S4.9、热释电 热释电器件是一种利用热释电效应制成的热探测器件。写 其它热探测器相比，热释电器件具有以下优点： ①具有较宽的频率响应，工作频率接近兆赫兹，远远超过其它热探 测器的工作频率。一般热探测器的时间常数典型值在1~0.01s范围内， 而热释电器件的有效时间常数可低达10-4~3×10-5s: ②热释电器件的探测率高，在热探测器中只有气动探测器的D*才比 热释电器件稍高，且这一差距正在不断减小写 ③热释电器件可以有大面积均匀的敏感面， 而且工作时可以不外加 接偏置电压； ④ 与热敏电阻相比，它受环境温度变化的影响更小； ⑤ 热释电器件的强度和可靠性比其它多数热探测器都要好，且制造 比较容易。 2022/10/7 1
2022/10/7 1 S4-9 、热释电 热释电器件是一种利用热释电效应制成的热探测器件。与 其它热探测器相比，热释电器件具有以下优点： ① 具有较宽的频率响应，工作频率接近兆赫兹，远远超过其它热探 测器的工作频率。一般热探测器的时间常数典型值在1~0.01s范围内， 而热释电器件的有效时间常数可低达10-4 ~ 3×10-5 s； ② 热释电器件的探测率高，在热探测器中只有气动探测器的D*才比 热释电器件稍高，且这一差距正在不断减小； ③ 热释电器件可以有大面积均匀的敏感面，而且工作时可以不外加 接偏置电压； ④ 与热敏电阻相比，它受环境温度变化的影响更小； ⑤ 热释电器件的强度和可靠性比其它多数热探测器都要好，且制造 比较容易
▣1.1热释电器件的基本工作原理 ⊥.热释电效应 电介质内部没有自由载流子，没有导电能力。但是，它也是由 带电的粒子（价电子和原子核）构成的，在外加电场的情况下，带 电粒子也要受到电场力的作用，使其运动发生变化。例如，在如图 512所示的电介质的上下两侧加上如图所示的电场后，电介质产生 极化现象，从电场的加入到电极化状态的建立起来这段时间内电介 质内部的电荷适应电场的运动相当手电荷沿电力线方向的运动，也 2022/10/7 是一郑绳流称为“位移电流”，该电流在电极化完成即告停止
2022/10/7 2 1.1 热释电器件的基本工作原理 1. 热释电效应 电介质内部没有自由载流子，没有导电能力。但是，它也是由 带电的粒子（价电子和原子核）构成的，在外加电场的情况下，带 电粒子也要受到电场力的作用，使其运动发生变化。例如，在如图 5-12所示的电介质的上下两侧加上如图所示的电场后，电介质产生 极化现象，从电场的加入到电极化状态的建立起来这段时间内电介 质内部的电荷适应电场的运动相当于电荷沿电力线方向的运动，也 是一种电流称为“位移电流”，该电流在电极化完成即告停止
对于一般的电介质，在电场除去后极化状态随即消失，带电粒 子又恢复原来状态。而有一类称作为“铁电体”的电介质在外加电 场除去后仍保持着极化状态，称其为“自发极化”。图53所示为 般的电介质与铁电体电介质的极化曲线。 一般的电介质的极化曲 线通过中心，而图513(b)所示的极化曲线在电场去除后仍保持 定的极化强度。 AR/(C/m2) AP/(C/m2) 铁电体的自发极 化强度P、(单位 EN 面积上的电荷量 与温度的关系如 图514所示，随 图5-12电极化现象 (a)一般电介质 (b)铁电体电介质 着温度的升高， 图5-13电介质的极化曲线 极化溅募减低，当温度升高到一定植，自发极化突然消失，这个温 度常被称为“居里温度”或“居里点
2022/10/7 3 对于一般的电介质，在电场除去后极化状态随即消失，带电粒 子又恢复原来状态。而有一类称作为“铁电体”的电介质在外加电 场除去后仍保持着极化状态，称其为“自发极化”。图5-13所示为 一般的电介质与铁电体电介质的极化曲线。一般的电介质的极化曲 线通过中心，而图5-13（b）所示的极化曲线在电场去除后仍保持一 定的极化强度。 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5-14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”
