光电子技术课件

热探测器：基于光辐射与物质相互作用的热效应制成的器件。研究的最早并且得到实际应用。热探测器种类：热电偶、热敏电阻和热释电探测器等。优点：不需致冷、在全部波长上具有平坦响应。缺点：响应率较低，响应时间较长。应用领域：在大于14um的远红外域更广阔的用途。

第七章热探测器热探测器：基于光辐射与物质相互作用的热效应制成第七章热§7.1热探测器的一般原理光敏元光源温升物理性质变化

探测转换成电信号热效应：§7.1热探测器的一般原理光敏元光源温升物理性探测转一、热探测器吸收光辐射引起的温度变化

图7-1，热探测器的热回路P=

：入射光功率。H：热容量，表示升高一度所需的热量(J／K)。G：热导，表示与周围环境发生热交换(W／K)T0：环境温度。α：为热探测器的吸收率。△T+T0:探测器吸收光辐射后的温度。αP：探测器单位时间吸收的热量。一、热探测器吸收光辐射引起的温度变化图7-1，热探测器的热回(7.1-1)

(7.1-2)

(7.1-3)

探测器温度升高△T，单位时间内所需的热量为：探测器在单位时间内通过热导流向环境的热量流△p为:根据热量守恒定律有：上式写成：为线性非奇次方程，先解奇次方程，再用变易法可以(7.1-4)(7.1-1)(7.1-2)(7.1-3)探测器温度升

的响应时间，其意义为当t=τT时，热探测器的温升衰减为初始值的1/e。（1）在一定的辐射功率下，探测器应有尽可能大的温度变化。要做到这一点，G应尽量小而且调制频率要很低，使。(7.1-5)

利用t=0时，可以得到幅值为：：热探测器的时间常数，它对应于光子探测器的响应时间，其意义为当t(2)

提高吸收率α，通常对热探测器光敏元的表面进行黑化。(3)降低热容量H，这是多数热探测器的光敏元做得小巧的原因。

(2)提高吸收率α，通常对热探测器光敏元的表面进(3)降低二、热探测器的极限探测率温度噪声：由于热探测器与周围环境之间的热交换存在着热流起伏，引起热探测器的温度在T0附近呈现小的起伏，这种温度起伏所引起的热功率起伏的均方值构成了热探测器的主要噪声源，称为温度噪声。极限探测率的计算：探测器和环境的热交换包括辐射、对流和传导。当探测器光敏元被真空封装时，热导主要是辐射热导。二、热探测器的极限探测率在理想情况下，光敏面是理想的吸收面，即α＝1；这时辐射热导GR．根据黑体辐射为Ad是光敏面的面积，σ=5.67×10-8为(J.S-1.m-2.K-4)斯忒藩一玻耳兹曼常数。(7.1-6)

若热探测器的吸收率为常数，则其辐射热导与波长无关，而与温度的三次方成正比。当温度降低时，辐射热导将急剧减小。在理想情况下，光敏面是理想的吸收面，即α＝1；这时辐射热导G将(7.1-6)式带入温度噪声公式，得到温度噪声功率为:对于热探测器来讲，如果把热功率起伏作为入射能量，可以得到噪声电压：于是，热探测器的比探测率为：(7.1-7)

(7.1-8)

将(7.1-6)式带入温度噪声公式，得到温度噪声功率为:(7在室温下，把T=300K，玻尔兹曼常数k=1.38×10-23J/K和σ=5.67×10-8为(J.S-1.m-2.K-4)代入上式，可得理想热探测器的极限比理想热探测器的极限比探测率已接近或达到一般光子探测器的比探测率。(7.1-12)

