光电材料与器件第9章 单元探测器件

第九章单元探测器件一、单元型探测器的分类热探测器光子探测器（光电探测器）热电偶（热电堆）热敏电阻气体探测器（高莱盒）热释电探测器光电子发射探测器光电倍增管光电导探测器多晶薄膜型单晶型光伏探测器P-N结二极管PIN二极管光电池1.热探测器探测器吸收红外辐射后，产生温升伴随着温升而发生某些物理性质的变化温差电动势、电阻率变化、自发极化强度变化、气体体积和压强变化等利用其中的一种物理变化就可以制成一种类型的红外探测器温差电效应——热电偶电阻率——热敏电阻或电阻测辐射热计气体压强变化——气体探测器(高莱盒)自发极化强度——热释电探测器2.光子探测器(光电探测器)利用光电效应工作反应快结构都比较牢固，能在比较恶劣的条件下工作发展最快、应用最为普遍的探测器。光电效应外光电效应光电子发射探测器光电管光电倍增管变像管像增强器内光电效应光电导探测器结构简单，种类最多，应用最广光伏探测器响应速度一般较光电导探测器快光磁电探测器二、单元探测器的参数(1)探测器面积①标称面积An：探测器制造者提供的响应面积，表示探测器真实响应面积的近似值。②有效面积Ae：R(x,y)：各点的响应度(2)探测器接收辐射信号的立体角权重立体角在辐射信号入射方向上以入射角的余弦作为权重的立体角标称权重立体角Ωn探测器制造者提供的立体角，表示探测器真实权重立体角的近似值有效权重立体角Ωe为轴线垂直于响应平面的球坐标系的极角和方位角为探测器响应平面s上某点(x,y)对(θ,Φ)方向入射的辐射响应度为的极大值对于响应度与方位角无关的圆形对称探测器ω：响应元中心到探测器光阑的视场角对于朗伯探测器，其权重立体角简化为2.探测器的工作温度室温300K干冰194.6K液氮77.3K液氖27.2K液氢20.4K液氦4.2K常用的温度参数3.探测器的阻抗用复数形式表示，即Rz为零频时的直流阻抗R0为容抗多数探测器的阻抗与一个纯电阻等效阻值在100Ω以下称为低阻器件，需与放大器做变压器耦合100Ω~1MΩ称为中阻器件，与放大器最容易匹配1MΩ以上称为高阻器件，需高阻抗放大器输入才能匹配4.探测器的性能参数探测器对辐射的探测能力最基本的三方面的参数波长响应范围响应速度单位辐射功率入射到探测器上所产生信号大小（响应度）探测器识别微弱信号的能力（噪声等效功率、探测率D、归一化探测率D*）4）响应时间(或时间常数)探测器将入射辐射转变为电输出的弛豫时间表示探测器工作速度的一个定量参数设在t=0时刻以恒定的辐射源照射探测器，其输出信号按指数规律变化时：响应时间τ的物理意义：探测器接收红外辐射照射后，输出信号达到稳定值的63%时所需要的时间探测器的频率响应与响应时间的关系f：调制频率R(0)：f=0时的响应度响应时间，为响应度下降到最大值的0.707时的角频率2πf的倒数值数码相机为什么能实现自动曝光？三、光电导型探测器光敏电阻光敏电阻结构示意图利用半导体光电导效应制成的器件称为光电导探测器，简称PC（Photoconductive）探测器－－又称为光敏电阻①光谱响应：紫外－－远红外②工作电流大，可达数毫安③可测强光，可测弱光④灵敏度高，光电导增益大于1⑤无极性之分光电导探测器的特点1.光电导探测器的定义及特点：平衡载流子浓度及其迁移率决定暗电导率非平衡载流子注入产生附加电导率若∆σ由光照注入的非平衡载流子所产生时，称之为光电导率能产生光电导效应的材料称为光电导体Ⅱ－Ⅵ、Ⅲ－V族化合物，硅、锗以及一些有机物等光电导光敏电阻演示

当光敏电阻受到光照时，光生电子—空穴对增加，阻值减小，电流增大。暗电流（越小越好）2.光电导探测器的分类按其基本激发过程分类本征光电导探测器杂质光电导探测器光子能量大于半导体的禁带宽度，使电子从价带激发到导带而改变其电导率入射辐射激发杂质能级上的电子或空穴而改变其电导率1.常用N型2.极低温度下工作光电导器件材料禁带宽度（eV）光谱响应范围（nm）峰值波长（nm）硫化镉（CdS）2.45400～800515～550硒化镉（CdSe）1.74680～750720～730硫化铅（PbS）0.40500～30002000碲化铅（PbTe）0.31600～45002200硒化铅（PbSe）0.25700～58004000硅（Si）1.12450～1100850锗（Ge）0.66550～18001540锑化铟（InSb）0.16600～70005500砷化铟（InAs）0.331000～40003500常用光电导材料每一种半导体或绝缘体都有一定的光电导效应，但只有其中一部分材料经过特殊处理，掺进适当杂质，才有明显的光电导效应。现在使用的光电导材料有Ⅱ-Ⅵ族、Ⅲ-Ⅴ族化合物，硅、锗等，以及一些有机物。光电导的响应与光生载流子Δn成正比3.光照下的光电导响应入射光强随厚度变化入射光经过dz厚度光强减小写成微分形式故，光强的衰减规律四、光电导探测器工作原理在探测器内，单位时间、单位体积内吸收的光辐射量为被吸收的光子数就为单位时间、单位体积内产生的电子-空穴对数目为η：量子效率平均体激发率略去了下表面的反射时：表面吸收表面激发率，即单位时间、单位面积内所产生的光生载流子数目载流子的复合直接复合的复合率γ：直接复合系数间接复合的复合率表面复合速率γe，γp电子和空穴的俘获系数SV：表面复合速率1、稳态光电导：自由电子的增加率：电子的激发率：电子的复合率D：双极扩散系数；μ：双极迁移率对于本征光电导，n=p本征光电导光生载流子变化的基本方程2本征光电导探测器的性能分析1）本征光电导探测器的响应度稳态情况下即：利用该方程可求出∆p的稳态解并进而讨论探测器的输出与响应情况下面分两种情况讨论不考虑载流子浓度梯度及表面复合考虑载流子浓度梯度及表面复合本征光电导稳态方程(1)不考虑载流子浓度梯度及表面复合不考虑载流子的浓度梯度探测器内各处载流子浓度是均匀的，即体激发率也是均匀的即：本征光电导稳态方程变为其解为光生载流子浓度与体平均激发率成正比，与载流子寿命成正比光电导探测器的几何模型右图所示的光电导探测器光生载流子的电流密度为故：对于本征光电导有：其中：故光生电流为若无信号时的电阻(暗电阻)为Rd，则开路电压为探测器的响应度为又：故：对于本征光电导，其暗电阻率为故：p0:无信号照射时空穴的浓度再考虑背景对电导率及空穴浓度的影响下标t：热激发下标b：背景辐射从而：讨论①响应度与光生载流子寿命τ成正比②响应度与无信号时的载流子浓度成反比③响应度与外加电场成正比考虑到焦耳热，外加电场应有一个最佳值④在满足αd﹥﹥1的条件下，减少探测器厚度也对提高响应度有利⑤减少反射，镀增透膜也对提高响应度有利(2)考虑载流子浓度梯度及表面复合体内的稳态方程L：载流子扩散长度边界条件：微分方程的解为：响应度为：要提高器件的响应度应尽量降低表面复合速度SV并尽可能减少d2）