在居里点以下，极化强度P、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。 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沉下输出 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。 对手经过单畴化的热释电 24 晶体，在垂直于极化方向的表 (zw/D)/a 16 面上，将由表面层的电偶极子 构成相应的静电束缚电荷。面 8 束缚电荷密度σ与自发极化强度 0 1020304050 0 2040 60 80 100 P、之间的关系可由下式确定。 TrC Trc (a)TGS材料 (b)BaTiO2材料 2022/10/7 图5-14 自发极化强度随温度变化的关系曲线
2022/10/7 4 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。 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。 对于经过单畴化的热释电 晶体，在垂直于极化方向的表 面上，将由表面层的电偶极子 构成相应的静电束缚电荷。面 束缚电荷密度σ与自发极化强度 Ps之间的关系可由下式确定
因为自发极化强度是单位体积内的电矩矢量之和，所以有 (5-34) Sd 式中，S和d分别质 如5-15(a)所示。由内部自由电荷中和表面束缚电荷的时间常数 为π三p,c和p分别为晶体的介电常数和电阻率。 9日9Θ99旦 P(T) 0 000000 ⊕⊕⊕①田⊕⊕ (a)平衡态下完全中和 (b)非平衡态下不完全中和 (a)面电极结构 (b)边电极结构 图5-15 热释电晶体的内部电偶极子和 图5-16热释电的电极结构 外部自由电荷的补偿情况 只要使热释电晶体的温度在面束缚电荷被中和掉之前因吸收辐射而 发生变化，品体的自发极化强度P、就会随温度的变化而变化，相 应的霉绳荷面密度▣也随之变化，如图5-15b)所示
2022/10/7 5 因为自发极化强度是单位体积内的电矩矢量之和，所以有 = = Sd s d P s (5-34) 式中，S和d分别是晶体的表面积和厚度。 如5-15(a)所示。由内部自由电荷中和表面束缚电荷的时间常数 为τ＝ερ，ε和ρ分别为晶体的介电常数和电阻率。 只要使热释电晶体的温度在面束缚电荷被中和掉之前因吸收辐射而 发生变化，晶体的自发极化强度PS就会随温度T的变化而变化，相 应的束缚电荷面密度σ也随之变化，如图5-15(b)所示
▣2.热释电器件的工作原理 设晶体的自发极化矢量为P,P的方向垂直于电容器的极板平面。 接收辐射的极板和乃一极板的重迭面积为A。由此马引起表面上的束 缚极化电荷为 Q=A△o=A 5-35) 若辐射引起的晶体温度变化为△T,则相应的束缚电荷变化为 △Q=A.(△PJ△T)△T=A△T 5-36） 式中，y=△P/△T称为热释电系数，其单位为ccm2K,是与材料本 身的特性有关的物理量，表示自发极化强度随温度的变化率。 若在晶体的两个相对的极板上敷上电极，在两极间接上负载R 则负载上就有电流通过。由于温度变化在负载上产生的电流可以 表示为 d№ 2022/10/7 1= di 二AY dT (37）
2022/10/7 6 2. 热释电器件的工作原理 设晶体的自发极化矢量为Ps，Ps的方向垂直于电容器的极板平面。 接收辐射的极板和另一极板的重迭面积为Ad。由此引起表面上的束 缚极化电荷为 Q = AdΔσ=AdPs (5-35) 若辐射引起的晶体温度变化为ΔT，则相应的束缚电荷变化为 ΔQ =Ad (ΔPs /ΔT)ΔT = Ad γΔT (5-36) 式中，γ = ΔPs /ΔT称为热释电系数，其单位为c/cm2 ∙K，是与材料本 身的特性有关的物理量，表示自发极化强度随温度的变化率。 若在晶体的两个相对的极板上敷上电极，在两极间接上负载RL， 则负载上就有电流通过。由于温度变化在负载上产生的电流可以 表示为 t T A t Q i s d d d d d = = (5-37)
式中，为热释电晶体的温度随时间的变化率，温度变化速率与材 料的吸收率和热容有关，吸收率大，热容小，则温度变化率大。 通常热释电器件的电极按照性能的不同要求做成如图516所 示的面电极和边电极两种结构。在图516(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。此外，由于辐射要通过电极层 才能到达晶体，所以电极对于待测的辐射波段必须透明。在图5 16(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2的边电极为宜
