第6章 太赫兹波探测器

热释电探测器的电极面积为Ad，Ps为热释电晶体的极化矢量
Q Ad Ad Ps
改变上式，得：
P s Q Ad T T
热释 电系 数
Q dQ dT dPs dT 热释电探测器输出电流： id lim Ad Ad t 0 t dt dt dT dt
(1) 如果热电偶两电极的材料相同，即nA=nB，σA＝σB，虽
然两端温度不同，但闭合回路的总热电势仍为零。因此，热
(2) 如果热电偶两电极材料不同, 而热电偶两端的温度相同， 即T＝T0，闭合回路中也不产生热电势。 可见：只要测出EAB（T,T0）的大小，就能得到被测温度T， 这就是利用热电偶测温的原理。
太赫兹波探测器的研究背景及意义
宽频性：0.1THz~10THz(30um~3mm)。 透视性：对非极性物质有很强的穿透能力（对不透明物体进行透视成像）。 安全性：1THz光子的能量为4.1meV，约为X射线光子能量的1/100（可用于旅客
的安全检查）。
可用于物质的光谱分析：大量极性分子的振动和转动能级正好处于THz波频段。
将两种不同的导 体或半导体 A 和 B 组合 成如图所示闭合回路， 若导体 A 和 B 的连接处 温度不同 （设T＞T0），则在此 闭合回路中就有电流 产生，也就是说回路 中有电动势存在，这 种现象叫做热电效 应。。
热电偶的热电势由接触电势和温差电势组成 （1）接触电势
由于不同的金属材料所具有的自由电子密度不同，当两种不同的金属导 体接触时，在接触面上就会发生电子扩散。电子的扩散速率与两导体的电子密 度有关并和接触区的温度成正比。设导体A和B的自由电子密度为nA和nB，且有 nA > nB，电子扩散的结果使导体A失去电子而带正电，导体B则因获得电子而带 负电，在接触面形成电场。这个电场阻碍了电子继续扩散，达到动态平衡时， 在接触区形成一个稳定的电位差，即接触电动势。
2、热释电探测器的输出电压
dT V id RL Ad RL dt
高莱探测器-工作原理
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热辐射探测器作业
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1.热敏电阻的分类及其工作原理
2.什么是热电偶？解释温差电动势和接触电动势？ 3.热释电探测器的工作原理？ 4.高莱探测器的工作原理？
5 热释电探测器的电路连接
图（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。 图（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。
目前太赫兹光源的辐射功率普遍都比较低，因此发展高灵敏度、高信噪比 的太赫兹探测技术尤为重要。
太赫兹波探测器的研究背景及意义
Bolometer： < 4.2 K 容易受到各种热源的干扰 不便于携带
Golay cell： 灵敏度较差 探测效率较低 Schottky Diode：
0.1 THz ~ 1 THz 低速
4．热释电材料最高工作温度 • 当T ↑ ＝ Tc（居里温度时），单畴极化强 度消失 Ps ＝0 热释电现象消失 • 即当T＜Tc时，才有热释电现象 • 居里温度Tc——评价热释电探测器的品质 因数，希望Tc越高越好。
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”。
知识回顾
1.热辐射探测器：
热电探测器是将辐射能转换为热能，
然后再把热能转换为电能的器件。
既要与入射辐射有最佳的相互作用，同时又
要尽量少的与外界发生热接触；能把热能转换成
电能。
热敏电阻、热电偶、热释电探测器和高莱探测器。
2.热辐射的一般规律
T t
W0 T W0 T W0 = = 2 2 1/2 2 2 2 1/2 CQ 1 j T C（ 1 ） （ G C Q T Q Q ）
RT
代入电阻 温度系数
1 dRT 1 RT T RT dT RT T
VRLT RT T Vs ( RT RL ) 2
W0 T 1/2 （GQ 2CQ 2）
5、热电偶及其工作原理
1 2
回路中所产生的电动势，叫热电势。 热电势由两部分组成，即接触电势和温 差电势。
Pyroelectric Detector：
Room temperature High responsivity Low NEP and High-speed
温度低
Ps (T1 )
温度高
Ps (T 2 )
什么是热释电材料？热释电材料的工作原理是什么？
5.4.2 热释电器件的基本工作原理
1.相关概念 1 ）极化——在电场作用下, 电介质中束缚着的电荷发生位移 或者极性按电场方向转动的现象 2 ）自发极化——在外加电 场除去后铁电体仍保持着极化状 态的现象 铁电体在没有外电场作用时, 存在着电偶极子的有序排列 3）自发极化强度Ps——在垂 直于极化轴的单位面积上的自发 极化电荷量。它是一个矢量, 其 单位为C/m2。 钛酸钡；钛酸铋，铁酸铋
2．热释电材料的极化
• 对热释电材料施加直流电场自发极化矢 量 将趋向于一致排列，总的电极化矢量 Ps 加大。当电场去掉后，总的 Ps 仍 能保持下来。
• 由于保持下来的 Ps ，将在材料表面吸 附表面电荷，其面电荷密度 Ps 单畴化后的热电体，其电极化矢量 Ps 值是温 度的函数
内容
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5.1热辐射的一般规律 5.2热敏电阻 5.3热电偶 5.4热释电探测器 5.5高莱探测器
5.4.1 热释电探测器
热释电器件：一种利用热释电效应制成的热探测器件 热释电效应：某些物质吸 收光辐射后将其转换成热 能，这个热能使晶体的温 度升高，引起表面电荷发 生变化的现象。 如图表面电荷变低
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。
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。
3．热释电效应定义
• 某些物质（如硫酸三甘肽、铌酸锂等）吸收光 辐射后将其转换成热能，这个热能使晶体的温 度升高，温度变化将引起居里温度以下的自发 极化强度的变化，从而在晶体的特定方向上引 起表面电荷的变化，这就是热释电效应。
光辐射
T↑ Ps
↓
σ
光辐射→ T↑ → 极化强度矢量变化 → 晶体表面上出现所测量出的电荷
忽略温差电动势，热电偶的热电势可表示为： 热电偶回路中产生的总热电势
E AB (T , T0 ) E AB (T ) E A (T , T0 ) EB (T , T0 ) E AB (T0 ) E AB (T ) E AB (T0 ) kT nA T kT0 nA T0 ln ln e nB T e nB T0
EA T , T0 EB T , T0 A B dT
T0
T
3.回路总电势：
由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、T0 如果T＞T0，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势 EAB(T, T0)=EAB(T)＋EB(T,T0)－EAB(T0)－EA(T,T0)
A 0
A 导体：
B导体：
EA T , T0 AdT
T0
T
A
接触电势
T
T0
EB T , T0