本征光电导探测器的探测率热噪声产生—复合噪声故：探测率为：(1)热噪声限制下的本征光电导器件的D*λ要提高本征光电导探测器热噪声限的性能，要求材料有较高的电子迁移率和较低的ni；有尽可能高的载流子寿命和低的工作温度；在αd>>1的条件下应尽可能减薄探测器的厚度，同时选择最佳的工作外场(2)产生—复合噪声限制下的本征光电导探测器的D*λ则在足够低的温度下，该式便成为探测器背景限的探测率3）本征光电导的响应时间(1)上升情况初始条件时方程的解为光电导探测器的弛豫现象(或滞后现象)光生载流子随时间按指数规律上升至稳定值的(1-1/e)时所需的时间即为上升响应时间(2)下降情况初始条件时解为：光生载流子浓度衰减至初始值（∆p0）的1/e时所需时间称为下降的响应时间光电导探测器的弛豫现象(或滞后现象)4）光电导增益首先导出电流表达式在x处光生载流子浓度为载流子寿命在x处光生载流子浓度x处的光电导率为漂移电流密度（A/m2）为漂移电流密度（A/m2）为光电导探测器平均光电流光电导增益表达式－－光电导探测器的内增益，也称为光电导增益光电导探测器光敏面做成蛇形M>1的理解光电导内增益

说明载流子已经渡越完毕，但载流子的平均寿命还未中止。这种现象可以这样理解：光生电子向正极运动，空穴向负极运动，可是空穴的移动可能被晶体缺陷和杂质形成的俘获中心－陷阱所俘获。因此，当电子到达正极消失时，陷阱俘获的正电中心（空穴）仍留在体内，它又会将负电极的电子感应到半导体中来，被诱导进来的电子又在电场中运动到正极，如此循环直到正电中心消失。这就相当放大了初始的光生电流。

如何提高M选用平均寿命长、迁移率大的半导体材料；减少电极间距离；加大偏压参数选择合适时，M值可达102量级5）光电特性和γ值光敏电阻的光电流与入射光通量（光照度）之间的关系称光电特性α为电压指数，～1γ＝

0.5~1－－照度指数强光－－γ为0.5弱光－－γ为1弱光－－线性（测量）强光－－非线性（控制）

Sg光电导灵敏度，与材料有关6）光电导灵敏度弱光，光电导灵敏度：

S/lm，S/lxS/μW，S/μW/cm27）光谱特性可见光区灵敏的几种光敏电阻在可见光区灵敏的几种光敏电阻的光谱特性曲线1-硫化镉单晶

2-硫化镉多晶

3-硒化镉多晶

4-硫化镉与硒化镉混合多晶红外区灵敏的几种光敏电阻8）前历效应前历效应是指光敏电阻的时间特性与工作前“历史”有关的一种现象。前历效应有暗态前历与亮态前历之分。暗态前历效应：是指光敏电阻测试或工作前处于暗态，当它突然受到光照后表现为暗态。前历越长，光电流上升越慢。一般，工作电压越低，光照度越低，则暗态前历效应就越重。硫化镉光敏电阻的暗态前历效应曲线

1-黑暗放置3分钟后

2-黑暗放置60分钟后

3-黑暗放置24小时后

一般，工作电压越低，光照度越低，则暗态前历效应就越重。亮态前历效应指光敏电阻测试或工作前已处于亮态，当照度与工作时所要达到的照度不同时，所出现的一种滞后现象一般，亮电阻由高照度状态变为低照度状态达到稳定值时所需的时间要比由低照度状态变为高照度状态时短。

硫化镉光敏电阻亮态前历效应曲线

9）温度特性

光敏电阻的温度特性很复杂，在一定的照度下，亮电阻的温度系数α（有正有负）

R1、R2分别为与温度T1、T2相对应的亮电阻。

光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻。典型CdS（实线）与CdSe（虚线）光敏电阻在不同照度下的温度特性曲线。这两种光敏电阻的相对光电导率随温度的升高而下降，亮电阻变大。硫化镉的光电流I和温度T的关系温度升高，亮电阻变大，电流变小

温度对光谱响应也有影响。随着温度的升高，其暗电阻和灵敏度下降，光谱特性曲线的峰值向波长短的方向移动。有时为了提高灵敏度，或为了能够接收较长波段的辐射，将元件降温使用。例如，可利用制冷器使光敏电阻的温度降低。2040608010001.02.03.04.0λ/μmI/mA+20ºC-20ºC硫化镉的光电流I和温度T的关系五、

非本征光电导探测器的性能分析入射红外辐射的光子能量比器件材料禁带宽度小时只能激发杂质能级中的电子或空穴，使其电导率发生变化利用杂质光电导制成的器件必须处于低温工作状态，以保证杂质能级上的电子或空穴基本上未电离，即处于束缚状态，从而有较高的暗电阻。杂质光电导材料的吸收系数仅在10-1~1cm-1在杂质光电导区，红外辐射要透入探测器很“深”的距离。当探测器厚度不太厚时，一部分红外辐射要透过红外探测器1）杂质光电导探测器的响应度以n型半导体为例设：无光照时自由电子的浓度为n0，未电离施主的浓度为ni0在离探测器表面下z处，光激发速率为热激发速率复合速率光照时自由电子浓度未电离的施主浓度光电导基本方程R光生载流子浓度光生电流开路电压响应度通常将展开，并略去高次项①当探测器的工作温度尚未达到足够低时影响响应率的因素热产生电子浓度n0t将大于背景辐射电子浓度n0b结论：可降低工作温度使n0t和n1减小，以提高响应度②当温度下降到使及成立时①温度降低到一定程度后，再降低温度，响应度也不会再提高了②在足够低的工作温度下，如果受主浓度NA远大于背景辐射产生的电子浓度，可以通过减小受主浓度来提高响应度③αd<<1的条件下，响应度与厚度无关。通常大多是想办法通过多次全反射延长光信号在探测器中的路程以增强器件对信号的吸收2）杂质光电导器件的探测率D*λ①热噪声限制下杂质光电导器件的D*λ②产生—复合噪声限制下杂质光电导器件的D*λ背景极限下的探测率为（1）基本偏置电路及直流参数的计算为使器件正常工作，提供合适的电流或者电压。偏置电路:意义：1.提高探测灵敏度2.降低噪声3.提高频率响应－－偏置电压－－偏置电流六、热敏电阻应用电路基本偏置电路:直流参数计算:1）计算Ub,RL2）计算ΔΦ对应的输出电压（1）基本偏置电路及直流参数的计算a）计算Ub,RLb）计算ΔΦ对应的输出电压恒流偏置电路RL>>RP

