第七章--光电子技术

VNJ
4kTf / Rac
ຫໍສະໝຸດ BaiduC
(7.2-21)
总噪声：如果只考虑温度噪声和热噪声，总噪声功率 V N2
可表示为：
V V
2 N
2 NT
V
2 NJ
(7.2-22)
所以，热释电探测器的噪声等效功率NEP值为
VN NEP RV
(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。
§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
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
热效应：
物理性 质变化
温升
光源 光敏元
转换成 电信号
探测
一、热探测器吸收光辐射引起的温度变化
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。
P= P0 e j t ：入射光功率。 △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。
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:
频率ω入射光 晶体 晶体温度变化(ω) 极化强度变化(ω)
形成回路电流(id)
面电荷密度变化(ω)
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。
(7.1-8)
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
D* 1.811010 cmHz1 2 /W
(7.1-12)
•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。
2 2 T 2 2 E
1 2 1 2
(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,
RV
Ad R
G
结论：Rv与ω成正比。
（3）中频时，当 1/τT << ω<<1/τE时
Rdc Rac , Rdc RA
探测器在低频时， Rac>RA ，总电阻取决于RA， 即R≈RA ，所以
VNJ
4kTf / R A
C
(7.2-20)
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。
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
(7.1-3)
P0 j t 上式写成： d (T ) G T e dt H H
(7.1-4)
为线性非奇次方程，先解奇次方程，再用变易法可以
利用t=0时，T 0 可以得到
幅值为：
T
H G
P0 e j t T G jH
(7.1-5)
P0 T 2 1/ 2 G(1 2 T )
r c' 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：
WT2 4GR kT 2 f 16Ad kT 5 f
能量的起伏的均方根值为
wT (16 Ad kT f )
5
1 2
(7.2-14)
图7-1，热探测器的热回路
探测器温度升高△T，单位时间内所需的热量为：
d ( HT ) d ( T ) PH H dt dt
(7.1-1)
探测器在单位时间内通过热导流向环境的热量流△p为:
P G T
(7.1-2)
根据热量守恒定律有： P PH P
d (T ) H G T dt
PS：热释电晶体的极化矢量；
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：
dT V id RL (Ad ) RL dt
(7.2-2)
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：
0和r分别为真空和热释电材料的相对介电常数。 代人(7.2—12)式可以得到
Ad 1 RV c' dAd r 0 Ad / d 0 r Ad c' Ad 0 r c'
(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
r c'
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
d ( Ad T 4 ) GR 4 Ad T 3 dT
(7.1-6)
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。 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。
将(7.1-6)式带入温度噪声公式，得到温度噪声功率为:
WT2 4GR kT 2 f 16Ad kT 5 f
(7.1-7)
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：
VNT RV WT
VNT RV WT
于是，热探测器的比探测率为：
1 ( A f ) 1 * d 2 D RV 1 5 VN 4(kT ) 2
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
V NJ (4kTR eff f )
1 2
(7.2-16)
其中有效电阻
Reff
1 R Re 2 2 2 1 1 R C jC R
(7.2-17)
代人(7.2—16)式，得到热噪声电压为
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。
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:
dPs dPs dT dT id Ad Ad Ad dt dT dt dt
(7.2-1)
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)。
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)、 (500，10，1)达 （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；
（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。
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= 4 1011W / Hz 1 ，
Ad R RV 2 2 G T G(1 2 T ) (1 2 E )
1 2 1 2
Ad R
（7.2-11）
结论：响应率Rv与ω无关 （4）中频时，当 1/τE << ω<<1/τT时
Ad R RV G E
结论：响应率Rv与ω无关
（5）高频时，当 ω >>1/τT 及ω〉〉1/τE 时
V NJ (4kTRf ) (1 )
2 2 E
1 2 1 2
（7.2－18）
由于τE=RC 较大，对于通常的工作频率便能满足 E 1 ，上式可简化为：
VNJ
4kTf
CR1 / 2
(7.2—19)
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
Ad R Ad R Ad RV G E T GRCH / G HC
(7.2-12)
结论：响应率Rv与ω成反比，(H,C) Rv
如果热释电探测器是厚度为d的薄片，则其热容
H c ' dAd
C’: 为 体积比热， 电容为平板电容，电容C为：
C r 0 Ad d
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 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。
§ 7.1热探测器的一般原理
2 2 T 2 2 E
1 2 1 2
(7.2-8)
T H / G, E RC
三、热释电探测器的特性
V
P0Ad R
2 2 2 2 G(1 2 T ) (1 2 E )
1 1
1、响应率：
RV V P0
Ad R
G(1 ) (1 )
2 2 2
1 2
RL
R (1 R C )
2 2 2
1 2
e i t
P0 T 2 1 G(1 2 T )2
1 2
则电压幅值为
V Ad T R (1 R C )
2 2 2
(7.2-7)
可以得到输出电压幅值表达式
V
其中
P0Ad R
G(1 ) (1 )
：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=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 T 1 。
(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。
如果把 wT 看作探测器吸收的能量的话，由 wT 所产生的温度噪声电压为
V NT RV (wT / ) 4

( Ad kT 5 f ) 1 2 RV
(7.2-15)
出现吸收系数α是由于 RV 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 RV 与频率的关系相同。
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。
那么释电探测器的温度T表示为
T T e i t T0 T0
热释电探测器接收恒 定光辐射后的温升;
（7.2－5）
微分后可以得到温度的变化速率为:
dT T e iwt dt
(7.2-6)
将7.2-4式和7.2-6代入7.2-2, 输出电压为
dT V (Ad ) RL dt Ad T R (1 R C )
探 测 器
放大器
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。
负载阻抗RL等效为 RL RL模值为：
RL
1 1 i C R

R 1 i RC
(7.2-3)
R (1 R C )
2 2 2
1 2
(7.2-4)
i t 假设入射辐射为： P Pc P0e