§7.2热释电探测器一、热释电效应:极化强度变化

面电荷变化

在室温下，把T=300K，玻尔兹曼常数k=1.38×10-2第七章--光电子技术课件热释电晶体:铁电体：某些极性晶体，当加上电场后，无规则排列的自发极化矢量趋于同一方向，当外加电场移去后，这些晶体保持该特性，这类晶体称为铁电体。例如：硫酸三甘肽(TGS)、铌酸锶钡(SBN)、钽酸锂(LiTaO3)等。TC：居里温度热释电晶体:TC：居里温度非铁电体：自发极化方向不能用外电场来改变，如硫酸锂(Li2SO4·H20)和电气石等。热释电探测器的工作原理:晶体

频率ω入射光晶体温度变化(ω)

极化强度变化(ω)

面电荷密度变化(ω)形成回路电流(id)

非铁电体：自发极化方向不能用外电场来改变，如硫酸锂(Li2S热释电探测器的结构:面电极置于晶体的前后表面上，一个电极位于光敏面内电极面积较大，极间距离较小，因而极间电容较大，故其不适于高速应用。电极所在的平面与光敏面互相垂直，电极间距离较大．电极面积较小，故极间电容较小，适于高速探测。热释电探测器的结构:面电极置于晶体的前后表面上，一个电极位于负载上的输出电压的计算：入射的交变辐射在热释电晶体中产生的电流id可表示为:(7.2-1)

PS：热释电晶体的极化矢量；热释电系数，表示自发极化强度随温度T的变化率(库仑／厘米2·K)。

Ad:热释电探测器电极面积。电流在负载电阻RL上产生的输出电压为：(7.2-2)负载上的输出电压的计算：入射的交变辐射在热释电晶体中产生的电输出电压正比于热释电系数γ和温度变化速率，而与晶体和入射辐射达到平衡的时间无关。为了有大的温度变化率要求光敏材料对光辐射有较大的吸收率，同时有较小的热容。二、热释电探测器的等效电路及输出电压计算：

探测器放大器输出电压正比于热释电系数γ和温度变化速率，而二、热释电探负载阻抗RL等效为(7.2-3)

RL模值为：(7.2-4)假设入射辐射为：那么释电探测器的温度T表示为Cd、Rd：热释电探测器的电容和电阻；CA、RA：放大器的电容和电阻。（7.2－5）

热释电探测器接收恒定光辐射后的温升;负载阻抗RL等效为(7.2-3)RL模值为：(7.2-4)(7.2-6)

将7.2-4式和7.2-6代入7.2-2,输出电压为微分后可以得到温度的变化速率为:则电压幅值为

(7.2-7)

(7.2-6)将7.2-4式和7.2-6代入7.2-2,输可以得到输出电压幅值表达式

(7.2-8)其中

可以得到输出电压幅值表达式 (7.2-8)其中三、热释电探测器的特性1、响应率：

(7.2-10)

讨论：

(1)当入射辐射为恒定辐射(即(ω=0))时，Rv=0,这说明热释电探测器对恒定辐射不响应。(2)低频时，既当ωτT<<1和ωτE<<1时,结论：Rv与ω成正比。三、热释电探测器的特性1、响应率：(7.2-10)讨论：（3）中频时，当1/τT<<ω<<1/τE时结论：响应率Rv与ω无关（4）中频时，当1/τE<<ω<<1/τT时结论：响应率Rv与ω无关（5）高频时，当ω>>1/τT及ω〉〉1/τE时结论：响应率Rv与ω成反比，(H,C)Rv（7.2-11）

(7.2-12)（3）中频时，当1/τT<<ω<<1/τE时结论：响应如果热释电探测器是厚度为d的薄片，则其热容C’:为体积比热，电容为平板电容，电容C为：代人(7.2—12)式可以得到0和r分别为真空和热释电材料的相对介电常数。(7.2-13)结论：为了获得较高的响应率，热释电材料应具有大的如果热释电探测器是厚度为d的薄片，则其热容C’:为体积比对于选择热电材料来说是个有用的判据。2．噪声

热释电探测器的主要噪声：温度噪声和热噪声。温度噪声：如果热导为辐射热导时，温度噪声为：能量的起伏的均方根值为(7.2-14)对于选择热电材料来说是个有用的判据。2．噪声热释电探测器的如果把看作探测器吸收的能量的话，由所产生的温度噪声电压为(7.2-15)出现吸收系数α是由于