特点:信噪比高－－弱信号检测c）几种典型偏置电路恒压偏置电路RL<<RP

特点:输出信号与光敏电阻无关偏流对信噪比的影响恒压偏置电路RL<<RP

3.3.2几种典型偏置电路恒流偏置电路RL>>RP

如何增大输出信号？－－－恒流偏置电路恒压偏置电路应用电路举例1.光敏电阻用于照相机自动曝光电路

：光照强：曝光时间短光照弱：曝光时间长2.光电位器光电位器特点：无机械接触、可靠性高、寿命长3、火焰检测报警器R12kΩ中心站放大器VDW6VR2200kΩR3PbSC168nFC268uFR43.9MΩR5820kΩR71kΩR832kΩR63.9kΩR9150kΩC44.7nF+C3100uFV1V2V3PbS光敏电阻：Rd=1MΩ,Rl=0.2MΩ，峰值波长2.2um。恒压偏置电路高输入阻抗放大电路Vo4、照明灯的光电控制电路CKVDRCdS常闭灯~220V半波整流测光与控制执行控制

几种常用的光敏电阻光敏电阻紫外硫化镉(CdS)和硒化镉(CdSe)可见硫化铊(TiS)、硫化镉(CdS)和硒化镉(CdSe)红外硫化铅(PbS)、碲化铅(PbTe)、锑化铟(InSb)、碲汞镉（Hg1-xCdxTe）光敏电阻常用光电导材料1）CdS光敏电阻

CdS光敏电阻是最常见的光敏电阻，它的光谱响应特性最接近人眼光谱光视效率，它在可见光波段范围内的灵敏度最高，因此，被广泛地应用于灯光的自动控制，照相机的自动测光等。

CdS光敏电阻的峰值响应波长为0.52μm，CdSe光敏电阻为0.72μm，一般调整S和Se的比例，可使Cd（S，Se）光敏电阻的峰值响应波长大致控制在0.52~0.72μm范围内。

CdS光敏电阻的光敏面常为蛇形光敏面结构。

二.PbS光敏电阻

PbS光敏电阻是近红外波段最灵敏的光电导器件。特别是在2μm附近的红外辐射的探测灵敏度很高，因此，常用于火灾的探测等领域。PbS光敏电阻的光谱响应和比探测率等特性与工作温度有关，随着工作温度的降低其峰值响应波长和长波长将向长波方向延伸，且比探测率D*增加。例如，室温下的PbS光敏电阻的光谱响应范围为1~3.5μm，峰值波长为2.4μm，峰值比探测率D*高达1×1011cm·Hz·W-1。当温度降低到（195K）时，光谱响应范围为1~4μm，峰值响应波长移到2.8μm，峰值波长的比探测率D*也增高到2×1011cm·Hz·W-1。

三.InSb光敏电阻

InSb光敏电阻是3~5μm光谱范围内的主要探测器件之一。

InSb材料不仅适用于制造单元探测器件，也适宜制造阵列红外探测器件。

InSb光敏电阻在室温下的长波长可达7.5μm，峰值波长在6μm附近，比探测率D*约为1×1011cm·Hz·W-1。当温度降低到77K（液氮）时，其长波长由7.5μm缩短到5.5μm，峰值波长也将移至5μm，恰为大气的窗口范围，峰值比探测率D*升高到2×1011cm·Hz·W-1。

四.Hg1-xCdxTe系列光电导探测器件

Hg1-xCdxTe系列光电导探测器件是目前所有红外探测器中性能最优良最有前途的探测器件，尤其是对于4~8μm大气窗口波段辐射的探测更为重要。

Hg1-xCdxTe系列光电导体是由HgTe和CdTe两种材料的晶体混合制造的，其中x标明Cd元素含量的组分。在制造混合晶体时选用不同Cd的组分x，可以得到不同的禁带宽度Eg，便可以制造出不同波长响应范围的Hg1-xCdxTe探测器件。一般组分x的变化范围为0.18~0.4，长波长的变化范围为1~30μm。

四、光伏型单元探测器1光伏效应光生伏特效应：光照在半导体PN结或金属—半导体接触上时，会在PN结或金属—半导体接触的两侧产生光生电动势。如将PN结短路，则会出现电流（光生电流）利用p-n结的光伏效应而制成的光电探测器称为光伏探测器。光伏探测器的内电流增益等于1。光伏探测器有光电池和光电二极管之分，相应于两种工作模式在零偏压时，称为光伏工作模式反偏压时，即外加p端为负n端为正的电压时，光导工作模式由外偏压回路决定p-n结光伏探测器的电路符号(a)及等效电路(b)p-n结光伏探测器的工作模式：(c)光伏；(d)光导2pn结光电二极管光伏探测器的基本部分是一个P-N结光电二极管如果光吸收发生在空间电荷区(结区)，电子和空穴立刻被强电场分开并在外电路中产生光电流如果吸收发生在P区或N区到结的扩散长度区域内，则光生电子-空穴对必定首先扩散到空间电荷区，然后在那里被电场分开，并对外电路贡献光电流如果光电二极管是开路，则在P-N结两端出现开路电压，即产生光生伏特效应如果在P端和N端间连接一很低的电阻，则光电二极管被短路且有短路电流流动在pn结光电二极管中的光吸收、电子-空穴对产生和光诱导电流的示意图3、光电二极管的基本结构

光电二极管可分为两种结构形式：以P型硅为衬底的2DU型以N型硅为衬底的2CU型3、光电二极管的电流方程

在无辐射作用的情况下（暗室中），PN结硅光电二极管的正、反向特性与普通PN结二极管的特性一样。其电流方程为：Js为称为反向饱和电流或暗电流

在零偏条件下，如用光照射p区或n区，只要照射光的波长满足λ

λc，都会激发出光生电子---空穴对。光照p区，由于p区的多数载流子是空穴，光照前热平衡空穴浓度本来就比较大，因此光生空穴对p区空穴浓度影响很小。

相反，光生电子对p区的电子浓度影响很大，从p区表面(吸收光能多，光生电子多)向p区内自然形成电子扩散趋势。如果p区厚度小于电子扩散长度，那么大部分光生电子都能扩散进入p-n结。光生电子一进入p-n结．就被内电场拉向n区。这样．光生电子一空穴对就被内电场分离开来，空穴留在p区，电子通过扩散流向n区。这时用电压表就能测量出p区正,n区负的开路电压un，称为光生伏特效应。如果用一个理想电流表接通p-n结，则有电流i0通过．称为短路电流。光照情况下则在光照情况下，P-N结的势垒高度由原来的eV0变为e(V0-V)N区中少数载流子浓度获得的增量∆p为p0无光照时N区中少数载流子浓度结区附近N区中少数载流子浓度为光照射P-N结时，P区中的少子电子浓度的增量和电子浓度分别为n0为无光照时P区中少数载流子浓度非平衡载流子在结区引起空穴电流密度和电子电流密度分别为总的光生电流密度J为其中：Js：反向饱和电流密度光生电压为弱光照情况下：4光伏探测器响应度的普遍表达式光伏探测器的响应度为光生电压与探测器所接受的功率之比量子产额：PN结增量电阻：故：提高光生电流，即量子产额降低反向饱和电流，即提高增量电阻弱信号条件，即J<<Js提高光生电流，即量子产额降低反向饱和电流，即提高增量电阻提高响应度的途径5光伏型探测器工作方式1）

