第06章 熱輻射探測器件C 熱釋電效應(yīng) 2014123 ok

1、熱釋電效應(yīng)熱釋電效應(yīng)熱釋電效應(yīng)是熱電晶體在溫度變化時產(chǎn)生的一種現(xiàn)象。在非中心對稱結(jié)構(gòu)的極性晶體中，例如硫酸三甘肽、鈮酸鋰、鈮酸鍶鋇等，即使在無外電場和應(yīng)力的條件下，本身也會產(chǎn)生自發(fā)電極化。由于自發(fā)極化，在垂直于電極化矢量Ps的晶體表面上出現(xiàn)面束縛電荷，面電荷密度s|Ps|。熱電體的熱電體的|Ps|決定了面電荷密度決定了面電荷密度 s的的大小，當大小，當|Ps|發(fā)生變化時，面電荷密度發(fā)生變化時，面電荷密度 s也跟著變化也跟著變化。 Pss 熱釋電現(xiàn)象是通過所謂熱釋電現(xiàn)象是通過所謂熱電材料熱電材料實現(xiàn)的。實現(xiàn)的。 熱電材料首先是一種熱電材料首先是一種電介質(zhì)，是絕緣體電介質(zhì)，是絕緣體。是一。是一種種

2、結(jié)晶對稱性很差的晶體結(jié)晶對稱性很差的晶體，因而在常態(tài)下具有，因而在常態(tài)下具有自發(fā)電極化自發(fā)電極化( (即固有電偶極矩即固有電偶極矩) )。 由電磁理論可知：由電磁理論可知： 在垂直于電極化矢量在垂直于電極化矢量Ps的材料的材料表面上出現(xiàn)面表面上出現(xiàn)面束縛電荷束縛電荷，面電荷密度，面電荷密度s |PS| 。由于晶體內(nèi)部由于晶體內(nèi)部自發(fā)電極化矢量排列混亂自發(fā)電極化矢量排列混亂，因而總的，因而總的Ps并不大，再加上材料表面附近分布的外部并不大，再加上材料表面附近分布的外部自由電自由電荷的中和作用荷的中和作用，通常覺察不出有面電荷存在。，通常覺察不出有面電荷存在。如果對熱電體施加如果對熱電體施加直流電

3、場直流電場，自發(fā)極化矢量自發(fā)極化矢量將趨于一致排列將趨于一致排列( (形成單疇極化形成單疇極化) )，總的，總的P Ps s加大。加大。 它是實現(xiàn)熱釋電現(xiàn)象的理想材料。它是實現(xiàn)熱釋電現(xiàn)象的理想材料。熱釋電體的熱釋電體的|PS|決定了面電荷密度決定了面電荷密度s的大小，的大小，當當 Ps發(fā)生變化時，面電荷值也跟著變化發(fā)生變化時，面電荷值也跟著變化。當電場去掉后，如果總的當電場去掉后，如果總的PsPs仍能仍能保持下來保持下來，那么將這種熱電體稱為那么將這種熱電體稱為熱電熱電-鐵電體鐵電體。 熱電體表面附近的熱電體表面附近的自由電荷對面電荷的中和自由電荷對面電荷的中和作用比較緩慢作用比較緩慢，一般在

4、，一般在11000秒量級。秒量級。 好的熱電體，這個過程很慢好的熱電體，這個過程很慢。在。在來不及中來不及中和之前，熱電體側(cè)面就呈現(xiàn)出和之前，熱電體側(cè)面就呈現(xiàn)出相應(yīng)于溫相應(yīng)于溫度變化的面電荷變化度變化的面電荷變化，這就是熱釋電，這就是熱釋電現(xiàn)象?，F(xiàn)象。 溫度升高，溫度升高， |PS|減小減小。升高。升高到到Tc值時，自發(fā)極化突然消失，值時，自發(fā)極化突然消失，Tc稱為稱為居里溫度居里溫度。在。在Tc溫度以下，才溫度以下，才有熱釋電現(xiàn)象。有熱釋電現(xiàn)象。當強度變化的當強度變化的光照射熱電體時，熱光照射熱電體時，熱電體的溫度發(fā)生變化電體的溫度發(fā)生變化， |PS|亦發(fā)亦發(fā)生變化，而面電荷跟著發(fā)生變化。生