是用人射能量表示的，而式(7.2－14)是用吸收能量给出的。温度噪声与频率的关系和响应率与频率的关系相同。热噪声

与图6—6所示等效电路的电阻有关的热噪声电压为(7.2-16)

如果把看作探测器吸收的能量的话，由所产生的温度噪声电压为(7其中有效电阻(7.2-17)

代人(7.2—16)式，得到热噪声电压为

（7.2－18）较大，对于通常的工作频率便能满足，上式可简化为：

(7.2—19)由于τE=RC

其中有效电阻(7.2-17)代人(7.2—16)式，得到热总结：热释电探测器的热噪声随频率ω的升高而下降；增大总电阻R可使热噪声电压降低。探测器在低频时，Rac>RA

，总电阻取决于RA，即R≈RA，所以(7.2-20)讨论：（1）热释电探测器的热噪声随频率ω的升高而下降；增大总电阻R可使热噪声电压降低。（2）总电阻R为热释电探测器材料的直流电阻Rdc、热释电材料的介电损耗引起的交流电阻Rac和前置放大器输入电阻RA的并联值。一般情况下满足总结：热释电探测器的热噪声随频率ω的升高而下降；增大总电阻R在高频时探测器在低频时，Rac<RA，总电阻取决于Rac，即R≈Rac

，所以

(7.2-21)总噪声：如果只考虑温度噪声和热噪声，总噪声功率可表示为：

(7.2-22)所以，热释电探测器的噪声等效功率NEP值为

(7.2-23)

热释电探测器的使用说明：由于热释电材料具有压电特性，因而对微震等应变十分敏感，在使用热释电探测器时，应注意减震防震。在高频时探测器在低频时，Rac<RA，总电阻取决于Rac四、几种常用的热释电探测器铁电晶体材料的热释电系数最大的，其中最主要的材料有：（1）TGS（硫酸三甘肽，NH2CH2(OOH)3H2SO4）（2）SBN（铌酸锶钡,BaSrNbO3）（3）LT--钽酸锂(L1Ta03)（4）LN一铌酸锂(LiNb03)、（5）PT--钛酸铅(PbTi03)等。1、TGS(硫酸三甘肽)及其同晶体探测器：

---发展最早、工艺最成熟的热释电探材料。特点：（1）在室温下其热释电系数大，介电常数小；(500，10，1)达（2）D*(500,10,1)可以达到5χ109cm.Hz1/2.W-1（3）在较宽的频率范围内，有较高探测灵敏度。四、几种常用的热释电探测器铁电晶体材料的热释电系数最大的，其缺点：（1）物理化学的稳定性差，居里温度较低(仅为490C)，不能承受大的辐射功率。例如在几毫瓦C02激光作用下就发生分解(TGS分解温度为1500C)。现在多不用纯TGS单晶材料制作热释电探测器。氘化硫酸三甘肽(DTGS)：居里温度有所提高，但工艺较复杂，成本较高。掺杂丙氨酸的TGS(LATGS)：（1）有很好的锁定极化效果。当温度升高到居里点以上再冷却到室温，仍无退极化现象，热释电系数也有提高；（2）掺杂后TGS晶体的介电损耗减小，降低了噪声。同时介电常数下降，改进了高频性能。NEP=，=。缺点：（1）物理化学的稳定性差，居里温度较低(仅为490C)同TGS相比响应快得多。图6—10示出了LATGS的NEP和随频率而变化的情况。

同TGS相比响应快得多。图6—10示出了LATGS的NEP和2、SBN(铌酸锶钡)热释电探测器

特点：材料的居里温度与钡的含量的有关，例如，钡含量从0.25增加到0.52，其居里温度Tc相应从47oC提高到115oC。优点：(1)SBN在大气条件下性能稳定，无需窗口材料保护，电阻率高，热释电系数γ大，机械强度高，在红外波段(10um以上)吸收率很高，故不必涂黑。

