3-5热电探测器.ppt

光电探测与信号处理 3．5 热电探测器 基于光辐射与物质相互作用的热敏效应制作的器件。 研究得最早并且最早得到实际应用 优点：两大特点：不需致冷 在很宽的光谱波段有平坦的响应 在某些领域中光子探测器所不能替代的。 缺点：热电探测器的主要缺点： 探测率较低 时间常量较大(频率低) 3．5．1 基本原理 对热电探测器的分析可分为两步： 第一步：按系统的热力学特性来确定入射辐 射所引起的温度升高； 第二步：根据温升来确定具体探测器输出信号 的性能。 第一步对各种热电探测器件都适用， 而第二步则随具体器件而异。 首先讨论第一步的内容， 第二步在讨论各种类型的探测器时再作分析。 热电探测器热回路最简单的模型如图所示： 能量守恒：探测器吸收的辐射功率等于单位时间内系统内能的增量和与外界热交换时所损耗的功率之和。因此，可建立以下热回路方程： 利用初始条件：t＝0时，ΔT＝0，解得: 当tH/G，第一项可以忽略，得： 其幅值为： τT＝H/G，它是热电探测器的热时间常量，意义： 当 t＝τT时，热电探测器的温升衰减为初始值的1／e。 τT的数量级约为几毫秒至几秒， 比光子器件的时间常量大得多。 二、热电探测器的共性 设计热电探测器考虑：在相同的入射辐射下， 对于热电探测器总是希望ΔT尽可能地大。 由ΔT式看出，ΔT随G和H的减小而增大。 减小H：减小探测器热敏元件的体积和重量； 减小G：减小热敏元件与周围环境的热交换。当H值已达到最小值时，由热时间常量τT的定义可知，G的减小就会使τT增大。 所以在设计热电探测器时须采取折衷方案。 探测器与外界的热耦合主要有两种形式： 热辐射交换和热传导 其中，辐射交换的热导率最小。 如果只考虑辐射交换，不计因支架和引线等引起的热传导时，根据斯持藩—玻耳兹曼定律,设探测器的光敏面积为A，发射率为ε,当探测器与外界达到热平衡时，它所辐射的总功率为: P =εAσT4 其中σ为斯特藩—玻耳兹曼常量，T为温度。 如果探测温度有一个微小的增量dT， 则总辐射功率的增量为: dP＝4εAσT3dT。 所以，只由辐射交换所产生的热导G为 由于热电探测器的极限是由于温度噪声，温度噪声功率为: 根据最小可探测功率(NEP)的定义——信噪比为1时，入射功率的有效值，有： 如果所有的入射辐射全为探测器所吸收，即ε＝1； 则： σ＝5．67×10-12(W·cm-2·K-4)， 若：A＝lcm2，T＝290K，Δ?＝1Hz， 则： NEP＝5.1×10-11W 可作为衡量实际探测器的比较基准。 3.5.2 热电偶和热电堆 热电偶的基本原理是基于温差电效应。两种不同材料或材料相同而逸出功不同的物体，当它们构成回路时，如果两个接触点的温度不同，回路中就会产生温差电动势。只要两触点间的温差不变，温差电动势将得到保持。 这种效应又称为赛贝克效应。 热电偶是最古老的热电探测器之一，至今它仍得到广泛的应用和发展。 温差电动势的大小和方向与两种不同的导体材料的性质和两接点处的温度有关。 构成温差电偶的材料，既可以是金属也可以是半导体。 在结构上既可以是线、条状的实体，也可以是薄膜。 实体型的温差热电偶多用于接触测温， 薄膜型的温差热电堆多用于辐射测量。 例如用来标定各类光源，测量各种辐射量，作为红外分光光度计或红外光谱仪的辐射接收元件等。 热电偶和热电堆的原理性结构如图所示： 由半导体材料构成的热电偶，回路中温差电势的形成过程如图所示。 热端接收辐射产生温升，半导体中载流子动能增加，从而多数载流子要从热端向冷端扩散，结果p型材料热端带负电，冷端带正电，而n型材料，情况正好相反。 当冷端开路时，开路电压为 UOC=MΔT 式中，M为比例系数，称赛贝克常量，也称温差电势率，单位为v．℃-1， 通常半导体材料构成的热电偶比金属材料的温差电势率高，ΔT为温度增量。 如果入射于热端的辐射是恒定的， 冷端接负载RL所产生的电压降为： 式中Ri为热电堆内阻 如果用ΔT代入上式中，且ω=0， ΔT=αP0/G， 则： 如果入射辐射是交变量，则 因为G与材料性质和环境有关，所以为了使G较小，提高灵敏度，并使工作稳定，常把热电堆放在真空的外壳里。 在恒定辐射下，热电堆的电压响应率为： 在交变辐射下，为： 由上两式可知，要使热电堆的响应率高．应： ※选用温差电势大的材料；增大吸收系数；