5、變化，而面電荷跟著發(fā)生變化。經(jīng)過經(jīng)過單疇化單疇化的熱電體，保持有的熱電體，保持有較大的較大的|PS| 。這個這個|PS|值是值是溫度的函數(shù)，如圖所示。溫度的函數(shù)，如圖所示。6-3熱釋電器件熱釋電器件一、熱釋電器件的基本工作原理一、熱釋電器件的基本工作原理1、熱釋電效應(yīng)、熱釋電效應(yīng)電介質(zhì)的極化電介質(zhì)的極化s s 一一般般的的電電介介質(zhì)質(zhì)鐵電體的極化鐵電體的極化鐵電體在鐵電體在外加電場除去后外加電場除去后仍保持著極化狀態(tài)仍保持著極化狀態(tài)，稱其，稱其為為“自發(fā)極化自發(fā)極化”。其極化程。其極化程度用極化強度度用極化強度 表示。表示。 2sC/mP極化強度極化強度sP介質(zhì)表面單位面積上的電荷量稱為自發(fā)極

6、化強度。介質(zhì)表面單位面積上的電荷量稱為自發(fā)極化強度。s |PS| B、外加電場能改變自發(fā)極化矢量的方向，無、外加電場能改變自發(fā)極化矢量的方向，無 規(guī)則排列的自發(fā)極化矢量趨于同一方向，規(guī)則排列的自發(fā)極化矢量趨于同一方向， 形成所謂的形成所謂的單疇極化單疇極化，當外加電場去除后，當外加電場去除后 仍能仍能保持保持單疇極化特性的熱電介質(zhì)，所以單疇極化特性的熱電介質(zhì)，所以 稱為鐵電體或熱電稱為鐵電體或熱電鐵電體。鐵電體。4 鐵電體（熱電晶體）的特征鐵電體（熱電晶體）的特征A、無外加電場時有電矩，在、無外加電場時有電矩，在溫度變化時電矩溫度變化時電矩 發(fā)生變化發(fā)生變化，所以又稱為，所以又稱為熱電介質(zhì)熱電

7、介質(zhì)。C、經(jīng)過單疇極化的鐵電體在垂直于極化方向、經(jīng)過單疇極化的鐵電體在垂直于極化方向 的表面上，將由表面層的電偶極子構(gòu)成相應(yīng)的表面上，將由表面層的電偶極子構(gòu)成相應(yīng) 的靜電的靜電束縛電荷束縛電荷。sssS lPS l 所以極化強度定義為表面層單位體積內(nèi)的電矩所以極化強度定義為表面層單位體積內(nèi)的電矩之和。之和。5 5 熱釋電效應(yīng)熱釋電效應(yīng)因為因為 或或 隨溫度的升高而減少，所以當紅外輻隨溫度的升高而減少，所以當紅外輻射照射到已經(jīng)極化的鐵電體薄片時，薄片溫度升射照射到已經(jīng)極化的鐵電體薄片時，薄片溫度升高，表面電荷減少，相當于熱高，表面電荷減少，相當于熱“釋放釋放”了部分電了部分電荷。荷。釋放的電荷可

8、用放大器轉(zhuǎn)變成電壓輸出。這就是釋放的電荷可用放大器轉(zhuǎn)變成電壓輸出。這就是熱釋電效應(yīng)。熱釋電效應(yīng)。sPs s S 輻射持續(xù)作用，表面電荷將達到新的平衡，不再輻射持續(xù)作用，表面電荷將達到新的平衡，不再釋放電荷，熱釋電器件釋放電荷，熱釋電器件在恒定輻射作用的情況下在恒定輻射作用的情況下輸出的信號電壓為零輸出的信號電壓為零。在交變輻射的作用下才會。在交變輻射的作用下才會有信號輸出。有信號輸出。6 6 熱釋電效應(yīng)的解釋熱釋電效應(yīng)的解釋溫度溫度恒定時恒定時，面束縛電荷，面束縛電荷被來自晶體內(nèi)部或外圍空被來自晶體內(nèi)部或外圍空氣中的異性自由電荷所氣中的異性自由電荷所中中和和，因此觀察不到它的自，因此觀察不到它

