釋電響應約為TGS的一半，但在低于零度或高于45°C時都比TGS好

24、。,,,,4. 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)γ較大，介電常數(shù)ε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。例如，鋯鈦酸鉛熱釋電器件的Tc高達365℃，D*（500，1，1）高達7×108cm·Hz1/2·W－1。此外，這種熱釋電器件容易制造，成本低廉。,該器件的居里溫度Tc高達620&#

25、176;C，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（時間常數(shù)為13×10-12s，極限為1×10-12s；）；適于探測高速光脈沖。已用于測量峰值功率為幾個千瓦，上升時間為100ps的Nd:YAG激光脈沖。其D*（500, 30, 1）達8.5×108cm·Hz1/2·W－1。,

26、,,5. 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??；易于加工成任意形狀的薄膜；其物理化學性能穩(wěn)定，造價低廉；雖然熱釋電系數(shù)γ不大，但介電系數(shù)ε也小，所以比值γ／ε并不小。在聚合物熱釋電材料中較好的有聚二氟乙烯（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）達108cm·Hz1/2·W－1。,6. 快速熱釋電探測器,如前所述，由于熱釋

27、電器件的輸出阻抗高，因此需要配以高阻抗負載，因而其時間常數(shù)較大，即響應時間較長。這樣的熱釋電器件不適于探測快速變化的光輻射。即使使用補償放大器，其高頻響應也僅為103Hz量級。,近年來發(fā)展了快速熱釋電器件?？焖贌後岆娖骷话愣荚O計成同軸結(jié)構(gòu)，將光敏元置于阻抗為50Ω的同軸線的一端，采用面電極結(jié)構(gòu)時，時間常數(shù)可達到1ns左右，采用邊電極結(jié)構(gòu)時，時間常數(shù)可降至幾個ps。圖5-21所示為一種快速熱釋電探測器的結(jié)構(gòu)原理圖。光敏元件是SBN晶體薄

28、片，采用邊電極結(jié)構(gòu)，電極Au的厚度為0.1μm，襯底采用Al2O3或BeO陶瓷等導熱良好的材料。輸出用SMA/BNC高頻接頭。這種結(jié)構(gòu)的熱釋電探測器的響應時間為13ps，,其最低極限值受晶格振動弛豫時間的限制，約為1ps。不采用同軸結(jié)構(gòu)而采用一般的管腳引線封裝結(jié)構(gòu)，熱釋電探測器的頻響帶寬已擴展到幾十兆赫?？焖贌後岆娖骷Ｓ脕頊y量大功率脈沖激光，需要能承受大功率輻射，為此應選用損傷閾值高的熱釋電材料和高熱導的襯底材料制造。,5.3.5

29、典型熱釋電器件,如圖5-22所示為典型TGS熱釋電器件。把制好的TGS晶體連同襯底貼于普通三極管管座上，上下電極通過導電膠、銦球或細銅絲與管腳相連，加上窗口后構(gòu)成完整的TGS熱電探測器件。,為了降低器件的總熱導，一般采用熱導率較低的襯底。管內(nèi)抽成真空或充氪氣等熱導很低的氣體。為獲得均勻的光譜響應，可在熱釋電器件靈敏層的表面涂特殊的漆，增加對入射輻射的吸收。,所有的熱釋電器件同時又是壓電晶體。因此它對聲頻振動很敏感，入射輻射脈沖的熱沖擊會

30、激發(fā)熱釋電晶體的機械振蕩，而產(chǎn)生壓電諧振。這意味著在熱釋電效應上疊加有壓電效應，產(chǎn)生虛假信號，使探測器在高頻段的應用受到限制。,為防止壓電諧振，常采用如下方法：（1）選用聲頻損耗大的材料，如SBN，在很高的頻率下沒有發(fā)現(xiàn)諧振現(xiàn)象；（2）選取壓電效應最小的取向；（3）探測器件要牢靠地固定在底板上；例如可用環(huán)氧樹脂將LiTaO3粘貼在玻璃板上，再封裝成管，會有效地消除諧振；（4）熱釋電器件在使用時，一定要注意防震。顯然，前兩種方法限制了器件

31、的選材范圍，第3種方法降低了響應度和比探測率。 為了提高熱電器件的靈敏度和信噪比，常把熱釋電器件與前置放大器（常為場效應管）做在一個管殼內(nèi)。如圖5-23所示為一種典型的熱釋電探測器與場效應管放大器組合在一起的結(jié)構(gòu)圖。由于熱釋電器件本身的阻抗高達1010~1012Ω，因此場效應管的輸入阻抗應高于1010Ω，而且應采用具有較低噪聲，較高跨導（gm>2 000）的場效應管作為前置放大器。引線要盡可能的短，最好將場效應管的柵極直

32、接焊接到器件的一個管腳上，并一同封裝在金屬屏蔽殼內(nèi)。,,帶有場效應管放大器的熱釋電器件的等效電路如圖5-24所示。其等效輸出阻抗Z、電流和電壓靈敏度等參數(shù)如5.3.2節(jié)所討論，與工作頻率等參數(shù)有關(guān)。,5.4 熱探測器概述,,,熱探測器是一類基于光輻射與物質(zhì)相互作用的熱效應制成的器件。它的共同特點是，光譜響應范圍寬，對于從紫外到毫米量級的電磁輻射幾乎都有平坦的響應，而且響應度都很高，但響應速度較低。所以熱探測器對于交變光輻射又是一類窄帶