2022/10/7 7 式中，为热释电晶体的温度随时间的变化率，温度变化速率与材 料的吸收率和热容有关，吸收率大，热容小， 则温度变化率大。 通常热释电器件的电极按照性能的不同要求做成如图5-16所 示的面电极和边电极两种结构。在图5-16（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。此外，由于辐射要通过电极层 才能到达晶体，所以电极对于待测的辐射波段必须透明。在图5- 16（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
热释电器件产生的热释电电流在负载电阻R,上产生的电压为 -6-y4的 (5-38) 可见，热释电器件的电压响应正比于热释电系数和温度的变化速率 dTdt,而与晶体和入射辐射达到平衡的时间无关。 如果将热释电器件跨接到放大器的输入端，其等效电路为如 图51门所示。由等效电路可得热释电器件的等效负载电阻为 R R= (5=39) 1/R+ioC 1+ioRC 白4÷c0R,1R÷c (a)图形符号 (b)等效电路 2022/10/7 图5-17 热释电器件
2022/10/7 8 热释电器件产生的热释电电流在负载电阻RL上产生的电压为 d L d L d d R t T U i R A = = (5－38) 可见，热释电器件的电压响应正比于热释电系数和温度的变化速率 dT/dt，而与晶体和入射辐射达到平衡的时间无关。 如果将热释电器件跨接到放大器的输入端，其等效电路为如 图5-17所示。由等效电路可得热释电器件的等效负载电阻为 i RC R R i C RL + = + = 1 1 1 (5－39)
这里，R(∈RR)和C(C+C)分别为热释电器件和放大器的等效电 阻和等效电容。则R的模值为 R R= (5-40) 1+o2R2c22 对于热释电系数为入，电极面积为A的热释电器件，其在以调制频率 为ω的交变幅射照射下的温度可以表示为 T=ATei+T。+AT, (5-41D 式中，T,为环境温度，△T。表示热释电器件接收光辐射后的平均温 升，表示与时间相关的温度变化。于是热释电器件的温度变化率为 dT =ATei (5=42 输入到放大器的电压为 R 2022/10/7 U=y AAT. +oRCi (643)）
2022/10/7 9 这里，R(=Rs //RL )和C(=Cs +CL )分别为热释电器件和放大器的等效电 阻和等效电容。则RL的模值为 ( ) 1 2 2 2 2 1 R C R RL + = (5－40) 对于热释电系数为λ，电极面积为A的热释电器件，其在以调制频率 为ω的交变幅射照射下的温度可以表示为 0 0 j t T = T e +T +ΔT (5－41) 式中，T0为环境温度，ΔT0表示热释电器件接收光辐射后的平均温 升，表示与时间相关的温度变化。于是热释电器件的温度变化率为 j t e d d T t T = (5－42) ( ) j t R C R U A T e 1 Δ 1 2 2 2 2 d + = (5－43) 输入到放大器的电压为
由热平衡温度方程（参见5.1节）可知 0Φ A7=G0+o7 式中，，=G为热释电器件的热时间常数。 将(5一44)代入(5一43)式，可得输出电压的幅值为 aOYA R VlFG1+ory6+8 式中，。=RC为电路时间常数，R=R,∥R,C=C,十CL。T=CG为 热时间常数。。、的数量级为0.~0s左右。A为光敏面的面积 α为吸收系数，o为入射辐射的调制频率。 1.2热释电器件的灵敏度 根据光电器件灵敏度的定义，热释电器件的电压灵敏度S,为输出电 压的幅殖/与入射光功率之比，由式(5一45)可得电压灵敏度为
2022/10/7 10 由热平衡温度方程（参见5.1节）可知 ( ) 1 2 2 2 1 Δ G H T + = 式中，τH ＝H/G为热释电器件的热时间常数。 将(5－44)代入(5－43)式，可得输出电压的幅值为 ( ) P G A R U H d 1 2 2 1 2 2 2 e 2 (1+ ) 1+ = 式中，τ e ＝RC为电路时间常数，R =Rs∥RL，C=Cs＋CL。τT =CH /G为 热时间常数。τ e、τT的数量级为0.1～10s左右。Ad为光敏面的面积， α为吸收系数，ω为入射辐射的调制频率。 1.2 热释电器件的灵敏度 根据光电器件灵敏度的定义，热释电器件的电压灵敏度Sv为输出电 压的幅值U与入射光功率之比，由式(5－45)可得电压灵敏度为