光平行于P-N结平面照射光平行于结平面照射光伏探测器P区及N区的长度大于电子和空穴的扩散长度P区少子基本方程稳态方程边界条件方程的解为：ＰＮ结结处的电子电流密度同理，ＰＮ结结处的空穴电流密度简化处理条件：结处的总电流密度反向饱和电流密度和光生电流密度反向饱和电流密度光生电流密度Q：平均体激发率当P-N结开路时，响应度弱激励条件：J<<Js如何提高响应度？？？讨论(1)降低反向饱和电流JS(2)提高光生电流J(1)降低反向饱和电流考虑：则：在温度不太低时因此：结论：①在温度不太低时，可通过制冷降低探测器的温度，使降低，进而降低Ｊｓ②还可以通过适当重掺杂，即增加ＮＡ或ＮＤ来降低ＪＳ控制缺陷的浓度，提高少子寿命③(2)提高量子产额及增大增量电阻量子产额增量电阻要提高量子产额和增量电阻①在的条件下，缩短探测器的长度；②减小反射损失；③减小P-N结的结面积④提高载流子的扩散长度、提高少子的寿命2）光垂直于P-N结平面照射光垂直照射P-N结平面的光伏探测器N区的厚度ｄ远小于扩散长度ＬｐN区内少子空穴的稳态方程微分方程的解为空穴电流密度为简化处理且表面复合又不太大P区的厚度L远大于Lex=djepn结d的总电流密度光生电流反向饱和电流密度开路电压为响应度为讨论如何提高响应度？？？增大光生电流减小反向饱和电流(1)提高量子产额①减小反射损失②减小受光照一侧材料的厚度dx(2)减小反向饱和电流及增大增量电阻①减小d可降低Js，提高Ri②减小表面复合系数也可以降低Js，提高Ri③增大L④减小无信号时载流子浓度n0和p0⑤减小器件几何尺寸3）光伏探测器的响应时间影响光伏探测器响应时间的三个因素光生载流子在准中性N或P区扩散到耗尽区所需的时间产生在耗尽区外边的光生载流子扩散到结区需要较长的时间，故结应尽可能紧靠器件表面，即要求浅结光生载流子漂移通过耗尽区所需要的时间结应尽可能薄耗尽区的电容，即结电容结越薄，结电容越大假设入射光子主要在P区接收，与光生载流子在P区中扩散对应的频率上限为由N型扩散限制的高频限会比P型中的低得多，因为空穴迁移率更小，通常要小两个数量级光伏探测器受光照一侧为p型可提高探测频率渡越耗尽区的时间：光生载流子漂移速度：耗尽区的长度若l长为1μm，vd在晶格散射限制下约为3×107cm/s约为1×1011s由渡越时间限制的高频限约为1/2πtr=16GHz结区电容的影响Cj：结电容RL：外负载电阻频率上限Aj：结区面积l：耗尽区宽度耗尽区的宽度随掺杂浓度不同而不同对于突变结光二极管的计算截止频率Aj=10-4cm2，右边坐标对应l和Cj/Aj6、PIN型光电二极管

——PIN管

为了提高PN结硅光电二极管的时间响应，消除在PN结外光生载流子的扩散运动时间，常采用在P区与N区之间生成I型层PIN结构的光电二极管与PN结型的光电二极管在外形上没有什么区别结电容小渡越时间短灵敏度高特点：10GHzp-i-n光电二极管的截面图p-i-n光电二极管反偏状态下的能带图和光子产生过程（1）顶部的p+区很薄，使光吸收最小（2）i区掺杂很小，宽度经过特殊设计，以获得所需要的特征响应。如宽度等于待测波长的吸收系数的倒数，就能在这一波长下获得最大响应（3）p+,n+区的耗尽层宽度基本可忽略，i层是全耗尽的。大部分的光生载流子是由中间耗尽区产生的载流子组成。（4）i区掺杂很低，电场可近似看作参数，电势和电势能是位置的线性函数比普通pn结光电二极管的瞬时光电流大很多

第一象限是正偏压状态，iD本来就很大，所以光电流不起主要作用，在这一区域工作没有意义。第三象限是反偏压状态，这时，它是普通二极管中的反向饱和电流，现在称为暗电流（对应于光功率P=0），数值很小，这时的光电流（等于i－is）是通过探测器的主要电流。

光伏探测器的伏安特性曲线即i～u

曲线如图所示。

由于这种情况外回路特性与光电导探测器十分相似，所以反偏压下的工作方式称为光导模式，相应的探测器称为光电二极管。7.PN（PIN）探测器的伏安特性曲线在第四象限中，外偏压为零时，流过探测器的电流仍为光电流，这时探测器的输出是通过负载电阻RL上的电压或流过RL上的电流来体现的，因此称为光伏工作模式。相应的探测器称为光电池。7、雪崩光电二极管

——APD管

由于PIN型光电二极管在较高的反向偏置电压的作用下耗尽区扩展到整个PN结结区，形成自身保护（具有很强的抗击穿功能），因此，PIN型雪崩光电二极管不必设置保护环。

1）结构

2）工作原理

雪崩光电二极管为具有内增益的一种光生伏特器件。它利用光生载流子在强电场内的定向运动，产生的雪崩效应获得光电流的增益。

电离产生的载流子数远大于光激发产生的光生载流子数，这时雪崩光电二极管的输出电流迅速增加，其电流倍增系数M定义为：式中，I为倍增输出的电流，I0为倍增前输出的电流。

实验发现，在略低于击穿电压时，发生雪崩倍增现象，M随反向偏压U的变化可用经验公式近似表示：

当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达106，即产生所谓的雪崩响应速度特别快，带宽可达100GHz，是目前响应速度最快的一种光电二极管。3）噪声

由于雪崩光电二极管中载流子的碰撞电离是不规则的，碰撞后的运动方向更是随机的，所以它的噪声比一般光电二极管要大些。雪崩光电二极管的噪声可近似由下式计算：

式中指数n与雪崩光电二极管的材料有关。对于锗管，n=3；对于硅管为2.3<n<2.5。

雪崩光电二极管的

倍增电流、噪声与偏压的关系曲线光电二极管的典型应用电路应用电路EhνRLVoRL+EVohν光电二极管的典型应用电路电流放大型VoRf2CR+_ACRf2CRVo+_ARLRf电压放大型8、光电三极管