T
T0
B dT
EAB(T)
B EB T , T0
EAB(T0)
σ——汤姆逊系数，表示导体两端的温度差为1℃时所产生的温差电 动势，例如在0℃时，铜的σ =2μV/℃。
总温差电动势：
T n A T nA T0 k EAB (T , T0 ) (T ln T0 ln ) ( A B )dT T0 e nB T nB T0
？
回路接触电势
回路温差电势
讨论：
T n A T nA T0 k EAB (T , T0 ) (T ln T0 ln ) ( A B )dT T0 e nB T nB T0
接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。
热电偶是一个闭合回路，回路中总的接触电势为
k T T0 nA EAB (T , T0 ) EAB (T ) EAB (T0 ) ln e nB
当热电偶两端温度相同时，回路中总的接触电势为零。
2.温差电势
对于单一金属，如果两端的温度不同，则温度高端的自 由电子向低端迁移，使单一金属两端产生不同的电位，形成电 势，称为温差电势。其大小与金属材料的性质和两端的温差有 关，可表示为 E T , T
铁电体中存在固有的自发极化电 矩；自发极化电矩可以在外电场 作用下改变方向。铁电体的这些 性质与铁磁性十分相似，故称铁 电性。 4）居里温度Tc （居里点）—— 指一种临界温度，当大于Tc时， 自发极化消失。
居里 温度
Leabharlann Baidu
5.4.3 热释电效应
1．热释电材料(铁电材料)
• 极性晶类，晶体内正、负电 荷中心并不重合，晶体原子 具有一定电矩；也就是说晶 体本身具有自发极化特性。 但介质中的电偶极子排列杂 乱,宏观不显极性。
（2）负性热敏电阻NTC：Negative Temperature Coefficient (NTC) thermistors
4.热敏电阻的工作原理
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：
VRL RT VRL RT Vs 2 ( RT RL ) +RT ( RT RL )RT RL ( RT RL )2
6. 热释电探测器的工作原理分析
1、热释电探测器的输出电流
当红外辐射照射到已有自发极化强度的热释电晶体上时，引起晶体的温 度升高，而导致表面电荷减少，这相当于“释放”了一部分电荷，释放的 电荷可以用放大器转变成输出电压。如果红外辐射继续照射使晶体的温度 升高到新的平衡值，那么这时候表面电荷也就达到新的平衡浓度，不再释 放电荷，也就不再有输出信号。
温升与入射的辐射功率成正比，跟调制频率成反比。
入射辐射功率越大，温升越大，调制频率ω越大，温升就越小。
在相同的入射辐射下，希望得到大的温升，则探测器的 ①热容要小； ②与外界的热耦合要小。 ③材料的吸收系数要大；
CQ
GQ

3.热敏电阻及其分类
吸收辐射后由于温升而使电阻改变的器件。
（1）正性热敏电阻PTC ：Positive Temperature Coefficient (PTC) thermistors
第6章太赫兹波探测器
基于AlGaN/GaN高电子迁 移率晶体管的太赫兹波探测器件的研究
Terahertz detector based on AlGaN/GaN high electron mobility transistor (HEMT)
太赫兹波探测器的发展现状 探测器的设计（天线和滤波器） 探测器的加工、测试和优化 探测器的应用研究 总结与展望
A
接触电势
T T0
EAB(T)
B
EAB(T0)
kT0 nA T0端接触电势 EAB (T ) e ln n B
T端接触电势
其大小可表示为：
EAB (T ) kT0 nA ln e nB
kT0 nA EAB (T ) ln e nB
式中：K—波尔兹曼常数，K＝1.38×10-23 e —电子电荷量 e = 1.6×10-19C NA、NB为A、B材料的自由电子密度。