半导体光电检测器件及应用5.pptx
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1、工作原理: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: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: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。第1页/共50页热探测器件又称为无选择性探测器(对全波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)长有相同的响应率)特点:工作时不需要制冷,光谱响应无波长特点:工作时不需要制冷,光谱响应无波长选择性等。选择性等。分类:热敏电阻、热电偶检测器、热释电器分类:热敏电阻、热电偶检测器、热释电器件件第2页/共50页3 3对热电探测器的分析可分为两步:对热电探
2、测器的分析可分为两步:第第一一步步是是确确定定温温升升:按按系系统统的的热热力力学学特特性性来来确确定定入入射射辐辐射所引起的温度升高射所引起的温度升高T(共性)(共性);第第二二步步是是确确定定参参量量变变化化:根根据据温温升升来来确确定定具具体体探探测测器器输输出信号的性能出信号的性能(个性)(个性)。第第一一步步对对各各种种热热电电探探测测器器件件都都适适用用,而而第第二二步步则则随随具具体体器器件件而而异异。首首先先讨讨论论第第一一步步的的内内容容,第第二二步步在在讨论各种类型的探测器时再作分析。讨论各种类型的探测器时再作分析。第3页/共50页4 4两种主要的热电效应:两种主要的热电效
3、应: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)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电偶和热电堆热电偶和热电堆 热释电效应热释电效应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热释电探测器热释电探测器光吸收光吸收温度上升温度上升电学特性变化电学特性变化电参数输出电参数输出光热转换光热转换热电转换热电转换特点:特点:在宽广的波段有均匀的光谱响应在宽广
4、的波段有均匀的光谱响应响应速度慢响应速度慢第4页/共50页热探测器与前面讲述的各种光电器件相比具热探测器与前面讲述的各种光电器件相比具有下列特性:有下列特性:响应率与波长无关,属于无选择性探测器;响应率与波长无关,属于无选择性探测器;受热时间常数(热惯性)的制约,响应速受热时间常数(热惯性)的制约,响应速度比较慢;度比较慢;热探测器的探测率比光子探测器的峰值探热探测器的探测率比光子探测器的峰值探测率低;测率低;可在室温下工作。可在室温下工作。第5页/共50页半导体对光的吸收半导体对光的吸收本征和杂质吸收本征和杂质吸收产生光生载子产生光生载子晶格吸收、自由电子吸收晶格吸收、自由电子吸收不产生光生
5、载子不产生光生载子光电导率变化,光电导率变化,伴随少量的热伴随少量的热能产生能产生热能产生,温热能产生,温升造成电阻值升造成电阻值变化变化光敏电阻光敏电阻热敏电阻热敏电阻第6页/共50页7 7热敏电阻热敏电阻(Bolometer)第7页/共50页8 8u原原理理:吸吸收收辐辐射射,产产生生温温升升,从从而而引引起起材材料料电电阻的变化。阻的变化。u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。u共共同同点点:都都敏敏感感于于辐辐射射,光光谱谱响响应应基基本本上上与与入入射辐射的波长无关。射辐射的波长无关。吸收辐射吸收辐射温升温升-电阻变化电阻变化热敏电阻热敏电阻在电子
6、电路中的符号在电子电路中的符号 第8页/共50页1.1.温度系数温度系数温度系数温度系数a aT T 表示温度变化表示温度变化表示温度变化表示温度变化11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: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:一.一.工作原理和结构工作原理和结构式中,式中,R为环境温度为热力学温度为环境温度为热力学温度T时测得的实际阻值。时测得的实际阻值。正温度系数(正温度系数(PTC)的热敏电阻温度系数)的热敏电阻温度系数:负温度系数(负温度系数(NTC)的热敏电阻温度系数:)的热敏电阻温度系数:随温度随温度T变化很大,并变化很大,并与材料常数