(2)在500MHz尚未出现明显的压电谐振，故可用于快速光辐射的探测。缺点：SBN晶体在钡含量x<0.4时，如不加偏压，在室温下就趋于退极化。而当x>0.6时，晶体在生长过程中趋于开裂。改进方法：在SBN中掺入1％的La2O2可（氧化镧）就可以提高热释电系数，消除退极化现象，其(500，10，1)达到。2、SBN(铌酸锶钡)热释电探测器特点：材料的居里温度与钡3、LiTa03(钽酸锂)

优点：器件的居里温度Tc高达620oC，能承受较高的辐射能量，可以工作在很高的环境温度下，且不退极化，是一种非常好的热释电材料。在室温下响应率几乎不随温度变化；物理化学性能稳定，不需保护窗口；机械强度高，响应快(时间常数约为）适于探测高速光脉冲，已用于测量峰值功率为几个千瓦、上升时间为100ps的Nd:YAG激光脉冲。其(500，30，1)已达。4、压电陶瓷热释电探测器

特点：热释电系数γ大，介电常数ε也大，所以二者的比值并不高。

3、LiTa03(钽酸锂)优点：器件的居里温度Tc高达62优点：机械强度大，物理化学性能稳定，电阻率可掺杂来控制。能承受的辐射功率超过LiTaO3热释电探测器，居里温度高(例如锆钛酸热释电探测器的Tc高达365℃)，不易退极化，其

(500，1，1)达制造，成本低廉。。此外，这种热释电探测器易5、聚合物热释电探测器

特点：热释电材料的导热小，热释电系数γ不大，同时介电常数也小，比值γ／ε并不小；优点：易于加工任意形状的薄膜；物理化学性能稳定；富有弹性；价格低廉。

优点：机械强度大，物理化学性能稳定，电阻率可掺杂来控制。(§7.3测辐射热电偶一、测辐射热电偶的工作原理温差电效应：在由两种导体或半导体材料组成的闭合回路中，如果接点Jl上的接收面(见图)吸收红外辐射而使接点Jl升温，使得接点Jl和J2的温度不同，那么回路中就有电流流通。这一现象称为温差电效应或塞贝克效应。典型材料：较好的材料有聚二氟乙烯(PVF2)、聚氟乙烯(PVF)及聚氟乙烯和聚四氟乙烯的共聚物。利用PVF2薄膜已得到

(5010，1)值达§7.3测辐射热电偶一、测辐射热电偶的工作原理温差电效应：在J1J2RL热电极测量端或热端参考端或冷端探测原理:测量端J1光照温度升高参考端J2温度恒定温差电势V12

TT(b)图7-3-1J1J2RL热电极测量端或热端参考端或冷端探测原理:测量端J根据温差电效应，温差电势为（7.3－1）12:温差电势率(塞贝克系数)，由热电极材料确定。△T:为两接点的温差。热电偶光敏面受到辐射照射时，回路中就有电流I通过，受照射的节点J1将按下式描述的速率释放能量:称(7.3-2)式为珀耳帖效应，12为珀耳帖系数。（7.3－2）12和12满足：

(7.3—3)根据温差电效应，温差电势为（7.3－1）12:温差电势

设想测辐射热电偶与负载电阻RL组成闭合回路，如图7-3-1(b)所示，则流过测辐射热电偶的电流I为（7.3－4）R为热电偶两臂电阻之和，即R=RA+RB。将(7.3-3)式和(7.3-4)式代入(7.3-2)式有

(7.3—5)设想测辐射热电偶与负载电阻RL组成闭合回路，如图7-(7.3-6)功率为Peit的交变辐射入射到测辐射热电偶的光敏面时，J1点满足能量守恒H：为测辐射热电偶的热容，G：为两臂热导之和。与上一节推导方法相同，得式△T的幅值为：(7.3-7)式中由此可求得测辐射热电偶的温差电势为：(7.3-6)功率为Peit的交变辐射入射到测辐射热电偶二、测辐射热电偶的特性(7.3-8)

