第5章第2节

(5－48)
式中，k为波耳兹曼常数，TR为器件的温度，Δf为系统的带宽。
热噪声电压为
U
2 NJ

(4kTRΔf )
1
2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1
2 2 e
1
4
(5－50)
当ω τ
2
2
e
＞＞1时，上式可简化为
U
2 NJ
4kTRΔf
1
2
(5－51)
表明热噪声电压随调制频率的升高而下降。
较高[D*(500, 10 ,1) 1~5×109cmHz1/2W－1]。在较宽的频率范围内， 这类探测器的灵敏度较高，因此，至今仍是广泛应用的热辐射探测 器件。 TGS可在室温下工作，具有光谱响应宽、灵敏度高等优点， 是一种性能优良的红外探测器，广泛应用红外光谱领域。
掺丙乙酸的TGS（LATGS）具有很好的锁定极化特点。温度由
定的极化强度。 铁电体的自发极 化强度PS（单位 面积上的电荷量） 与温度的关系如 图5-14所示，随 着温度的升高， 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。 当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片时，引起薄片温度升高， 表面电荷减少，相当于热“释放”了部分电荷。释放的电荷可用 放大器转变成电压输出。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，也不再有电压信号输出。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信号 电压为零。只有在交变辐射的作用下才会有信号输出。 对于经过单畴化的热释电晶体， 在垂直于极化方向的表面上， 将由表面层的电偶极子构成相 应的静电束缚电荷。面束缚电 荷密度σ与自发极化强度Ps之间 的关系可由下式确定。
由上式可以看出，热释电器件的噪声等效功率NEP具有随着调制频 率的增加而减小的性质。

4 响应时间
热释电探测器的响应时间可由式(5－46)求出。由图5-18可见，
热释电探测器在低频段的电压响应度与调制频率成正比，在高频 段则与调制频率成反比，仅在1/τT ~ 1/τe范围内，Rv与ω无关。响应
度高端半功率点取决于1/τT 或 1/τe中较大的一个，因而按通常的响
应时间定义，τT 和τe中较小的一个为热释电探测器的响应时间。通 常τT较大，而 τe与负载电阻有关，多在几秒到几个微秒之间。由图
5-18可见，随着负载的减小，τe变小，灵敏度也相应减小。
5 热释电探测器的阻抗特性
热释电探测器几乎是一种纯容性器件，由于电容量很小，所以 阻抗很高，常在109Ω以上。因此，必须配高阻抗的负载。常用JFET 器件作热释电探测器的前置放大器。
以它后面常接有场效应管，构成源极跟随器的形式，使输出阻抗降
低到适当数值。因此在分析噪声的时候，也要考虑放大器的噪声。
这样，热释电器件的噪声主要有电阻的热噪声、温度噪声和放大器 噪声等。
1. 热噪声
电阻的热噪声来自晶体的介电损耗和与探测器的并联电阻。 若等效电阻为Reff，则热噪声电流的方均值为
2 i R = 4 kTRΔf /Reff
② 热释电器件的探测率高，在热探测器中只有气动探测器的D*
才比热释电器件稍高，且这一差距正在不断减小； 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5.2节讨论的热敏电阻相比，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。
dT/dt，而与晶体和入射辐射达到平衡的时间无关。
(5－38)
可见，热释电器件的电压响应正比于热释电系数和温度的变化速率 如果将热释电器件跨接到放大器的输入端，其等效电路为如 图5-17所示。由等效电路可得热释电器件的等效负载电阻为
RL 1 R 1 R iC 1 iRC
(5－39)

