1、第三章 光輻射探測器,光熱效應(yīng)及光熱探測器 光電導(dǎo)效應(yīng)及光敏電阻 光伏效應(yīng)及其器件 光電發(fā)射效應(yīng)及PMT 光電探測器性能參數(shù),光輻射探測器件,光電探測器是把光信號轉(zhuǎn)變成電信號的器件。,光輻射探測器件的分類,光熱探測器件和光子檢測器件。 光熱探器件是利用熱敏元件的熱效應(yīng)來探測光，即通過器件吸收光輻射后溫度升高，使器件的某一參數(shù)發(fā)生變化，進(jìn)而探測出輸入光信號的大小。 光子檢測器是利用器件的光電效應(yīng)把光信號轉(zhuǎn)變成電信號。通常光電檢測器件指的就是光子檢測器件。,按工作原理分:,按工作波段分 紫外光探測器 可見光探測器 紅外光探測器 按應(yīng)用來分 換能器將光能轉(zhuǎn)換成電能 探測器光信息轉(zhuǎn)換成電信息 非成像型

2、：光電池、光敏電阻、 光電二極管、光電三極管、 光電倍增管等 成像型：變像管、像增強(qiáng)器、攝像管,光電器件分類:,3.1.1 光熱效應(yīng),光熱效應(yīng)：光照射到物體上時,物體將吸收所有波長的全部能量，并轉(zhuǎn)換為熱能的過程。,光熱探測器：熱能導(dǎo)致物體的物理、機(jī)械性能（溫度、體積、電阻、熱電動勢等）變化，測量這些變化量可確定光能量或光功率的大小。,光熱探測器件吸收光輻射能量后，并不直接引起內(nèi)部電子狀態(tài)的改變，而是把 光能轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц竦臒徇\(yùn)動能量，引起探測元件溫度上升，進(jìn)一步使探測元件的電學(xué)性質(zhì)或其他物理性質(zhì)發(fā)生變化。,特點(diǎn)：工作時不需要制冷； 光譜響應(yīng)無波長選擇性（但由于材料在紅外波段的熱效應(yīng)更強(qiáng)，因而光熱效

3、應(yīng)廣泛用于紅外輻射測量）,應(yīng)用：已進(jìn)入某些被光子探測器獨(dú)占的應(yīng)用領(lǐng)域和光子探測器無法實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用領(lǐng)域，如：紅外測溫、紅外成像、紅外遙感、紅外制導(dǎo)等。,一、 熱輻射的一般規(guī)律,光熱探測器件是將入射到器件上的光輻射能轉(zhuǎn)換成熱能，然后再把熱能轉(zhuǎn)換成電能的器件。,顯然，輸出信號的形成過程包括兩個階段： 第一階段：輻射能 熱能（入射輻射引起溫升 的階段），是共性的，具有普遍的意義。 第二階段：熱能 各種形式的電能（各種電信 號的輸出）。,熱電器件在沒有受到輻射作用的情況下，器件與環(huán)境溫度處于平衡狀態(tài)，其溫度為T0。 當(dāng)輻射功率為的熱輻射入射到器件表面時，令表面的吸收系數(shù)為，則器件吸收的熱輻射功率為 。,式

4、中Ct 稱為熱容，表明內(nèi)能的增量為溫度變化的函數(shù)。,熱交換能量的方式有三種；傳導(dǎo)、輻射和對流。設(shè)單位時間通過傳導(dǎo)損失的能量,式中Gt為器件與環(huán)境的熱傳導(dǎo)系數(shù)。,光輻射能轉(zhuǎn)換成熱能(第一階段),其中一部分使器件的溫度升高，設(shè)單位時間器件的內(nèi)能增量為 i，則有,另一部分補(bǔ)償器件與環(huán)境的熱交換所損失的能量。,根據(jù)能量守恒原理，器件吸收的輻射功率應(yīng)等于器件內(nèi)能的增量與熱交換能量之和。即,設(shè)入射輻射為正弦輻射通量 ，則上式變?yōu)?與時間無關(guān)的平均溫升,與時間有關(guān)的溫度變化,若選取剛開始輻射器件的時間為初始時間，則，此時器件與環(huán)境處于熱平衡狀態(tài)，即t = 0,T = 0。將初始條件代入微分方程并求解，得到熱