1、响应率

(7.3-9)

在低频情况下，即当T<<1时，上式可近似为:（7.3－10）二、测辐射热电偶的特性(7.3-8)1、响应率(7.3۞Rv与塞贝克系数12及吸收率成正比，选择塞贝克系数高的材料，并将测辐射热电偶的光敏面涂黑可使吸收率增大，从而提高测辐射热电偶的响应率。۞Rv与Gt成反比，所以将测辐射热电偶置于真空中可减小热导，从而提高Rv,但减小热导增加了响应时间。因此应折衷考虑响应率和响应时间之间的关系。在高频情况下，即当T>>1时，测辐射热电偶的响应率为:(7.3-11)۞在高频情况下Rv与ω成反比。۞半导体真空测辐射热电偶的响应率约为50uV／uW。۞Rv与塞贝克系数12及吸收率成正比，选择塞贝克۞Rv2、测辐射热电偶的噪声

主要噪声：（1）测辐射热电偶欧姆电阻的热噪声；（2）测辐射热电偶光敏面温度起伏所产生的温度噪声。①温度噪声②温度噪声总噪声为：(7.3—12)

2、测辐射热电偶的噪声①温度噪声②温度噪声总噪声为：(7其中

۞测辐射热电偶的噪声可看成是由Rt所产生的热噪声。求得测辐射热电偶的最小可探测功率（7.3－13）

由关系式一般来讲Pmin在之间。其中۞测辐射热电偶的噪声可看成是由Rt所产生的热噪声。3、时间响应：测辐射热电偶的响应时间通常为几十毫秒到几秒，所以只能对很低的调制频率才有较高的响应率。

三、测辐射热电堆3、时间响应：测辐射热电偶的响应时间通常为几十毫秒到几秒，所热探测器：基于光辐射与物质相互作用的热效应制成的器件。研究的最早并且得到实际应用。热探测器种类：热电偶、热敏电阻和热释电探测器等。优点：不需致冷、在全部波长上具有平坦响应。缺点：响应率较低，响应时间较长。应用领域：在大于14um的远红外域更广阔的用途。

第七章热探测器热探测器：基于光辐射与物质相互作用的热效应制成第七章热§7.1热探测器的一般原理光敏元光源温升物理性质变化

探测转换成电信号热效应：§7.1热探测器的一般原理光敏元光源温升物理性探测转一、热探测器吸收光辐射引起的温度变化

图7-1，热探测器的热回路P=

：入射光功率。H：热容量，表示升高一度所需的热量(J／K)。G：热导，表示与周围环境发生热交换(W／K)T0：环境温度。α：为热探测器的吸收率。△T+T0:探测器吸收光辐射后的温度。αP：探测器单位时间吸收的热量。一、热探测器吸收光辐射引起的温度变化图7-1，热探测器的热回(7.1-1)

(7.1-2)

(7.1-3)

探测器温度升高△T，单位时间内所需的热量为：探测器在单位时间内通过热导流向环境的热量流△p为:根据热量守恒定律有：上式写成：为线性非奇次方程，先解奇次方程，再用变易法可以(7.1-4)(7.1-1)(7.1-2)(7.1-3)探测器温度升

的响应时间，其意义为当t=τT时，热探测器的温升衰减为初始值的1/e。（1）在一定的辐射功率下，探测器应有尽可能大的温度变化。要做到这一点，G应尽量小而且调制频率要很低，使。(7.1-5)

利用t=0时，可以得到幅值为：：热探测器的时间常数，它对应于光子探测器的响应时间，其意义为当t(2)

