第3章 半导体光电检测器件及应用5.ppt

《第3章 半导体光电检测器件及应用5.ppt》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、1光热辐射检测器件◆热电阻◆热电偶◆热释电探测器工作原理：是基于光辐射与物质相互作用的热效应而制成的器件。热效应：器件吸收入射辐射产生温升引起材料物理性质的变化，输出电信号。热电传感器件：是将入射到器件上的辐射能转换成热能，然后将热能转换成电能的器件。热探测器件又称为无选择性探测器（对全波长有相同的响应率）特点：工作时不需要制冷，光谱响应无波长选择性等。分类：热敏电阻、热电偶检测器、热释电器件4对热电探测器的分析可分为两步：第一步是确定温升：按系统的热力学特性来确定入射辐射所引起的温度升高ΔT（共性）；第二步是确定参量变化：根据温升来确定具体探测器输出信号的性能（个性）。第一步对各种

2、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。5两种主要的热电效应：温差电效应：温差产生电动势（塞贝克效应）热电偶和热电堆热释电效应：辐射变化引起表面电荷变化热释电探测器光吸收温度上升电学特性变化——电参数输出光热转换热电转换特点：在宽广的波段有均匀的光谱响应响应速度慢热探测器与前面讲述的各种光电器件相比具有下列特性：响应率与波长无关，属于无选择性探测器；受热时间常数（热惯性）的制约，响应速度比较慢；热探测器的探测率比光子探测器的峰值探测率低；可在室温下工作。半导体对光的吸收本征和杂质吸收产生光生载子晶格吸收、自由电子吸收

3、不产生光生载子光电导率变化，伴随少量的热能产生热能产生，温升造成电阻值变化光敏电阻热敏电阻8热敏电阻(Bolometer)9原理：吸收辐射，产生温升，从而引起材料电阻的变化。主要材料类型：金属、半导体和超导体。共同点：都敏感于辐射，光谱响应基本上与入射辐射的波长无关。吸收辐射—温升---电阻变化热敏电阻在电子电路中的符号1.温度系数aT表示温度变化1℃时，热电阻实际阻值的相对变化：工作原理和结构式中，R为环境温度为热力学温度T时测得的实际阻值。正温度系数（PTC）的热敏电阻温度系数：负温度系数（NTC）的热敏电阻温度系数：随温度T变化很大，并与材料常数B成正比。11由热敏材料制成的厚

4、度为0.01mm左右的薄片电阻粘合在导热能力高的绝缘衬底上，电阻体两端蒸发金属电极以便与外电路连接；再把衬底同一个热容很大、导热性能良好的金属相连构成热敏电阻。（使用热特性不同的衬底，可使探测器的时间常量由大约1ms变为50ms）红外辐射通过探测窗口投射到热敏元件上，引起元件的电阻变化。为了提高热敏元件接收辐射的能力（提高吸收系数），常将热敏元件的表面进行黑化处理。2.结构（1）金属材料-正温度系数热敏电阻(PTR)由金属材料构成的测辐射热计：一般金属的能带结构外层无禁带，自由电子密度很大，以致外界光作用引起的自由电子密度相对变化较半导体而言可忽略不计。吸收辐射产生温升后，自由电子浓

5、度的增加是微不足道的。相反，因晶格振动的加剧妨碍了自由电子作定向运动，从而电阻温度系数是正的.PositiveTemperatureCoefficient(PTC)thermistors适宜材料有铂、铜、镍、铁等。分类1、按原理分13由半导体材料制成的测辐射热计：半导体材料对光的吸收除了直接产生光生载流子的本征吸收和杂质吸收外，还有不直接产生载流子的晶格吸收和自由电子吸收等，并且不同程度地转变为热能，引起晶格振动的加剧，器件温度的上升，即器件的电阻值发生变化。其中部分电子能够从价带跃迁到导带成为自由电子，使电阻减小，电阻温度系数是负的。又因为各种波长的辐射都能被材料吸收，只是吸收不同

6、波长的辐射，晶格振动加剧的程度不同而已,对温升都有贡献，所以它的光谱响应特性基本上与波长无关。（2）半导体电阻材料-负温度系数热敏电阻(NTR)NegativeTemperatureCoefficient(NTC)thermistors半导体类的多为金属氧化物，例如氧化锰、氧化镍、氧化钴等。图示分别为半导体和金属（白金）的温度特性曲线。白金的电阻温度系数为正值，大约为0.37%左右；半导体材料热敏电阻的温度系数为负值，大约为-3%～-6%，约为白金的10倍以上。所以热敏电阻探测器常用半导体材料制作而很少采用贵重的金属15电阻温度系数多为正电阻温度系数绝对值小电阻变化与温度变化的关系基

7、本上是线性的耐高温能力和稳定性较强多用于温度的模拟测量。金属材料的特点电阻温度系数多为负电阻温度系数绝对值大，比一般金属电阻大10～100倍电阻变化与温度变化的关系基本上是非线性的耐高温能力和稳定性较差多用于辐射探测。例如防盗报警、防火系统、热辐射体搜索和跟踪等。半导体材料的特点16（3）其它类型除了热敏电阻类的测辐射热计外，还有超导测辐射热计、碳测辐射热计和锗测辐射热计。碳测辐射热计：已用于极远红外波段的光谱测量。敏感元件是从碳电阻上切下来的一小块，致冷