9、的自發(fā)極化現(xiàn)象。發(fā)極化現(xiàn)象。外部和內(nèi)部的自由電外部和內(nèi)部的自由電荷中和表面束縛電荷荷中和表面束縛電荷的時間常數(shù)為的時間常數(shù)為 和和 分別為晶體的分別為晶體的 電容率和電阻率。電容率和電阻率。 的值一般在的值一般在 之之間間 ，即晶體表面上的面束縛電荷可以保持，即晶體表面上的面束縛電荷可以保持 的時間。只要使熱釋電晶體的溫度在的時間。只要使熱釋電晶體的溫度在束縛電荷被中和掉之前因吸收輻射而發(fā)生變化。束縛電荷被中和掉之前因吸收輻射而發(fā)生變化。1 1000s1 1000 s晶體的自發(fā)極化強度晶體的自發(fā)極化強度 就會隨溫度就會隨溫度 的變化而的變化而變化，相應(yīng)的束縛電荷面密度變化，相應(yīng)的束縛電荷面密度

10、也隨之變化。也隨之變化。sPT即：影響即：影響 的的因素有兩個因素有兩個，一是晶體內(nèi)或空氣，一是晶體內(nèi)或空氣中的自由電荷的中和作用引起的中的自由電荷的中和作用引起的 的變化，二的變化，二是溫度引起的是溫度引起的 的變化，而溫度不變時，中和的變化，而溫度不變時，中和時間時間 很長，一般在很長，一般在 之間，即中和作之間，即中和作用引起用引起 的變化很緩慢，而溫度的變化導致的變化很緩慢，而溫度的變化導致 的變化很迅速，可達的變化很迅速，可達 。這樣我們就能覺察。這樣我們就能覺察到面束縛電荷的變化。到面束縛電荷的變化。 s s 1 1000ss s 1210s s 2、熱釋電器件的工作原理、熱釋電器

11、件的工作原理熱釋電器件的電流響應(yīng)熱釋電器件的電流響應(yīng) A、將熱電晶體放進一個電容器極板之間，晶體、將熱電晶體放進一個電容器極板之間，晶體 被極化，設(shè)自發(fā)極化矢量為被極化，設(shè)自發(fā)極化矢量為 ， 的方向垂直的方向垂直 于電容器的極板平面。接收輻射的極板和另一于電容器的極板平面。接收輻射的極板和另一 極板的重迭面積為極板的重迭面積為 。由此引起表面上的束縛。由此引起表面上的束縛 極化電荷為極化電荷為:sPsPdAdsdsQAA P 接收輻射時，會引起晶體的溫度變化接收輻射時，會引起晶體的溫度變化 從而從而引起面束縛電荷的變化：引起面束縛電荷的變化：T sdsddPQAPATATT 稱為稱為熱釋電系數(shù)

12、熱釋電系數(shù)，其單位為，其單位為C/cm2K，是與材料本身的特性有關(guān)的物理，是與材料本身的特性有關(guān)的物理量，表示自發(fā)極化強度隨溫度的變化率。量，表示自發(fā)極化強度隨溫度的變化率。sPT B、若在晶體的兩個電極間接上負載、若在晶體的兩個電極間接上負載 ，則，則 上就有電流流過，由于溫度變化產(chǎn)生的電流：上就有電流流過，由于溫度變化產(chǎn)生的電流：LRddddsdQTiAtt LRddTt為晶體的為晶體的溫度隨時間的變化率溫度隨時間的變化率。與晶體的吸收率和熱容有關(guān)，吸收率大、與晶體的吸收率和熱容有關(guān)，吸收率大、熱容小，溫度變化率大熱容小，溫度變化率大。ddTt熱釋電器件的電壓響應(yīng)熱釋電器件的電壓響應(yīng) 熱釋

13、電器件在負載電阻熱釋電器件在負載電阻 上的產(chǎn)生的電壓為：上的產(chǎn)生的電壓為：LRddssLdLTUi RA Rt 如果照射光是恒定的，則如果照射光是恒定的，則 為恒定值，則電為恒定值，則電流和電壓均為流和電壓均為0，所以熱釋電器件是一種交流，所以熱釋電器件是一種交流或瞬時響應(yīng)的器件?；蛩矔r響應(yīng)的器件。T3、熱釋電器件的結(jié)構(gòu)、熱釋電器件的結(jié)構(gòu)按照性能的不同要求將熱釋電器件做成的面電極按照性能的不同要求將熱釋電器件做成的面電極和邊電極兩種結(jié)構(gòu)。和邊電極兩種結(jié)構(gòu)。電容較大電容較大，故其不，故其不適于高速應(yīng)用適于高速應(yīng)用。此外，由于輻。此外，由于輻射要通過電極層才能到達晶體，所以射要通過電極層才能到達晶