提高吸收率α，通常对热探测器光敏元的表面进行黑化。(3)降低热容量H，这是多数热探测器的光敏元做得小巧的原因。

(2)提高吸收率α，通常对热探测器光敏元的表面进(3)降低二、热探测器的极限探测率温度噪声：由于热探测器与周围环境之间的热交换存在着热流起伏，引起热探测器的温度在T0附近呈现小的起伏，这种温度起伏所引起的热功率起伏的均方值构成了热探测器的主要噪声源，称为温度噪声。极限探测率的计算：探测器和环境的热交换包括辐射、对流和传导。当探测器光敏元被真空封装时，热导主要是辐射热导。二、热探测器的极限探测率在理想情况下，光敏面是理想的吸收面，即α＝1；这时辐射热导GR．根据黑体辐射为Ad是光敏面的面积，σ=5.67×10-8为(J.S-1.m-2.K-4)斯忒藩一玻耳兹曼常数。(7.1-6)

若热探测器的吸收率为常数，则其辐射热导与波长无关，而与温度的三次方成正比。当温度降低时，辐射热导将急剧减小。在理想情况下，光敏面是理想的吸收面，即α＝1；这时辐射热导G将(7.1-6)式带入温度噪声公式，得到温度噪声功率为:对于热探测器来讲，如果把热功率起伏作为入射能量，可以得到噪声电压：于是，热探测器的比探测率为：(7.1-7)

(7.1-8)

将(7.1-6)式带入温度噪声公式，得到温度噪声功率为:(7在室温下，把T=300K，玻尔兹曼常数k=1.38×10-23J/K和σ=5.67×10-8为(J.S-1.m-2.K-4)代入上式，可得理想热探测器的极限比理想热探测器的极限比探测率已接近或达到一般光子探测器的比探测率。(7.1-12)

§7.2热释电探测器一、热释电效应:极化强度变化

面电荷变化

在室温下，把T=300K，玻尔兹曼常数k=1.38×10-2第七章--光电子技术课件热释电晶体:铁电体：某些极性晶体，当加上电场后，无规则排列的自发极化矢量趋于同一方向，当外加电场移去后，这些晶体保持该特性，这类晶体称为铁电体。例如：硫酸三甘肽(TGS)、铌酸锶钡(SBN)、钽酸锂(LiTaO3)等。TC：居里温度热释电晶体:TC：居里温度非铁电体：自发极化方向不能用外电场来改变，如硫酸锂(Li2SO4·H20)和电气石等。热释电探测器的工作原理:晶体

频率ω入射光晶体温度变化(ω)

极化强度变化(ω)

面电荷密度变化(ω)形成回路电流(id)

非铁电体：自发极化方向不能用外电场来改变，如硫酸锂(Li2S热释电探测器的结构:面电极置于晶体的前后表面上，一个电极位于光敏面内电极面积较大，极间距离较小，因而极间电容较大，故其不适于高速应用。电极所在的平面与光敏面互相垂直，电极间距离较大．电极面积较小，故极间电容较小，适于高速探测。热释电探测器的结构:面电极置于晶体的前后表面上，一个电极位于负载上的输出电压的计算：入射的交变辐射在热释电晶体中产生的电流id可表示为:(7.2-1)

PS：热释电晶体的极化矢量；热释电系数，表示自发极化强度随温度T的变化率(库仑／厘米2·K)。

Ad:热释电探测器电极面积。电流在负载电阻RL上产生的输出电压为：(7.2-2)负载上的输出电压的计算：入射的交变辐射在热释电晶体中产生的电输出电压正比于热释电系数γ和温度变化速率，而与晶体和入射辐射达到平衡的时间无关。为了有大的温度变化率要求光敏材料对光辐射有较大的吸收率，同时有较小的热容。二、热释电探测器的等效电路及输出电压计算：

探测器放大器输出电压正比于热释电系数γ和温度变化速率，而二、热释电探负载阻抗RL等效为(7.2-3)

RL模值为：(7.2-4)假设入射辐射为：那么释电探测器的温度T表示为Cd、Rd：热释电探测器的电容和电阻；CA、RA：放大器的电容和电阻。（7.2－5）

热释电探测器接收恒定光辐射后的温升;负载阻抗RL等效为(7.2-3)RL模值为：(7.2-4)(7.2-6)

