半导体光电检测器件及应用

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1、1 1光热辐射检测器件光热辐射检测器件热电阻热电偶热释电探测器 工作原理：是基于光辐射与物质相互作用的热 效应而制成的器件。 热效应：器件吸收入射辐射产生温升引起材料 物理性质的变化，输出电信号。 热电传感器件：是将入射到器件上的辐射能转 换成热能，然后将热能转换成电能的器件。 热探测器件又称为无选择性探测器（对全波 长有相同的响应率） 特点：工作时不需要制冷，光谱响应无波长 选择性等。 分类：热敏电阻、热电偶检测器、热释电器 件4 4 对热电探测器的分析可分为两步：第一步是确定温升：按系统的热力学特性来确定入射辐 射所引起的温度升高T（共性）；第二步是确定参量变化：根据温升来确定具体探测器输

2、 出信号的性能（个性）。 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。 5 5两种主要的热电效应：两种主要的热电效应： 温差电效应：温差电效应：温差产生电动势（塞贝克效应）温差产生电动势（塞贝克效应）热电偶和热电堆热电偶和热电堆 热释电效应热释电效应 ：辐射变化引起表面电荷变化辐射变化引起表面电荷变化热释电探测器热释电探测器光吸收温度上升电学特性变化 电参数输出光热转换热电转换特点： 在宽广的波段有均匀的光谱响应 响应速度慢热探测器与前面讲述的各种光电器件相比具 有下列特性： 响应率与波长无关，属于无选择性探测器

3、； 受热时间常数（热惯性）的制约，响应速 度比较慢； 热探测器的探测率比光子探测器的峰值探 测率低； 可在室温下工作。8 8热敏电阻热敏电阻 (Bolometer)(Bolometer)9 9uu原理：原理：吸收辐射吸收辐射，产生温升，从而引起材料，产生温升，从而引起材料 电阻的变化。电阻的变化。uu主要材料类型：金属、半导体和超导体。主要材料类型：金属、半导体和超导体。uu共同点：都敏感于辐射，共同点：都敏感于辐射，光谱响应基本上与光谱响应基本上与 入射辐射的波长无关。入射辐射的波长无关。吸收辐射温升-电阻变化热敏电阻 在电子电路中的符号 1. 1. 温度系数温度系数a aT T 表示温度变

4、化表示温度变化1 1时，热电阻实际阻值的相对变化：时，热电阻实际阻值的相对变化：一. 工作原理和结结构式中，R为环境温度为热力学温度T时测得的实际阻值。正温度系数（PTC）的热敏电阻温度系数： 负温度系数（NTC）的热敏电阻温度系数： 随温度T变化很大，并与材料常数B成正比。1111 由热敏材料制成的厚度为由热敏材料制成的厚度为0.01mm0.01mm左右的薄片电阻粘合在左右的薄片电阻粘合在 导热能力高的绝缘衬底上，电阻体两端蒸发金属电极以便导热能力高的绝缘衬底上，电阻体两端蒸发金属电极以便 与外电路连接；与外电路连接； 再把衬底同一个热容很大、导热性能良好的金属相连构成再把衬底同一个热容很大

5、、导热性能良好的金属相连构成 热敏电阻。（使用热特性不同的衬底，可使探测器的时间热敏电阻。（使用热特性不同的衬底，可使探测器的时间 常量由大约常量由大约1ms1ms变为变为50ms50ms） 红外辐射通过探测窗口投射到热敏元件上，引起元件的电红外辐射通过探测窗口投射到热敏元件上，引起元件的电 阻变化。为了提高热敏元件接收辐射的能力（提高吸收系阻变化。为了提高热敏元件接收辐射的能力（提高吸收系 数），常将热敏元件的表面进行数），常将热敏元件的表面进行黑化处理黑化处理。2. 结构（1 1）金属材料）金属材料- -正温度系数热敏电阻正温度系数热敏电阻(PTR)(PTR)由金属材料构成的测辐射热计：一