5、傳導(dǎo)的方程為,稱為熱阻， 是溫升與輻照通量之間的相角，說明溫升滯后調(diào)制輻射功率瞬變的程度。,式中 稱為熱敏器件 的熱時間常數(shù)，熱時間常數(shù)一般為ms至s的數(shù)量級，它與器件的大小、形狀和顏色等參數(shù)有關(guān)。,結(jié)論:,熱敏器件吸收交變輻射能所引起的溫升與吸收系數(shù)成正比,因此，幾乎所有的熱敏器件都被涂黑。,工作頻率增高，其溫升下降，在低頻時（ ），它與熱導(dǎo)Gt 成反比，即,可見，減小熱導(dǎo)是增高溫升、提高靈敏度的好方法，但是熱導(dǎo)與熱時間常數(shù)成反比，提高溫升將使器件的時間響應(yīng)變壞。,因此，光熱探測器常用于接收低頻調(diào)制輻射信號。同時，應(yīng)降低器件的熱容量。,二、 熱電轉(zhuǎn)換(第二階段),主要有溫差電效應(yīng)和熱釋電效應(yīng)

6、 溫差電效應(yīng),原理：兩種不同的導(dǎo)體材料接成回路，當(dāng)兩個接頭處于溫度不同時，回路中即產(chǎn)生電流溫差電效應(yīng)。,熱電偶熱端接收輻射后升溫，載流子濃度增加，電子從熱端向冷端擴(kuò)散，從而使P型材料熱端帶負(fù)電，冷端帶正電。N型相反。,當(dāng)紅外輻射照射到熱電偶熱端時，該端溫度升高，而冷端溫度保持不變，此時，在熱電偶回路中將產(chǎn)生熱電勢，熱電勢的大小反映了熱端吸收紅外輻射的強(qiáng)弱。 實(shí)際應(yīng)用中常將幾個熱電偶串聯(lián)起來組成熱電堆來檢測紅外輻射的強(qiáng)弱。 響應(yīng)時間較長，動態(tài)特性較差，被測輻射變化頻率一般應(yīng)在10Hz以下。,熱釋電效應(yīng) 具有極化現(xiàn)象的熱釋電晶體，也稱鐵電體，具有非中心對稱的晶體結(jié)構(gòu)（自發(fā)極化）。,通常鐵電體的表面

7、俘獲大氣中的浮游電荷而保持電平衡狀態(tài)。,晶體分子本身具有固有的電偶極矩，因此，晶體存在宏觀的電偶極矩。,當(dāng)有紅外線照射到其表面上時，引起鐵電體溫度迅速升高，極化強(qiáng)度很快下降，極化電荷急劇減少； 而表面浮游電荷變化緩慢，跟不上鐵電體內(nèi)部的變化； 從溫度變化引起極化強(qiáng)度變化到表面重新達(dá)到電平衡狀態(tài)的時間內(nèi)，在鐵電體表面有多余的浮游電荷出現(xiàn)，相當(dāng)于釋放出一部分電荷，稱為熱釋電效應(yīng)。,3.1.2 光熱探測器,一、 熱敏電阻,1. 熱敏電阻及其特點(diǎn),靈敏度較高，其電阻溫度系數(shù)要比金屬大10100倍以上，能檢測出10-6的溫度變化； 工作溫度范圍寬，常溫器件適用于-55315，高溫器件適用溫度高于315（

8、目前最高可達(dá)到2000），低溫器件適用于-27355； 體積小，能夠測量其他溫度計無法測量的空隙、腔體及生物體內(nèi)血管的溫度； 使用方便，電阻值可在0.1100k間任意選擇； 易加工成復(fù)雜的形狀，可大批量生產(chǎn)； 穩(wěn)定性好、過載能力強(qiáng)。,凡吸收入射輻射后引起溫升而使電阻改變，導(dǎo)致負(fù)載電阻兩端電壓的變化，并給出電信號的器件叫做熱敏電阻。,2. 熱敏電阻的原理、結(jié)構(gòu)及材料,由于半導(dǎo)體材料的晶格吸收，對任何能量的輻射都可以使晶格振動加劇，只是吸收不同波長的輻射，晶格振動加劇的程度不同而已，因此，熱敏電阻無選擇性地吸收各種波長的輻射，可以說它是一種無選擇性的光敏電阻。,金屬的自由電子密度很大，以致外界光作