将7.2-4式和7.2-6代入7.2-2,输出电压为微分后可以得到温度的变化速率为:则电压幅值为

(7.2-7)

(7.2-6)将7.2-4式和7.2-6代入7.2-2,输可以得到输出电压幅值表达式

(7.2-8)其中

可以得到输出电压幅值表达式 (7.2-8)其中三、热释电探测器的特性1、响应率：

(7.2-10)

讨论：

(1)当入射辐射为恒定辐射(即(ω=0))时，Rv=0,这说明热释电探测器对恒定辐射不响应。(2)低频时，既当ωτT<<1和ωτE<<1时,结论：Rv与ω成正比。三、热释电探测器的特性1、响应率：(7.2-10)讨论：（3）中频时，当1/τT<<ω<<1/τE时结论：响应率Rv与ω无关（4）中频时，当1/τE<<ω<<1/τT时结论：响应率Rv与ω无关（5）高频时，当ω>>1/τT及ω〉〉1/τE时结论：响应率Rv与ω成反比，(H,C)Rv（7.2-11）

(7.2-12)（3）中频时，当1/τT<<ω<<1/τE时结论：响应如果热释电探测器是厚度为d的薄片，则其热容C’:为体积比热，电容为平板电容，电容C为：代人(7.2—12)式可以得到0和r分别为真空和热释电材料的相对介电常数。(7.2-13)结论：为了获得较高的响应率，热释电材料应具有大的如果热释电探测器是厚度为d的薄片，则其热容C’:为体积比对于选择热电材料来说是个有用的判据。2．噪声

热释电探测器的主要噪声：温度噪声和热噪声。温度噪声：如果热导为辐射热导时，温度噪声为：能量的起伏的均方根值为(7.2-14)对于选择热电材料来说是个有用的判据。2．噪声热释电探测器的如果把看作探测器吸收的能量的话，由所产生的温度噪声电压为(7.2-15)出现吸收系数α是由于

是用人射能量表示的，而式(7.2－14)是用吸收能量给出的。温度噪声与频率的关系和响应率与频率的关系相同。热噪声

与图6—6所示等效电路的电阻有关的热噪声电压为(7.2-16)

如果把看作探测器吸收的能量的话，由所产生的温度噪声电压为(7其中有效电阻(7.2-17)

代人(7.2—16)式，得到热噪声电压为

（7.2－18）较大，对于通常的工作频率便能满足，上式可简化为：

(7.2—19)由于τE=RC

其中有效电阻(7.2-17)代人(7.2—16)式，得到热总结：热释电探测器的热噪声随频率ω的升高而下降；增大总电阻R可使热噪声电压降低。探测器在低频时，Rac>RA

，总电阻取决于RA，即R≈RA，所以(7.2-20)讨论：（1）热释电探测器的热噪声随频率ω的升高而下降；增大总电阻R可使热噪声电压降低。（2）总电阻R为热释电探测器材料的直流电阻Rdc、热释电材料的介电损耗引起的交流电阻Rac和前置放大器输入电阻RA的并联值。一般情况下满足总结：热释电探测器的热噪声随频率ω的升高而下降；增大总电阻R在高频时探测器在低频时，Rac<RA，总电阻取决于Rac，即R≈Rac

，所以

(7.2-21)总噪声：如果只考虑温度噪声和热噪声，总噪声功率可表示为：

(7.2-22)所以，热释电探测器的噪声等效功率NEP值为

(7.2-23)

热释电探测器的使用说明：由于热释电材料具有压电特性，因而对微震等应变十分敏感，在使用热释电探测器时，应注意减震防震。在高频时探测器在低频时，Rac<RA，总电阻取决于Rac四、几种常用的热释电探测器铁电晶体材料的热释电系数最大的，其中最主要的材料有：（1）TGS（硫酸三甘肽，NH2CH2(OOH)3H2SO4）（2）SBN（铌酸锶钡,BaSrNbO3）（3）LT--钽酸锂(L1Ta03)（4）LN一铌酸锂(LiNb03)、（5）PT--钛酸铅(PbTi03)等。1、TGS(硫酸三甘肽)及其同晶体探测器：