2. 热释电器件的工作原理
设晶体的自发极化矢量为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 = AdΔσ=AdPs ΔQ =Ad(ΔPs/ΔT)ΔT = AdγΔT (5-35) (5-36) 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，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。 通常热释电器件的电极按照性能的不同要求做成如图5-16所 示的面电极和边电极两种结构。在图5-16（a）所示的面电极结构 中，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。在图5-
对于一般的电介质，在电场除去后极化状态随即消失，带电粒 子又恢复原来状态。而有一类称作为“铁电体”的电介质在外加电 场除去后仍保持着极化状态，称其为“自发极化”。图5-13所示为 一般的电介质与铁电体电介质的极化曲线。一般的电介质的极化曲
线通过中心，而图5-13（b）所示的极化曲线在电场去除后仍保持一
(5－47)
图5-18给出了不同负载电阻RL下 的灵敏度频率特性，由图可见，增大
RL可以提高灵敏度，但是，频率响应
的带宽变得很窄。应用时必须考虑灵 敏度与频率响应带宽的矛盾，根据具
体应用条件，合理选用恰当的负载电
阻。

5.3.3 热释电器件的噪声
热释电器件的基本结构是一个电容器，因此输出阻抗很高，所
这里，R(=Rs//RL)和C(=Cs+CL)分别为热释电器件和放大器的等效电
阻和等效电容。则RL的模值为
RL
1 R C
2 2
R
(5－40)
2 12
对于热释电系数为λ，电极面积为A的热释电器件，其在以调制频率 为ω的交变幅射照射下的温度可以表示为
T T e jt T0 ΔT0

5.3.1 热释电器件的基本工作原理
1. 热释电效应
电介质内部没有自由载流子，没有导电能力。但是，它也是由 带电的粒子（价电子和原子核）构成的，在外加电场的情况下，带 电粒子也要受到电场力的作用，使其运动发生变化。例如，在如图 5-12所示的电介质的上下两侧加上如图所示的电场后，电介质产生 极化现象，从电场的加入到电极化状态的建立起来这段时间内电介 质内部的电荷适应电场的运动相当于电荷沿电力线方向的运动，也 是一种电流称为“位移电流”，该电流在电极化完成即告停止。
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。
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可以 表示为 dQ dT is Ad (5-37) dt dt
16（b）所示的边电极结构中，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。
热释电器件产生的热释电电流在负载电阻RL上产生的电压为
dT U id RL Ad RL dt
5.3
热释电器件
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，工作频率接近兆赫兹，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 ~ 3×10-5 s；
因为自发极化强度是单位体积内的电矩矢量之和，所以有
Ps
sd
Sd

(5-34)
式中，S和d分别是晶体的表面积和厚度。 如5-15(a)所示。由内部自由电荷中和表面束缚电荷的时间常数 为τ＝ερ，ε和ρ分别为晶体的介电常数和电阻率。
只要使热释电晶体的温度在面束缚电荷被中和掉之前因吸收辐射而 发生变化，晶体的自发极化强度PS就会随温度T的变化而变化，相 应的束缚电荷面密度σ 也随之变化，如图5-15(b)所示。
居里温度以上降到室温，仍无退极化现象。它的热释电系数也有所
提高。掺杂后TGS晶体的介电损耗减小，介电常数下降。前者降低 了噪声，后者改进了高频特性。在低频情况下，这种热释电器件的
NEP为4×10－11 W/Hz-1/2，相应的D*值为5×109cm· 1/2W－1。它不 Hz

2. 放大器噪声
放大器噪声来自放大器中的有源元件和无源器件，及信号源的阻 抗和放大器输入阻抗之间噪声的匹配等方面。设放大器的噪声系数 为F，把放大器输出端的噪声折到输入端，认为放大器是无噪声的， 这时，放大器输入端的噪声电流方均值为
Ik = 4k(F-1)TΔf/R
式中，T为背景温度。

2
(5－52)
5.3.2 热释电器件的灵敏度
根据光电器件灵敏度的定义，热释电器件的电压灵敏度Sv为输出电 压的幅值U与入射光功率之比，由式(5－45)可得电压灵敏度为
AR Sv 2 G(1 2 T )1/2 (1 2 e2 )1/2
(5－46)
分析式(5－46)可以看出 (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；
(5－41)
式中，T0为环境温度，ΔT0表示热释电器件接收光辐射后的平均温 升，表示与时间相关的温度变化。于是热释电器件的温度变化率为
dT T e jt dt
输入到放大器的电压为
U Ad ΔT