14、體，所以電極對于待電極對于待測的輻射波段必須透明測的輻射波段必須透明。電極置于晶體的上下表面電極置于晶體的上下表面上上, 其中一個電極位于光其中一個電極位于光敏面內(nèi)。敏面內(nèi)。 電極面積較大，電極面積較大，極間距離較少，因而極間極間距離較少，因而極間光敏面光敏面電極面積較小，因此極間電容較小。由于熱釋電極面積較小，因此極間電容較小。由于熱釋電器件的響應(yīng)速度受極間電容的限制，因此，電器件的響應(yīng)速度受極間電容的限制，因此，在在高速運用時以極間電容小的邊電極為宜高速運用時以極間電容小的邊電極為宜。光敏面光敏面邊電極結(jié)構(gòu)中，電極所邊電極結(jié)構(gòu)中，電極所在的平面與光敏面互相在的平面與光敏面互相垂直，電極間距

15、較大，垂直，電極間距較大，4、熱釋電器件的典型電路、熱釋電器件的典型電路熱釋電器件的符號熱釋電器件的符號 熱釋電探測器是熱釋電探測器是電容性元件電容性元件，阻抗大于，阻抗大于 ，使用時應(yīng)采用具有高輸入阻抗的前置使用時應(yīng)采用具有高輸入阻抗的前置放大器放大器,為減少與外界的熱交換干擾為減少與外界的熱交換干擾及振動噪聲，一般將其與放大器密封在一起。及振動噪聲，一般將其與放大器密封在一起。910 熱釋電器件的典型電路原理圖熱釋電器件的典型電路原理圖 熱釋電器件的等效電路圖熱釋電器件的等效電路圖 為恒流源，為恒流源， 分別為晶體內(nèi)部介電損耗分別為晶體內(nèi)部介電損耗的等效電阻和電容，的等效電阻和電容， 為外

16、接放大器的負為外接放大器的負載電阻和電容。載電阻和電容。sIssRC、LLRC、11j1jLRRRCRC 入射輻射為入射輻射為 時的輸出電壓時的輸出電壓 je01+et A、等效電路可得熱釋電器件的、等效電路可得熱釋電器件的等效負載電阻等效負載電阻為：為： / /sLRRR sLCCCB、熱釋電器件的溫度、熱釋電器件的溫度 00TTTT 0T為環(huán)境溫度為環(huán)境溫度0T 表示熱釋電器件接收輻射后的平均溫升表示熱釋電器件接收輻射后的平均溫升T 表示與時間有關(guān)的溫度變化表示與時間有關(guān)的溫度變化 jj001/222eej1ttTTGCG 而而TCRCG 為為熱時間常數(shù)熱時間常數(shù)，為，為0.1s 10 s

17、 1 21 22222211LeRRRR C eRC 為為電路時間常數(shù)電路時間常數(shù)，為，為0.1s 10 s11j1jLRRRCRC C、溫度隨時間的變化率、溫度隨時間的變化率 ddTt jj001/21/22222deedjdd11ttTTTTttGG D、輸出到放大器的電壓、輸出到放大器的電壓sU s01 21/2222211deTARUG j0s1 21/22222edd11tdLdeTTRUA RAtG 二、熱釋電器件的靈敏度二、熱釋電器件的靈敏度 vV/WS1、電壓靈敏度、電壓靈敏度 sv1 21/22222011deTUARSG 2、分析討論、分析討論 ，若，若 ，即，即 恒定，恒

18、定， 則則 ，說明熱釋電器件對恒定輻射不靈敏，說明熱釋電器件對恒定輻射不靈敏。 je01+et 0 e02 v0S 在低頻段，在低頻段， 且且 時，有：時，有：1T 1e vdARSG 與與 成正比，這是交流靈敏度的體現(xiàn)。成正比，這是交流靈敏度的體現(xiàn)。 所以所以減小熱釋電器件的有效電容和熱容減小熱釋電器件的有效電容和熱容有有利于提高高頻段的靈敏度。利于提高高頻段的靈敏度。Te eT 11Te 當當 時，通常有時，通常有 ，在，在范圍內(nèi)，有：范圍內(nèi)，有： vddTTARARSGG為一個與為一個與 無關(guān)的常數(shù)無關(guān)的常數(shù)在高頻段，在高頻段， 且且 時，有：時，有：1T 1e v2ddeTARASGCC 與與 成反比成反比 s