光电技术第8讲.ppt

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1、第5章热辐射探测器件5.1热辐射的一般规律本章主要介绍热辐射探测器件的工作原理、基本特性、热辐射探测器件的工作电路和典型应用。热辐射探测器件是基于光辐射与物质相互作用的热效应而制成的器件。由于它具有工作时不需要制冷，光谱响应无波长选择性等特点，使它的应用已进入某些被光子探测器独占的应用领域和光子探测器无法实现的应用领域。热电传感器件是将入射到器件上的辐射能转换成热能，然后再把热能转换成电能的器件。显然，输出信号的形成过程包括两个阶段；第一阶段为将辐射能转换成热能的阶段（入射辐射引起温升的阶段），是共性的，

2、具有普遍的意义。第二阶段是将热能转换成各种形式的电能（各种电信号的输出）阶段。1.温度变化方程热电器件在没有受到辐射作用的情况下，器件与环境温度处于平衡状态，其温度为T0。当辐射功率为φe的热辐射入射到器件表面时，设表面的吸收系数为α，则器件吸收的热辐射功率为αφe；其中一部分使器件的温度升高，另一部分补偿器件与环境的热交换所损失的能量。设单位时间器件的内能增量为Δφi，则有（5-1）式中称Cθ为热容，表明内能的增量为温度变化的函数。热交换能量的方式有三种；传导、辐射和对流。设单位时间通过传导损失的能量（

3、5-2）式中G为器件与环境的热传导系数。根据能量守恒原理，器件吸收的辐射功率应等于器件内能的增量与热交换能量之和。即（5-3）设入射辐射为正弦辐射通量，则式（5-3）变为（5-4）若选取刚开始辐射器件的时间为初始时间，则，此时器件与环境处于热平衡状态，即t=0,ΔT=0。将初始条件代入微分方程（5-4），解此方程，得到热传导的方程为（5-5）设称为热敏器件的热时间常数，称为热阻。热敏器件的热时间常数一般为毫秒至秒的数量级，它与器件的大小、形状和颜色等参数有关。当时间t>>τT时，式（5-3）中的第一项衰减

4、到可以忽略的程度，温度的变化（5-6）为正弦变化的函数。其幅值为（5-7）可见，热敏器件吸收交变辐射能所引起的温升与吸收系数成正比。因此，几乎所有的热敏器件都被涂黑。另外，它又与工作频率ω有关，ω增高，其温升下降，在低频时（ωτT＜＜1），它与热导G成反比，式（5-6）可写为（5-8）可见，减小热导是增高温升、提高灵敏度的好方法，但是热导与热时间常数成反比，提高温升将使器件的惯性增大，时间响应变坏。式（5-6）中，当ω很高（或器件的惯性很大）时，ωτT>>1，式（5-7）可近似为（5-9）结果，温升与热导

5、无关，而与热容成反比，且随频率的增高而衰减。当ω=0时，由（5-5）式得（5-10）由初始零值开始随时间t增加，当t∝∞时，ΔT达到稳定值。等于τT时，上升到稳定值的63%。故τT被称为器件的热时间常数。2.热电器件的最小可探测功率根据斯忒番-玻耳兹曼定律，若器件的温度为T，接收面积为A，并可以将探测器近似为黑体（吸收系数与发射系数相等），当它与环境处于热平衡时，单位时间所辐射的能量为（5-11）由热导的定义（5-12）经证明，当热敏器件与环境温度处于平衡时，在频带宽度Δf内，热敏器件的温度起伏均方根值为

6、（5-13）热敏器件仅仅受温度影响的最小可探测功率或称温度等效功率PNE为（5-14）例如，在常温环境下（T=300K），对于黑体（=1），热敏器件的面积为100mm2,频带宽度为，斯特潘-玻尔兹曼系数σ=5.67×10-12J/cm2K4,玻尔兹曼常数k=1.38×10-23J/K。则由式（5-14）可以得到常温下热敏器件的最小可探测功率为5×10-11W左右。由式（5-14）很容易得到热敏器件的比探测率为（5-15）只与探测器的温度有关。5.2热敏电阻与热电堆探测器5.2.1热敏电阻1.热敏电阻及其特

7、点凡吸收入射辐射后引起温升而使电阻改变，导致负载电阻两端电压的变化，并给出电信号的器件叫做热敏电阻。相对于一般的金属电阻，热敏电阻具备如下特点：①热敏电阻的温度系数大，灵敏度高，热敏电阻的温度系数常比一般金属电阻大10～100倍。②结构简单，体积小，可以测量近似几何点的温度。③电阻率高，热惯性小，适宜做动态测量。④阻值与温度的变化关系呈非线性。⑤不足之处是稳定性和互换性较差。2.热敏电阻的原理、结构及材料大部分半导体热敏电阻由各种氧化物按一定比例混合，经高温烧结而成。多数热敏电阻具有负的温度系数，即当温度

8、升高时，其电阻值下降，同时灵敏度也下降。由于这个原因，限制了它在高温情况下的使用。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。由于热敏电阻的晶格吸收，对任何能量的辐射都可以使晶格振动加剧，只是吸收不同波长的辐射，晶格振动加剧的程度不同而已，因此，热敏电阻无选择性地吸收各种波