---发展最早、工艺最成熟的热释电探材料。特点：（1）在室温下其热释电系数大，介电常数小；(500，10，1)达（2）D*(500,10,1)可以达到5χ109cm.Hz1/2.W-1（3）在较宽的频率范围内，有较高探测灵敏度。四、几种常用的热释电探测器铁电晶体材料的热释电系数最大的，其缺点：（1）物理化学的稳定性差，居里温度较低(仅为490C)，不能承受大的辐射功率。例如在几毫瓦C02激光作用下就发生分解(TGS分解温度为1500C)。现在多不用纯TGS单晶材料制作热释电探测器。氘化硫酸三甘肽(DTGS)：居里温度有所提高，但工艺较复杂，成本较高。掺杂丙氨酸的TGS(LATGS)：（1）有很好的锁定极化效果。当温度升高到居里点以上再冷却到室温，仍无退极化现象，热释电系数也有提高；（2）掺杂后TGS晶体的介电损耗减小，降低了噪声。同时介电常数下降，改进了高频性能。NEP=，=。缺点：（1）物理化学的稳定性差，居里温度较低(仅为490C)同TGS相比响应快得多。图6—10示出了LATGS的NEP和随频率而变化的情况。

同TGS相比响应快得多。图6—10示出了LATGS的NEP和2、SBN(铌酸锶钡)热释电探测器

特点：材料的居里温度与钡的含量的有关，例如，钡含量从0.25增加到0.52，其居里温度Tc相应从47oC提高到115oC。优点：(1)SBN在大气条件下性能稳定，无需窗口材料保护，电阻率高，热释电系数γ大，机械强度高，在红外波段(10um以上)吸收率很高，故不必涂黑。

(2)在500MHz尚未出现明显的压电谐振，故可用于快速光辐射的探测。缺点：SBN晶体在钡含量x<0.4时，如不加偏压，在室温下就趋于退极化。而当x>0.6时，晶体在生长过程中趋于开裂。改进方法：在SBN中掺入1％的La2O2可（氧化镧）就可以提高热释电系数，消除退极化现象，其(500，10，1)达到。2、SBN(铌酸锶钡)热释电探测器特点：材料的居里温度与钡3、LiTa03(钽酸锂)

优点：器件的居里温度Tc高达620oC，能承受较高的辐射能量，可以工作在很高的环境温度下，且不退极化，是一种非常好的热释电材料。在室温下响应率几乎不随温度变化；物理化学性能稳定，不需保护窗口；机械强度高，响应快(时间常数约为）适于探测高速光脉冲，已用于测量峰值功率为几个千瓦、上升时间为100ps的Nd:YAG激光脉冲。其(500，30，1)已达。4、压电陶瓷热释电探测器

特点：热释电系数γ大，介电常数ε也大，所以二者的比值并不高。

3、LiTa03(钽酸锂)优点：器件的居里温度Tc高达62优点：机械强度大，物理化学性能稳定，电阻率可掺杂来控制。能承受的辐射功率超过LiTaO3热释电探测器，居里温度高(例如锆钛酸热释电探测器的Tc高达365℃)，不易退极化，其

(500，1，1)达制造，成本低廉。。此外，这种热释电探测器易5、聚合物热释电探测器

特点：热释电材料的导热小，热释电系数γ不大，同时介电常数也小，比值γ／ε并不小；优点：易于加工任意形状的薄膜；物理化学性能稳定；富有弹性；价格低廉。

优点：机械强度大，物理化学性能稳定，电阻率可掺杂来控制。(§7.3测辐射热电偶一、测辐射热电偶的工作原理温差电效应：在由两种导体或半导体材料组成的闭合回路中，如果接点Jl上的接收面(见图)吸收红外辐射而使接点Jl升温，使得接点J