第四章 热电探测器件.ppt

热敏电阻的物理过程是吸收辐射，产生温升，从而引起材料电阻的变化，其机理很复杂，但对于由半导体材料制成的热敏电阻可定性地解释为，吸收辐射后，材料中电子的动能和晶格的振动能都有增加。因此，其中部分电子能够从价带跃迁到导带成为自由电子，从而使电阻减小，电阻温度系数是负的。对于由金属材料制成的热敏电阻，因其内部有大量的自由电子，在能带结构上无禁带，吸收辐射产生温升后，自由电子浓度的增加是微不足道的。相反，因晶格振动的加剧，却妨碍了电子的自由运动，从而电阻温度系数是正的，而且其绝对值比半导体的小。第30页，共63页，星期日，2025年，2月5日不同材料热敏电阻的温度特性第31页，共63页，星期日，2025年，2月5日热敏电阻的灵敏面是一层由金属或半导体热敏材料制成的厚约0.01mm的薄片，粘在一个绝缘的衬底上，衬底又粘在一金属散热器上。使用热特性不同的衬底，可使探测器的时间常数由大约1ms变到50ms。因为热敏材料本身不是很好的吸收体，为了提高吸收系数，灵敏面表面都要进行黑化。早期的热敏电阻是单个元件接在惠更斯电桥的一个臂上。现在的热敏电阻多为两个相同规格的元件装在一个管壳里，一个作为接收元件，另一个作为补偿元件，接到电桥的两个臂上，可使温度的缓慢变化不影响电桥平衡。第32页，共63页，星期日，2025年，2月5日热敏电阻结构示意图第33页，共63页，星期日，2025年，2月5日热敏电阻的接电电路第34页，共63页，星期日，2025年，2月5日工作时，或按上图a接成桥式电路，或按上图b以补偿元件为负载接放大器。图中RT1为接收元件，RT2为补偿元件，R1、R2、R3为普通电阻。对于图b，如果有入射辐射，则热敏电阻的电阻将因温升而产生一微量变化dRT，于是所产生的信号电压为i：电流第35页，共63页，星期日，2025年，2月5日如果入射辐射使元件产生的温升为ΔT，则元件的电阻温度系数为则热敏电阻的电压响应率为：第36页，共63页，星期日，2025年，2月5日由上式可知，要使热敏电阻的电压响应率大，电流i、电阻温度系数α、热敏电阻RT、吸收系数η都要大，热导G、热辐射的交变频率ω、热容CH都要小，但这些量是受诸因素制约的，只能折中选取，而不能任意增减。第37页，共63页，星期日，2025年，2月5日1）由于要求放大器的输入阻抗要远大于RT，这就限制了RT不能任意的大。另外，假如RT很大，那它和引线的杂散电容和放大器输入电容等所构成的电路时间常数就有可能大于热时间常数。这时，将使频率特性变坏。???2）α决定于材料。对于大多数金属，α≈l/T。对于大多数半导体，在某有限温区内α≈3000/T2。所以，通过致冷可提高α。???3）为了提高η，要使灵敏面表面黑化。第38页，共63页，星期日，2025年，2月5日4）为了减小G，可使接收元件装在一个真空的外壳里。但G小，热时间常救τT（＝CH/G）要变大，频率特性要变坏。所以，权衡利弊，有的为了提高频率特性，宁可牺牲一些响应率，而把热敏电阻粘在一块热导率很大的衬底上以取得小的时间常数。???5）i不能很大，因i若较大，产生的焦耳热会使元件温度提高，如果α是负，还可能因为RT变小而产生破坏性的热击穿。另外，i大了噪声也要随之增大。所以，这就限制了i的取值。第39页，共63页，星期日，2025年，2月5日限制热敏电阻最小可探测功率的主要因素是与元件电阻有关的约翰逊噪声和与辐射吸收、发射有关的温度噪声。在室温下，热敏电阻的噪声等效功率可达10-6～10-9W·Hz-1/2，在致冷到液氦温度（3K）时，可达10-13～10-14W·Hz-1/2。第40页，共63页，星期日，2025年，2月5日除了热敏电阻的测辐射热计外，还有超导测辐射热计、碳测辐射热计和锗测辐射热计等。超导测辐射热计是利用某些金属或半导体，从正常态变为超导态时，电阻发生巨大变化这一特性来工作的。超导材料多为铌、钽、铅或锡的氮化物，在15～20K时变为超导体。在转变期内的温度仅为几分之一开氏温度，电阻温度系数约每度5000%。但保持住转变期温度，所需的致冷量很大，控制复杂，目前这种探测器还不太可能在实验室外使用。第41页，共63页，星期日，2025年，2月5日碳测辐射热计已用于极远的红外波段的分光考察。灵敏元件是从碳电阻上切下来的一小块，致冷到2.1K时，其D*要比热敏电阻测辐射热计高一个数量级。???锗测辐射热计的灵敏元件是锗掺镓单晶。致冷到2.1K时，其D*比热敏电阻测辐射热计约高1～2个数量级，它的光谱响应可延伸致1000μm以外。第4