光子学与光电子学原荣第9章节光热光电导光电荷效应及应用

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1、第9章光热/光电导/光电荷效应及应用9.1光热效应及其器件9.2光电导效应及应用9.3光电荷效应及应用9.4红外热成像技术9.5红外技术的应用1尚辅网http://shangfuwang.com/9.1光热效应及其器件某些物质在受到光照射后，由于温度升高而造成材料性质发生变化的现象称为光热效应。在光电效应中，光子的能量直接变为光生电子的能量；而在光热效应中，光子能量与晶格相互作用，使其振动加剧，造成温度升高。光热效应与光电效应不同，其单个光子能量的大小与光热效应没有关系，原则上，光热效应对光波没有选择性。只是在红外波段吸收效率高，光热效应更强烈，所以

2、广泛用于红外辐射探测。因为温度升高是热积累的过程，所以光热效应速度一般较慢，而且容易受到环境温度的影响。根据光与不同材料、不同结构的光热器件相互作用引起物质特性变化不同的情况，将光热效应分为热敏效应、温差电效应、热释电效应等，下面分别加以介绍。2尚辅网http://shangfuwang.com/9.1.1热敏效应——热敏电阻3尚辅网http://shangfuwang.com/9.1.2温差电效应——热电偶原理当两种不同的导体或半导体材料两端并联熔接在一起时，如果两个接点的温度不同，并联回路中就会产生电动势，回路中就有电流出现，如图9.1.1（b）所

3、示，这种电动势称为温差电动势，这种现象就是温差电效应。热电偶就是利用温差电效应制成的。4尚辅网http://shangfuwang.com/图9.1.1利用温差电效应构成的热电偶温差热电偶接收辐射一端称为热端，另一端为冷端。为了提高吸收系数，热端常装有涂黑的金箔。如果把冷端分开，并与一个电流表连接，如图9.1.1（b）此时，电表就有相应的电流指示，其大小就间接反映了辐射热能量的大小，这就是热电偶探测热能的原理。当热电偶冷端开路时，开路电压与温差成正比，即（9.1.2）式中，M是温差电势率，单位是V/oC，T是温度变化量。5尚辅网http://shan

4、gfuwang.com/热电偶红外探测器如果半导体热电偶热端受到红外光照射，热端吸收光能使电偶接头温度升高，载流子浓度增加，电子从热端向冷端扩散，从而使N型材料热端带正电，冷端带负电，P型材料则相反。这种光生电动势的大小反映红外辐射功率的大小，这就是热电偶红外探测器。为了测量准确，将冷端放入冰水混合液中，保持0oC恒温，或采用温度补偿修正。为了提高测量灵敏度，常将若干个热电偶串联起来使用，称为热电堆。6尚辅网http://shangfuwang.com/9.1.3热释电效应——热释电探测器热释电效应是热电晶体的自发极化矢量随温度变化使入射光引起电容器电

5、容改变的现象。热电晶体是一种结晶对称性很差的压电晶体，在常态下，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，一面是正电荷，另一面是负电荷，称为自发极化。极化电荷密度与自发极化矢量Ps有关。晶体温度变化会引起正负电荷中心发生位移，从而引起表面极化电荷变化。温度恒定时，因晶体表面吸附来自周围空气的异性电荷，因中和作用观察不到自发极化现象；当温度变化时，自发极化矢量也发生了变化，晶体表面的极化电荷也随之变化。7尚辅网http://shangfuwang.com/图9.1.3热释电探测器（a）典型前置放大器电路（b）结构示意图（c）热释电

6、探测器等效电路热释电探测器是电容性器件，阻抗大于1010，应使用高输入阻抗和低噪声结型场效应晶体管（JFET）前置放大器。由于热释电器件的输出阻抗特别高，其等效电路可表示为恒流源，如图9.1.3（c）所示。8尚辅网http://shangfuwang.com/3.热释电探测器的优点和用途热释电探测器在常温下工作，结构比较简单。为了提高探测器灵敏度，减小探测器芯片的热容量是关键。办法是把芯片尺寸缩小，厚度减薄，采用绝热措施，将屏蔽盒抽成真空或充惰性气体保护。热释电探测器可以做成热成像系统，由于它不易被干扰，容易隐蔽，并能在有烟雾条件下工作，可用于空中与

7、地面侦察、入侵报警、战时观察、火情监测、医学热成像、环境污染监视以及其他领域。在空间技术上，热释电探测器主要用来测量温度分布和湿度分布或收集地球辐射的有关数据。在科研上，可用于各种辐射测量、激光测量、快速光脉冲测量、功率定标等。所以热释电探测器是目前开发研究较多的一种热探测器。9尚辅网http://shangfuwang.com/9.2光电导效应及应用光照时半导体材料自身电阻率会改变的效应就是光电导效应，它是半导体材料的一种体效应，光照愈强，电阻愈小，因此常称为光敏电阻或光导管。与光电效应不同，光电导效应不需要PN结。10尚辅网http://shang

8、fuwang.com/9.2.1光敏电阻工作原理光敏电阻是一种光电导效应器件，两电极加上一定电