第9.1__热释电探测原理.

9.1.1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。 极化现象: 如图所示,电介质的上下两侧加上电场后，电介质产 生极化。 一般电介质，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。 “铁电体”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”。
9.1.2. 热释电器件的特性分析
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A。由此引起表面上 的束缚极化电荷为 Q = Aσ=APs 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 ΔQ =A(ΔPs/ΔT)ΔT = Ad pΔT
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，
选用恰当的负载电阻。
热释电器件的噪声
热释电器件的基本结构是一个电容器，输出阻抗很高，所以它 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
9 10
dT 为热释电晶体的温度变化速率。与材料的吸收率和热容 式中，
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 图所示的面电极和边电极两 种结构。
dt
（a）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。 电极面积较大，极间距离较小，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。
2 N
式中，TN＝T＋(F-1)T，称为放大器的有效输入噪声温度。 考虑统计平均值时的信噪功率比为 2 IS SNRP 2 Φ 2 /(4kT 2 GΔf/ 2 4kTN G 2 Δf/ 2 2 A 2 2 R) IN (5－54)
当温度噪声是主要噪声源而忽略其它噪声时，噪声等效功率为 (NEP)2＝(4kT 2G2Δf/α2A2γ2ω2R) [1+(TN/T)2] (5－55)
AL P
s

cos
V
(9－1)
式中，A和L分时间常数为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。
式中，称为热释电系数， p = ΔPs/ΔT
(9-2)
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 A p dt dt
注意：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。
第九章 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； 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。
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，热释电器件在恒定辐射作用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。
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。 因为自发极化强度是单位体积内的电矩矢量之和，所以有
2 2 e
12
热释电器件在调制频率为ω的交变幅射照射下的温度表示为
P0 e jwt T H (1 jw T )
9 12
jwt P e dT 0 is Ap Ap dt H (1 jw T )
(9-13)
输入到放大器的电压为
P R 0 us is Z Ap H (1 w2 T 2 )1/2 (1 2 e 2 )1/2
A p R Ru 2 1/2 2 1/2 H(1 2 T ) (1 2 e )
9 20
(1) 当入射为恒定辐射，即ω＝0时，Ru=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Ru与ω成正比，为热释电 器件交流灵敏度的体现。 (3) 当τe ≠ τT时，通常τe＜τT，在ω＝1/τT ~ 1/τe范围内，Ru与ω无 关； (4) 高频段（ω＞1/τT、 1/τe）时，Ru则随ω-1变化。 因此在许多应用中，该式的高频特性近似为 Ad S C C 即灵敏度与信号的调制频率ω成反比。
U
2 NJ

(4kTRΔf )
1
2
1
2 2 e
1
4
当ω τ
2
2
e
＞＞1时，上式可简化为
U
2 NJ
4kTRΔf
1
2
表明:热噪声电压随调制频率的升高而下降。
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，以及信号 源阻抗和放大器输入阻抗之间噪声的匹配等。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 2 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。
铁电体的自发极化强度PS与温度的关系如图所示，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。
热释电效应：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。
（b）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，极间电容较小。因此，在高速运用 时以边电极为宜。
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
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dT/dt，而与晶体和入射辐射达到平衡的时间无关。 如果将热释电器件跨 接到放大器的输入端，其 等效电路为如图所示。由 等效电路可得热释电器件 的等效负载电阻为
适当数值。因此,分析噪声时,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 iR = 4 kTRΔf /Reff
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
3.温度噪声
温度噪声来自热释电器件的光敏面与外界辐射交换能量的随
机性，噪声电流的方均值为
I
2 T
p 2 A2 2 ΔT
2
2 4 kT Δf 2 2 2 p A ( ) H
2 式中，Ad为光敏区的面积， ΔT 为温度起伏的方均值。
如果这三种噪声不相关，则总噪声为
4kT 2 p 2 A2 2 f 4kTΔf 4kT (F -1)Δf I R R H 4kTN f 4kT 2 p 2 A2 2 f R H
常τT较大，而 τe与负载电阻有关，多在几秒到几个微秒之间。随着 负载的减小，τe变小，灵敏度也相应减小。
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。
如图所示为常用的电路。图中用JFET构成源极跟随器，进行阻 抗变换。 最后，要特别指出，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，因此在使用时应注意减震防震。
dT U id RL p A RL dt
1 R Z 1 R iC 1 i RC
R(=RD//Rm)和C(=CD+Cm)分别为热释电器件和放大器的等效电阻和 等效电容。Z的模值为
Z
R
1 R C
2 2 2
12

R
1
P0 R us is Z Ap H (1 w2 T 2 )1/2 (1 2 e 2 )1/2
式中，τe＝RC为电路时间常数，R =Rs∥RL，C=Cs＋CL。τT =C/H为热时间常数。τe、τT的数量级为0.1～10s左右。A为光敏面 的面积，α为吸收系数，ω为入射辐射的调制频率。 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，电压灵敏度为
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。