6、般金属的能带结构外层无禁带，自由电子密度很大，以致外界光作用引起的自由电子密度相对变化较半导体而言可忽略不计。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，因晶格振动的加剧妨碍了自由电子作定向运动，从而电阻温度系数是正的.Positive Temperature Coefficient (PTC) thermistors 适宜材料有适宜材料有铂铂、铜铜、镍镍、铁铁等。等。分 类类1、按原理分1313由半导体材料制成的测辐射热计：半导体材料对光的吸收 除了直接产生光生载流子的本征吸收和杂质吸收外，还有 不直接产生载流子的晶格吸收和自由电子吸收等，并且不 同程度地转变为热能，引起晶格振

7、动的加剧，器件温度的 上升，即器件的电阻值发生变化。其中部分电子能够从价 带跃迁到导带成为自由电子，使电阻减小，电阻温度系数 是负的。又因为各种波长的辐射都能被材料吸收，只是吸 收不同波长的辐射，晶格振动加剧的程度不同而已,对温升 都有贡献，所以它的光谱响应特性基本上与波长无关。（2 2） 半导体电阻材料半导体电阻材料- -负温度系数热敏电阻负温度系数热敏电阻(NTR)(NTR) Negative Temperature Coefficient (NTC) thermistors半导体类的多为金属氧化物，例如氧化锰、氧化镍、氧化 钴等。图示分别为半导体和金属（白金）的温度特性曲线。白金的电阻温

8、度系数为正值，大约为0.37%左右；半导体材料热敏电阻的温度系数为负值，大约为-3%-6%，约为白金的10倍以上。所以热敏电阻探测器常用半导体材料制作而很少采用贵重的金属1515 电阻温度系数多为电阻温度系数多为正正 电阻温度系数绝对值电阻温度系数绝对值小小 电阻变化与温度变化的关系电阻变化与温度变化的关系 基本上是基本上是线性的线性的 耐高温能力和稳定性较耐高温能力和稳定性较强强 多用于温度的模拟测量。多用于温度的模拟测量。金属材料的特点 电阻温度系数多为负 电阻温度系数绝对值大， 比一般金属电阻大10100 倍 电阻变化与温度变化的关 系基本上是非线性的 耐高温能力和稳定性较差 多用于辐射

9、探测。例如防 盗报警、防火系统、热辐 射体搜索和跟踪等。半导体材料的特点1616（3）其它类型除了热敏电阻类的测辐射热计外，还有超导测辐射热计 、碳测辐射热计和锗测辐射热计。 碳测辐射热计：已用于极远红外波段的光谱测量。敏感元件 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：敏感元件是锗掺镓单晶，致冷到2.1K时，其 D*比热敏电阻测辐射热计约高12个数量级，它的光谱响应 可延伸到1000m以外。 超导测辐射热计：它利用了金属或半导体由正常态向超导态 过渡时，电阻随温度急剧变化的性能。电阻温度系数可达 5000。这种测辐射热计灵敏度很

10、高，可用以精密测量很弱 的辐射如红外辐射和激光的功率。超导材料多为铌、钽、铅 或锡的氮化物。但为保持住转变期温度，所需制冷量很大， 控制复杂，目前仅限于实验室。17172、按使用范围围分类类1. 通用型热敏电阻器 特点：价格便宜，温度上限偏低，一般在100度左右，例如圆片形2.热响应速度非常快的热敏电阻器 特点：适合微小型化应用、热响应速度非常快的场合应用的温 度传感器，一般装在细针尖里面使用或贴在薄膜上使用。直 径非常小，达到了l mm 以下，热时间常数约为普通热敏电 阻器的10 分之一。3. 高温型热敏电阻器 特点：温度上限可扩展到500度左右 4. 微测辐射热计（(Microbolome

11、ter)）特点：主要用于红外辐射测量1818热敏电阻应用范围热敏电阻应用范围 家用电器（如空调机、微波炉、电风扇、电 取暖炉等）的温度控制与温度检测 办公自动 化设备（如复印机、打印机等）的温度检测 或温度补偿。 工业、医疗、环保、气象、食 品加工设备的温度控制与检验。 仪表线圈、 集成电路、石英晶体振荡器和热电偶的温度 补偿。热敏电阻特点 稳定性好、可靠性高。 阻值范围宽：0.11000K 阻值精度高 。 热敏电阻使用说明热敏电阻使用说明 1.1. 自身的发热进行补偿自身的发热进行补偿 2.2. 温度特性的非线性：根据器件手册，建温度特性的非线性：根据器件手册，建 立温度立温度- -阻值之间