9、用引起的自由電子密度相對變化較半導(dǎo)體而言可忽略不計。相反，吸收光以后，使晶格振動加劇，妨礙了自由電子作定向運(yùn)動。因此，當(dāng)光作用于金屬元件使其溫度升高，其電阻值還略有增加，也即由金屬材料組成的熱敏電阻具有正溫度系數(shù)(PTC)，而由半導(dǎo)體材料組成的熱敏電阻具有負(fù)溫度特性(NTC)。,由熱敏材料制成的厚度為0.01mm左右的薄片電阻,大部分半導(dǎo)體熱敏電阻由各種氧化物按一定比例混合，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成。多數(shù)熱敏電阻具有負(fù)的溫度系數(shù)，即當(dāng)溫度升高時，其電阻值下降，同時靈敏度也下降。由于這個原因，限制了它在高溫情況下的使用。,3. 應(yīng)用 由于半導(dǎo)體熱敏電阻有獨(dú)特的性能，所以： 它不僅可以作為測量元件（如測量溫

10、度、流量、液位等）， 還可以作為控制元件（如熱敏開關(guān)、限流器）和電路補(bǔ)償元件 熱敏電阻廣泛用于家用電器、電力工業(yè)、通訊、軍事科學(xué)、宇航等各個領(lǐng)域，發(fā)展前景極其廣闊。,二、 熱釋電器件,1. 熱釋電器件的工作原理,設(shè)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A。由此引起表面上的束縛極化電荷為 Q =APs,若輻射引起的晶體溫度變化為T，則相應(yīng)的束縛電荷變化為 Q =A(Ps/T)T = AT 式中， = Ps/T稱為熱釋電系數(shù)，其單位為c/cm2K，是與材料本身的特性有關(guān)的物理量，表示自發(fā)極化強(qiáng)度隨溫度的變化率。,若在晶體的兩個相對的極板上敷

11、上電極，在兩極間接上負(fù)載RL，則負(fù)載上就有電流通過。由于溫度變化在負(fù)載上產(chǎn)生的電流可以表示為,2. 基本電路,熱釋電器件為電容性元件，輸出阻抗特別高（1010 ）。,熱釋電器件為電容性元件，輸出阻抗特別高（1010 ）。因此，必須配高阻抗的負(fù)載。常用JFET(junction field effect transistor 結(jié)晶型場效應(yīng)晶體管 )器件作熱釋電探測器的前置放大器。,常用的電路：用JFET構(gòu)成源極跟隨器，進(jìn)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(yīng)變十分敏感，因此在使用時應(yīng)注意減震防震。,熱釋電器件的電壓靈敏度Sv定義為輸出電壓的幅值U與入射光功率之

12、比，,電路時間常數(shù),(1) 當(dāng)入射為恒定輻射，即0時，Sv=0，說明熱釋電器件對恒定輻射不靈敏； (2) 在低頻段1/t或1/e時，靈敏度S v與成正比，為熱釋電器件交流靈敏的體現(xiàn)。 (3) 當(dāng)e t時，通常et，在1/t 1/e范圍內(nèi)，Sv與無關(guān)； (4) 高頻段（1/t、 1/e）時，Sv則隨-1變化。,3. 熱釋電器件的主要材料,硫酸三甘肽（TGS）晶體,鈮酸鍶鋇 (SBN),鉭酸鋰（LiTaO3）,有機(jī)聚合物：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,鈦鋯酸鉛 (PZT)陶瓷,在居里點(diǎn)以下，極化強(qiáng)度PS是溫度T的函數(shù)。,當(dāng)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(diǎn)”。,熱釋電探測器的特點(diǎn)是它只在由于外界的輻射而引起它本身的溫度變化時，才會給出一個相應(yīng)的電信號，當(dāng)溫度的變