光电三极管有两种基本结构，NPN结构与PNP结构。用N型硅材料为衬底制作的

NPN结构，称为

3DU型；用P型硅材料为衬底制作的称为PNP结构，称为3CU型。1）

工作原理

光电三极管的工作原理分为两个过程：一是光电转换；二是光电流放大。

集电极输出的电流为：

光电三极管的电流灵敏度是光电二极管的β倍。2.光电三极管特性

1）伏安特性

光电三极管在偏置电压为零时，无论光照度有多强，集电极电流都为零。偏置电压要保证光电三极管的发射结处于正向偏置，而集电结处于反向偏置。随着偏置电压的增高伏安特性曲线趋于平坦。

光电三极管的伏安特性曲线向上偏斜，间距增大。这是因为光电三极管除具有光电灵敏度外，还具有电流增益β，并且，β值随光电流的增大而增大。

2）时间响应（频率特性）

光电三极管的时间响应常与PN结的结构及偏置电路等参数有关。光电三极管的时间响应由以下四部分组成：①光生载流子对发射结电容Cbe和集电结电容Cbc的充放电时间；②光生载流子渡越基区所需要的时间；③光生载流子被收集到集电极的时间；④

输出电路的等效负载电阻RL与等效电容Cce所构成的RC时间；总时间常数为上述四项和。比光电二极管的时间响应长。3）温度特性

硅光电二极管和硅光电三极管的暗电流Id和光电流IL均随温度而变化，由于硅光电三极管具有电流放大功能，所以硅光电三极管的暗电流Id和亮电流IL受温度的影响要比硅光电二极管大得多。异质结是由两种不同的半导体材料形成的p-n结。p-n结两边是不同的基质材料，两边的禁带宽度不同。三、异质结光电二极管通常以禁带宽度大的一边作为光照面，能量大于宽禁带的光子被宽禁带材料吸收。产生电子—空穴对，如果光照面材料的厚度大于载流子的扩散长度，则光生载流子达不到结区，因而对光电信号无贡献。

而能量小于宽禁带的长波光子都能顺利到达结区。被窄禁带材料吸收，产生光电信号。所以，异质结的宽禁带材料具有滤波作用。一般异质结探测器的量子效率高、背景噪声较低、信号比较均匀、高频响应好。

异质结光电二极管有Si-PbS，

CdS-PbS，Pb1-xSxSb-Pbs，Pb1-xSnxTe-PbTe…等。

直接把太阳光能转换成电能的器件(光伏效应)，光伏效应本质上是由于吸收光辐射而产生电动势现象。半导体太阳电池1839年贝克里尔(Becqurel)观察到插在电解液中两电极间的电压随光照强度变化的现象。1876年在固体硒中，弗里兹(Fritts)也观测到这种效应。尽管光伏效应在气体、液体或固体中都能发生，但只有在固体中，尤其在半导体材料中，才能获得可供利用的光电转换效率。

1954年第一个实用半导体硅pn结太阳电池的问世，证明了这一点。半导体太阳电池的优点是效率高、寿命长、重量轻、性能可靠，甚至可以不用维护，使用方便。从1958年开始，用作人造卫星、宇宙飞船、行星际站的重要长期电源。目前的太阳电池成本较高，大规模的太空应用或地面应用都受到限制。人类正在研究新材料、新结构、新工艺的高效率、低成本的太阳电池。紧急交通标志

太阳能电池还装在人造卫星上，用来为其供电。海上应用日常生活太阳能电池的计算器

太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。

半导体太阳电池种类繁多。有太空用太阳电池的理想材料硅、砷化镓、磷化铟单晶；多晶硅，还有适宜发展低成本太阳电池的非晶硅、硒铟铜、碲化镉、硫化镉等薄膜材料。pn型pin型肖特基势垒型带反型层的MIS型及异质结型按光伏结构中势垒的不同，太阳电池可分为：太阳电池的四个主要参数（1）短路电流Isc，是V=0时的输出电流。在理想情况下，它等于光生电流Iph

（2）开路电压Voc。是I=0时的输出电压

（3）填充因子F．F．。第四象曲线上任一工作点上的输出功率等于该点所对应的矩形面积，如图所表明的，其中只有一个特殊工作点(Vmp、Imp)是输出最大功率。填充因子定义是

4）太阳电池的光电转换效率η

式中Pin是入射到电池上光总功率。晶硅类理论转换效率极限为29%。而现在的太阳能电池的转换效率为17%～19%。因此,太阳能电池的技术上还有很大的发展空间

太阳电池所利用的太阳能来源于太阳辐射。太阳中心发生的核聚变反应，连续不断地释放出巨大能量，主要以光辐射形式从太阳表面的发光层向太空辐射。表面发光层温度约6000K，其辐射光谱与6000K绝对黑体的连续辐射光谱类似(见图)。

一、太阳辐射光谱AM0和AMl.5

太阳辐射经过日-地平均距离(约1.5×108公里)，传播到地球大气层外面，其辐射能面密度已大大降低。在这个距离上，垂直于太阳辐射方向单位面积上的辐射功率基本上是个常数，称为太阳常数。其数值是1.353kW／m2。这是许多国家使用高空气球、高空飞机、人造卫星、宇宙飞船等对太阳辐射进行大量测试、综合而得到的公认数据。

目前世界上许多国家把太阳常数作为计算太空用太阳电池的入射光功率密度的依据，又称AMO光谱条件。在此条件下测试太空用太阳电池效率时，光源应满足图AMO的光谱分布，总能量为135.3mW／cm2，电池测试温度为25℃。AMO光谱的太阳辐射经过大气层中臭氧、氧气、水汽、二氧化碳及悬浮固体微粒(烟尘、粉等)的吸收、散射和反射，到达地面时，光谱分布上出现了许多吸收谷，而且总辐射能至少衰减掉30％(如图所示)。在晴朗天气的理想条件下，决定投射于地面的太阳辐射功率的最重要参数是光穿过大气层通路的长度。当太阳位于天顶，该长度最短。任一实际光通路长度与此最短长度之比称为大气质量，符号记为AM(AirMass的缩写)。

上图还给出AM1.5的光谱分布，其积分能量为83.5mW／cm2。作为地面太阳电池测试依据的AM1.5光谱条件，其光源应满足上图中AM1.5光谱分布。太阳在天顶时，地面上太阳辐射叫大气质量为1的辐射，记为AMl。当太阳偏离天顶θ角时，大气质量由下式给出；大气质量=1/cosθ

太阳电池在光电能量转换过程中，由于存在各种附加的能量损失，实际效率比上述的理论极限效率低。下面以pn结硅太阳电池为例,来阐述各种能量损失之机理，作为改进太阳电池的设计及工艺，提高其效率的基础。影响太阳电池效率的一些因素太阳电池效率损失中，有三种是属于“光学损失”，其主要影响是降低了光生电流值。（1）反射损失R(λ)：从空气(或真空)垂直入射到媒质(如半导体材料)的单色光的反射率：