12、的查找表，利用查表的方阻值之间的查找表，利用查表的方 式进行对应的温度计算式进行对应的温度计算 3.3. 稳定性和老化稳定性和老化 ：正温度系数热敏电阻器：正温度系数热敏电阻器 和临界温度热敏电阻器特性的均匀性要差和临界温度热敏电阻器特性的均匀性要差 于负温度系数热敏电阻器于负温度系数热敏电阻器 2020热电偶又称温差电偶，1826年就出现。其工作 原理是热电效应。热电偶是温度测量中应用最普遍的测温器件， 它的特点是测温范围宽，性能稳定，有足够的 测量精度，能够满足工业过程温度测量的需要 ；结构简单，动态响应好；输出为电信号，可 以远传，便于集中检测和自动控制。热电偶检测器热电偶的结构示意图两

13、种不同的导体A 和B 两端相互紧密地连接在一起， 组成一个闭合回路，当两接触点温度不等（T T0） 时，回路中就会产生电动势，从而形成热电流，这一 现象称为热电效应，回路中产生的电动势称为热电势热电偶工作原理热电偶工作原理热电势由两部分组成：接触电势-温差电势热电势温差电势温差电势热电极A 和B 紧密连接在一起，由于电极材料的成分不同，其电子密度也不同，于是在接触面上便产生自 由电子的扩散现象接触电势源温差电势温差电势温差电势是由于同一导体的两端温度不同，即存在着 温度梯度而产生的热电势T、T0 为电极两端的热力学温度；A、B 为电极的汤姆逊系数2525采用金属材料制成，用于探 测入射辐射，温

14、升小，对材 料的要求高，结构严格且复 杂，成本高。P型半导体冷端带正电 ，N型半导体冷端带负 电，最小可检测功率一 般为10-11W。第三导体的引入第三导体的引入在实际应用中，热电偶回路中需接入测量仪表 相当于在热电偶回路中接入第三导体在A、B 材料组成的热电偶回路中接入第三导体C热电偶冷端温度误差及其补偿热电偶冷端温度误差及其补偿热电偶利用导体结点间的温差电动势实现对温度的测量 ，因此，冷端的温度必须保持恒定，或者通过其它方式 对其温度变化进行补偿，才能实现对待测温度的准确测 量恒温法冷端0度恒温冷端补偿器法工业上，常采用简便 的冷端补偿器法。冷 端补偿器是一个四臂 电桥，其中三个桥臂 电阻

15、的温度系数为零 ，另一桥臂采用铜电 阻RCu（其值随温度变 化），放置于热电偶 的冷结点处热电偶具有以下特性: （1）若热电偶两电极材料相同，则无论两结点温度如何，总热电势为零； （2）若热电偶两结点温度相同，则尽管A、B 材料不同，回路中的总电势等于零； （3）热电偶产生的热电势只与材料和结点温度有关与电极的尺寸、形状等无关，电极材料相同的热电偶可以互换； （4）热电偶A、B 的结点温度为T1、T3 时的热电势等于此热电偶在结点温度为T1、T2与T2、T3两个不同状态下的热电势之和; （5）当热电极A、B 选定后，热电势EAB(T, T0) 是两结点温度T 和T0 的函数差热电偶的应用钨铼系

16、热电偶主要应用在超高温的测量中钨铼系热电偶200-300,其上限主要受绝缘材料 的限制；就其电极材料本身的耐温情况来看，其测 温上限可高达2800，它们适用于惰性气体及氢气 之中，在真空中也可短期使用热电偶的应用铠装热电偶具有良好 的机械性能，抗震抗 冲击，适合各种条件 下的工业现场使用， 尤适于高压容器内的 温度测量常见热电偶铠装3333热电堆工作原理热电堆工作原理热电堆提高了热电偶 的响应时间和灵敏度。 其结构是多个热电偶串 联。热电堆的灵敏度为每 个热电偶灵敏度的和。热电偶检测器热电偶检测器 热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一，热电偶工作原理是基热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一，热电偶工作原理是基 于赛贝克于赛贝克(seeback)(seeback)效应效应, ,即两种不同成分的导体两端连接成回路，即