1．光生电流的光学损失式中n为半导体材料复数折射率N之实部，即普通折射率，k是其虚部，称为消光系数。

每种材料的n和k都与入射光之波长有关。对硅来说，其关系曲线如图所示。把n、k的结果代入式中，发现在感兴趣的太阳光谱中，超过30%的光能被裸露硅表面反射掉了。硅折射率的实部n与虚部k与光子能量的关系(3)透射损失：如果电池厚度不足够大，某些能量合适能被吸收的光子可能从电池背面穿出。这决定了半导体材料之最小厚度。(2)栅指电极遮光损失c，定义为栅指电极遮光面积在太阳电池总面积中所占的百分比。对一般电池来说，c约为4%～15%。Pn结硅太阳电池的截面图

太阳光的光强在λ=0.4～0.7μm之间最强，极大值在0.48μm(AM0)和0.53μm(AM1.5)。这要求太阳电池的光谱响应与太阳光谱有一致的分布。太阳电池的光谱响应指短路电流与入射光波长的函数关系。就是指某一波长下，每一个射进电池的光子，对应所能收集到的平均载流子数。3．太阳电池的光谱响应SR（λ）

决定Voc大小的主要物理过程是半导体的复合。半导体复合率越高，少子扩散长度越短，Voc也就越低。4．影响开路电压的实际因素5．串联电阻Rs和旁路电阻Rsh引起效率下降

在硅太阳是池中，由硅材料体电阻、薄层电阻、电极接触电阻及电极本身传导电流的电阻构成了总串联电阻Rs。Rs值变大会影响电池伏安特性曲线偏离理想曲线，使F．F．变小，Isc下降；

而旁路电阻Rsh变小，说明无光照射pn结反向漏电流变大，造成Voc下降，F．F．变小。效率下降由于地面及空间应用的太阳电池运用温度范围很宽，太阳电池用的半导体材料，其禁带宽度的温度系数一般都是负的。6．温度效应随着温度上升，带隙变窄，增强电池对光的吸收而使Isc略微上升；可是，带隙变窄会引起Io变大，而使Voc下降，影响F．F．也下降。综合这三个参数的变换，转换效率随温度上升而下降。应用在卫星上的太阳电池受到太空中高能粒子辐射，体内产生缺陷，使电池输出功率逐渐下降，影响其使用寿命。7．辐照效应探测器有哪些性能参数?各自是怎样定义的?思考题PC型光电探测器的工作机理是什么?有哪些特点?如何提高PC型探测器响应度什么是少数载流子的扫出效应?怎样才能实现少数载流子的完全扫出?如何提高PV型探测器响应度169五

热电探测器(ThermalDetector)170

基本原理热电偶和热电堆测辐射热计热释电探测器

1711基本原理172三种主要的热电效应温差电效应：温差产生电动势热电偶和热电堆电阻温度效应：辐射引起电阻率变化测辐射热计(Bolometer)热释电效应：辐射变化引起表面电荷变化热释电探测器173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。174热电探测器热回路最简单的模型如图所示：

为入射到探测器的辐射功率；探测器的吸收系数为α；H＝Cθ为热容；G＝1/Rθ为热导；ΔT为入射辐射引起的温升。一、热回路方程能量守恒：探测器吸收的辐射应等于单位时间内系统内能的增量和与外界热交换时所损耗的功率之和。因此，可建立以下的热回路方程：内能的增加与环境热交换吸收的能量175利用初始条件：t＝0时，ΔT＝0，解得:176式中τT＝H/G＝RθCθ，它是热电探测器的热时间常量，其意义为当t＝τT时，热电探测器的温升上升为稳定值的63％。τT的数量级约为几毫秒至几秒，比光子器件的时间常量大得多。当ω＝0，稳定值177当时间t>>τT

，则只考虑交变分量（第二项），为：其幅值为：当ω＝0，178二、热电探测器的共性在相同的入射辐射下，对于热电探测器总是希望ΔT尽可能地大。ΔT随G和H的减小而增大。要减小H就必须减小探测器热敏元件的体积和重量；要减小G，必须减小热敏元件与周围环境的热交换。由热时间常量τT的定义可知，减小G又会使τT增大（牺牲探测响应时间）。所以在设计和选用热电探测器时须采取折衷方案。另外G对探测极限也有影响。ΔT的考虑179原理：热电探测器不同于光子探测器,它是基于光辐射与物质相互作用的热电效应制作的器件。这是一类研究得最早并且最早得到实际应用的探测器。优点：大部分不需制冷（超导测辐射热计？）、在很宽的光谱波段有平坦的响应两大持点，至今仍有广泛应用，甚至在某些领域中它是光子探测器所不能替代的。缺点：热电探测器的主要缺点是探测率较低和时间常数较大。要同时获得灵敏度高、响应快的性能是困难的。二、热电探测器的特点180热探测器与光子探测器的比较光子探测器热探测器工作机理响应时间比探测率光谱响应光子－电子光－热－电ns～ms

ms～s

峰值D*109～1016峰值D*108～109波长选择性平坦性181光子探测器热探测器1822热电偶和热电堆（thermocouples&thermopile）183热电偶虽然是发明于1826年的古老红外探测器件，然而至今仍在光谱、光度探测仪器中得到广泛的应用。尤其在高、低温的温度探测领域的应用是其他探测器件无法取代的。热电偶的基本原理是基于温差电第一效应——塞贝克效应。两种不同材料或材料相同而逸出功不同的物体，当它们构成回路时，如果两个接触点的温度不同，回路中就会产生温差电动势。只要两触点间的温差不变，温差电动势将得到保持。许多个热电偶串联起来即成为热电堆。184一、温差电效应第一效应：塞贝克效应（seebeck）：两种不同导体组成的开路中，如果导体的两个结点存在温度差，这开路中将产生电动势E。这就是塞贝克效应。由于塞贝克效应而产生的电动势称作温差电动势（1821年，德国物理学家塞贝克）。

第二效应：帕尔贴效应（peltire）：两种不同的导体构成闭合回路，当回路中存在直流电流时，两个接头之间将产生温差，两个接头处分别发生了吸放热现象。帕尔帖效应可以视为塞贝克效应的反效应。第三效应：汤姆逊效应：电流通过具有温度梯度的均匀导体时，导体将吸收或放出热量。这就是汤姆逊效应。185二、热电偶（堆）的工作原理I用涂黑的金箔将N型半导体和P型半导体连在一起构成热结，热端接收辐射产生温升，半导体中载流子动能增加，多子从热端向冷端扩散，使p型材料冷端带正电，n型材料冷端带负电，从而产生温差电势，在回路中产生电流。（a）半导体材料构成的热电偶（b）金属材料构成的热电偶金属A和B组成回路时，若两金属连接点的温度存在着差异（一端高而另一端低），则产生电位差ΔE，在回路中会有电流产生。回路电流I=ΔE/R。其中R称为回路电阻。基本原理：温差电效应：Φ—ΔT—ε材料：金属铂、铹温差电动势：~100μV/℃材料：半导体温差电动势：~500μV/℃186热电堆的原理性结构如图所示许多个热电偶串联起来即成为热电堆。接收辐射一端称为热端，另一端称为冷端。为了提高吸收系数，在热端都装有涂黑的金箔。以C1型热电堆为例，它是由12个热电偶串联而成的，装在一个经过改装了的晶体管外壳里，热端的总面积为0.79mm2，总电阻为2kΩ。187热电堆实物照片1881.温差电势率M当冷端开路时，开路电压UOC与入射辐射产生的温升ΔT的关系为三、热电偶的基本参数通常半导体材料构成的热电偶比金属材料的温差电势率高（铋和锑温差电势率为100µV/ºC，而半导体热电偶可达500µV/ºC）式中，M为塞贝克常量，也称温差电势率，单位为V/℃189

热电偶和热电堆比较：冷端热端热电堆的内阻热电堆的温差电动势－－可达几十千欧，阻抗匹配1902.电压响应率（灵敏度）热电堆的响应率：（1）恒定辐射（ω=0）

冷端接负载RL所产生的电压降为：Ri为内阻n为热电堆中热电偶的对数（2）交变辐射191由上两式可知，要使热电偶的响应率高．应：选用温差电势率M大的材料;增大吸收系数α；内阻Ri要小；热导G和热容H也要小，为了使G较小，提高灵敏度，并使工作稳定，常把热电偶和热电堆放在真空的外壳里。交变情况下，调制频率低时比调制频率高时的响应率高。减小调制频率ω和热时间常量τT即都有利于提高响应率，可是ω与τT是矛盾的，所以响应率与带宽之积为一常量的结论对于热电偶也成立。192

热电偶的响应时间一般约为几毫秒到几十毫秒左右，在BeO衬底上制造Bi-Ag结结构的热电偶有望得到更快的时间响应，响应时间可达到或超过10-7s。3.响应时间

热电偶的最小可探测功率NEP取决于探测器的噪声，它主要由热噪声和温度起伏噪声，电流噪声几乎被忽略。半导体热电偶的最小可探测功率NEP一般为10-11W左右。4.最小可探测功率193热电偶(热电堆)主要参数例：电压灵敏度热响应时间常数噪声等效功率

内阻

比探测率194热电偶分度号的选择主要针对使用条件,包括常用工作温度、最高工作温度及使用气氛(氧化、还原、中性)等因素。不同分度号的热电偶其测温范围不同,这是选择分度号的主要依据。其次是使用气氛,使用气氛不对将加快热电偶电极劣化速度,如S型和B型适合于氧化性气氛,在真空中可短时使用,而不能用于还原气体中测温;K型适合于氧化性和真空中性气氛;E型适合于氧化性和弱还原性气氛;T型适合于氧化还原及真空中性等气氛。实际中应综合考虑工作温度、上限温度和使用环境来确定热电偶分度号。五、热电偶分类和选用1、按分度号选择1951962、按结构形式和参数选择普通型热电偶应用最广,一般情况下都要选用这种热电偶,其保护管材质的选择主要考虑被测介质的气氛、温度、流速、腐蚀性、摩擦力以及材质的化学适应性、可承受压力、可承受应力、响应速度和性价比等因素。铠装型热电偶因具有直径小、适应性广、热容小、响应速度快、使用寿命长以及可任意截取长度等优点而被广泛使用,尤其是测温点深(如锅炉炉顶的一些温度点)或需弯曲的场所。选型时主要考虑保护管材质、直径及长度等参数。高性能实体型热电偶兼有普通型和铠装型的优点,耐高温、响应快、寿命长,它的使用温度比同类型普通装热电偶高100℃,响应速度比普通型快6～8倍。选用时应综合考虑,尤其是性价比。特种型热电偶应用于一些特殊场合,如一次性测量钢水温度的快速微型热电偶等。热电偶按结构形式不同可分为普通型、铠装型、高性能实体型和特种型。197198热电偶的时间常量多为毫秒量级，带宽较窄。多用于测量恒定的辐射或低频辐射。只有少数时间常量小的器件才适用于高频辐射测量。限制热电探测器最小可探测功率的主要因素是温度噪声和热噪声。理想的热电探测器件，噪声等效功率为l×10-11W数量级。而热电堆在常温理想情况下NEP可达10-9W数量级。由于薄膜技术的发展，已经能够制作出价格低廉的热电堆，可以制成各种复杂的阵列，而且性能可靠。例如用锑、铋材料薄膜制成的器件，不仅具有金属丝热电堆的某些优点，还有较高的响应率。七、小结199热电堆的缺点是容易损坏，时间常量大，输出阻抗低，需要特殊设计的低噪声放大器；为了使热电堆和放大器达到噪声匹配，需要变压器耦合，从而使放大器变得笨重、昂贵。其次是额定功率小，入射辐射不能很强，应避免通过较大的电流，一般多为微安级。检验时不宜使用欧姆表测量．以免表内电源烧毁元件中的金箔。保存时不要使输出端短路，以防因电火花等电磁干扰产生的感应电流烧毁元件。工作时环境温度不宜超过60℃。2003（热敏电阻）测辐射热计(Bolometer)201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2021.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，RT为环境温度为T时测得的实际阻值。对于正温度系数（PTC）的热敏电阻温度系数为

对于负温度系数（NTC）的热敏电阻温度系数为

常数随温度T的变化很大，并与材料常数B成正比。203由热敏材料制成的厚度为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（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）相连构成热敏电阻。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204205206（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。二、分类1、按原理分207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。208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；将金属氧化物（如铜的氧化物，锰-镍-钴的氧化物）的粉末用黏合剂黏合后，涂敷在瓷管或玻璃上烘干，即构成半导体材料的热敏电阻。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。209电阻温度系数多为正的电阻温度系数绝对值小电阻变化与温度变化的关系基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的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210（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、硅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，致冷到2.1K时，其D*要比热敏电阻测辐射热计高一个数量级。锗测辐射热计：敏感元件是锗掺镓单晶，致冷到2.1K时，其D*比热敏电阻测辐射热计约高1～2个数量级，它的光谱响应可延伸到1000µm以外。超导测辐射热计：它利用了金属或半导体由正常态向超导态过渡时，电阻随温度急剧变化的性能。电阻温度系数可达5000％。这种测辐射热计灵敏度很高，可用以精密测量很弱的辐射如红外辐射和激光的功率。超导材料多为铌、钽、铅或锡的氮化物。但为保持住转变期温度，所需制冷量很大，控制复杂，目前仅限于实验室。2112、按使用范围分类通用型热敏电阻器特点：价格便宜，温度上限偏低，一般在100度左右，例如圆片形2.热响应速度非常快的热敏电阻器特点：适合微小型化应用、热响应速度非常快的场合应用的温度传感器，一般装在细针尖里面使用或贴在薄膜上使用。直径非常小，达到了lmm以下，热时间常数约为普通热敏电阻器的10分之一。3.高温型热敏电阻器特点：温度上限可扩展到500度左右4.微测辐射热计（(Microbolometer)）特点：主要用于红外辐射测量212测量电路有两种：（1）利用单个探测器的电路，如图（a）所示。（2）桥式电路，使用两个相同规格的元件，一个作为接收元件，另一个作为补偿元件，接到电桥的两个臂上，可使温度的缓慢变化不影响电桥平衡。具有较强的抗干扰性。如图（b）所示。三.测辐射热计测量原理（灵敏度）（a）（b）RTRTRTRTRLVVS213测辐射热计吸收辐射产生温升∆T，阻值相应变化∆RT，在负载上产生的电压变化为：RT由电阻温度系数：代入上式，得1.单个探测元件214交流灵敏度直流灵敏度或由公式可知：要测辐射热计的电压响应率大，则：V、αT、α都要大；G、ω、H都要小。但这些量都要受诸多因素制约，只能折衷选取，而不能任意增减。215随辐照频率的增加，热敏电阻传递给负载的电压变化率减少。热敏电阻的时间常数约为1~10µs，因此，使用频率上限约为20~200kHz左右。

αT决定于材料，通过致冷可提高αT。为了提高吸收系数α，光敏面要黑化。为了减小G，其办法是减少元件的接收面积及元件与外界对流所造成的热量损失，可使接收元件装在一个真空的外壳里。但G小，热时间常量要变大，频率特性变坏。有时为了提高频率特性，宁可牺牲一些响应率，而把测辐射热计粘在一块热导率很大的衬底上，以取得小的热时间常量。V不能太大，因I较大而产生的焦耳热会使元件温度提高，如果αT是负值，可能因为RT变小而产生破坏性的热击穿。另外V大后噪声也随之增大。这样，就限制了V的取值。2162.桥式电路RLVVS推导过程如前。217限制测辐射热计噪声等效功率的主要因素是热噪声和温度噪声。在室温下：测辐射热计的噪声等效功率可达10-6～10-9w．在致冷到液氦温度(3K)时，可达10-13～10-14w。

四.最小可探测功率

最小可探测功率受噪声的影响。热敏电阻的噪声主要有：①热噪声。②温度噪声。将元件装入真空壳内可降低这种噪声。③电流噪声。当工作频率f<10Hz时，应该考虑此噪声。若f>10kHz时，此噪声完全可以忽略不计。

2184热释电探测器(Pyroelectricinfrareddetector)219

热释电器件是一种利用热释电效应制成的热探测器件。与其它热探测器相比，热释电器件具有以下优点：①具有较宽的频率响应，工作频率接近MHz，远远超过其它热探测器的工作频率。一般热探测器的时间常数典型值在1~0.01s范围内，而热释电器件的有效时间常数可低达10-4~3×10-5s；②热释电器件的探测率高；③热释电器件可以有大面积均匀的敏感面，而且工作时可以不外加接偏置电压；④与热敏电阻相比，它受环境温度变化的影响更小；⑤热释电器件的强度和可靠性比其它多数热探测器都要好，且制造比较容易。220一、热释电探测器的工作原理1.热释电效应热电晶体材料因吸收光辐射能量、产生温升，导致晶体表面电荷发生变化的现象，称为热释电效应。

热电晶体：－－具有非中心对称的极性晶体221自发极化强度PS（单位面积上的电荷量）与温度的关系如图所示，温度升高，极化强度减低。当温度升高到一定值，自发极化突然消失，这个温度常被称为“居里温度”或“居里点”。在居里点以下，极化强度PS是温度T的函数。利用这一关系制造的热敏探测器称为热释电器件。222热电晶体－－极化强度与温度关系

温度低温度高223恒温T1电荷中和时间：秒～小时热“释电”的物理过程温升到T2

－－束缚电荷减少极化驰豫时间－－皮秒

－－“释放”电荷（输出电信号）224

当红外辐射照射到已经极化的热释电晶体时，引起温度升高，表面电荷减少，相当于热“释放”了部分电荷。释放的电荷变成电信号输出。如果辐射持续作用，表面电荷将达到新的平衡，不再释放电荷，也不再有电信号输出。因此，热释电器件不同于其他光电器件，在恒定辐射作用的情况下输出的电信号为零；只有在交变辐射的作用下才会有信号输出。

225面电极结构：电极置于热释电晶体的前后表面上,其中一个电极位于光敏面内。这种电极结构的电极面积较大，极间距离较少，因而极间电容较大，故其不适于高速应用。此外，由于辐射要通过电极层才能到达晶体，所以电极对于待测的辐射波段必须透明。边电极结构：电极所在的平面与光敏面互相垂直，电极间距较大，电极面积较小，因此极间电容较小。由于热释电器件的响应速度受极间电容的限制，因此，在高速运用时以极间电容小的边电极为宜。

2.热释电探测器的基本结构2263.热释电探测器的工作原理热释电晶体吸收交变频率为ω的入射辐射后，其温度和自发极化强度也按频率ω而变化，从而导致晶体表面电荷密度也按频率ω而变化。在晶体的相对两面敷上电极，如果接上负载就有电流流过。

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设晶体自发极化矢量为Ps，Ps的方向垂直于电容器的极板平面。接收辐射的极板和另一极板的重迭面积为Ad。由此引起表面上的束缚极化电荷为Q=Adσ=AdPs

若辐射引起的晶体温度变化为ΔT，则相应的束缚电荷变化为式中，γ=ΔPs/ΔT称为热释电系数，其单位为c/cm2∙K，是与材料本身的特性有关的物理量，表示自发极化强度随温度的变化率。228

若在晶体的两个相对的极板上敷上电极，在两极间接上负载RL，则负载上就有电流通过。由于温度变化在负载上产生的电流、电压可以表示为式中，dT/dt为热释电晶体的温度随时间的变化率，温度变化速率与材料的吸收率和热容有关，吸收率大，热容小，则温度变化率大。以频率ω变化的辐射所引起的温度变化ΔT(ΔT=|ΔT|ejωt）229如果热释电探测器跨接到放大器输入端，则其可表示为如图所示的等效电路Cd，Rd为热释电探测器的电容、电阻;CA和RA为放大器的电容、电阻。由等效电路可得热释电器件的等效负载阻抗为

R＝Rd//RA，C＝Cd+CA230输入到放大器的电压为:将id代入上式，则得电压响应率为式中，τe＝RC为电路时间常数，R=Rs∥RL，C=Cs＋CL。τT=H/G为热时间常数。τe、τT的数量级为0.1～10s左右。Ad为光敏面的面积，α为吸收系数，ω为入射辐射的调制频率。

231(1)当入射为恒定辐射，即ω＝0时，Sv=0，说明热释电器件对恒定辐射不灵敏；

(2)在低频段ω<<1/τT或1/τe时，灵敏度Sv与ω成正比，为热释电器件交流灵敏的体现。

(3)当τe≠τT时，通常τe＜τT，在ω＝1/τT~1/τe范围内，Sv与ω无关；

(4)高频段（ω>>1/τT、1/τe）时，Sv则随ω-1变化。特别注意：恒定光辐射高频段应用

232热释电探测器的阻抗特性热释电探测器是一种几乎纯电容器件。由于其电容量很小．所以热释电探测器的阻抗非常高。这就要求必须配以高阻抗负载(热释电探测器负载