7、与材料常数B成正比。成正比。第9页/共50页1010 由由由由热热热热敏敏敏敏材材材材料料料料制制制制成成成成的的的的厚厚厚厚度度度度为为为为0.01mm0.01mm左左左左右右右右的的的的薄薄薄薄片片片片电电电电阻阻阻阻粘粘粘粘合合合合在在在在导导导导热热热热能能能能力力力力高高高高的的的的绝绝绝绝缘缘缘缘衬衬衬衬底底底底上上上上,电电电电阻阻阻阻体体体体两两两两端端端端蒸蒸蒸蒸发发发发金金金金属属属属电电电电极极极极以以以以便便便便与外电路连接;与外电路连接;与外电路连接;与外电路连接;再再再再把把把把衬衬衬衬底底底底同同同同一一一一个个个个热热热热容容容容很很很很大大大大、导导导导热热热
8、热性性性性能能能能良良良良好好好好的的的的金金金金属属属属相相相相连连连连构构构构成成成成热热热热敏敏敏敏电电电电阻阻阻阻。(使使使使用用用用热热热热特特特特性性性性不不不不同同同同的的的的衬衬衬衬底底底底,可可可可使使使使探探探探测测测测器器器器的的的的时时时时间间间间常量由大约常量由大约常量由大约常量由大约1ms1ms变为变为变为变为50ms50ms)红红红红外外外外辐辐辐辐射射射射通通通通过过过过探探探探测测测测窗窗窗窗口口口口投投投投射射射射到到到到热热热热敏敏敏敏元元元元件件件件上上上上,引引引引起起起起元元元元件件件件的的的的电电电电阻阻阻阻变变变变化化化化。为为为为了了了了提提提
9、提高高高高热热热热敏敏敏敏元元元元件件件件接接接接收收收收辐辐辐辐射射射射的的的的能能能能力力力力(提提提提高高高高吸吸吸吸收收收收系系系系数),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黑化处理黑化处理。2.结构结构第10页/共50页(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:由金属材料构成的测辐射热计:一般金属的能带一般金属的能带结构外层无禁带,自由电子密度很大,以致外界光结构外层无禁带,自由电子密度很大,
10、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,增加是微不足道的。相反,因晶格振动的加剧妨碍因晶格振动的加剧妨碍了自由电子作定向运动了自由电子作定向运动,从而,从而电阻温度系数是正电阻温度系数是正的的.Positive Temperature Coefficient(PTC)thermistors 适宜材料有铂、铜、镍、铁等。分分 类类1 1、按原理分、按原理分第11页/共50页1212由由半半导导体体材材料料制制成成的的测测辐辐射射
11、热热计计:半半导导体体材材料料对对光光的的吸吸收收除除了了直直接接产产生生光光生生载载流流子子的的本本征征吸吸收收和和杂杂质质吸吸收收外外,还还有有不不直直接接产产生生载载流流子子的的晶晶格格吸吸收收和和自自由由电电子子吸吸收收等等,并并且且不不同同程程度度地地转转变变为为热热能能,引引起起晶晶格格振振动动的的加加剧剧,器器件件温温度度的的上上升升,即即器器件件的的电电阻阻值值发发生生变变化化。其其中中部部分分电电子子能能够够从从价价带带跃跃迁迁到到导导带带成成为为自自由由电电子子,使使电电阻阻减减小小,电电阻阻温温度度系系数数是是负负的的。又又因因为为各各种种波波长长的的辐辐射射都都能能被被
12、材材料料吸吸收收,只只是是吸吸收收不不同同波波长长的的辐辐射射,晶晶格格振振动动加加剧剧的的程程度度不不同同而而已已,对对温温升升都有贡献,所以它的光谱响应特性基本上与波长无关。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半半导导体体类类的的多多为为金金属属氧氧化化物物,例例如如氧氧化化锰锰、氧氧化化镍镍、氧氧化化钴等。钴等。第12页/共50页图图示示分分别别为为半半导导体
13、体和和金金属属(白白金)的温度特性曲线。金)的温度特性曲线。白白金金的的电电阻阻温温度度系系数数为为正正值值,大约为大约为0.37%左右;左右;半半导导体体材材料料热热敏敏电电阻阻的的温温度度系系数数为为负负值值,大大约约为为-3%-6%,约为白金的约为白金的10倍以上。倍以上。所所以以热热敏敏电电阻阻探探测测器器常常用用半半导导体体材材料料制制作作而而很很少少采采用用贵贵重重的的金属金属第13页/共50页1414 电阻温度系数多为电阻温度系数多为电阻温度系数多为电阻温度系数多为正正正正 电阻温度系数绝对值电阻温度系数绝对值电阻温度系数绝对值电阻温度系数绝对值小小小小 电电电电阻阻阻阻变变变变
14、化化化化与与与与温温温温度度度度变变变变化化化化的的的的关关关关系系系系基本上是基本上是基本上是基本上是线性的线性的线性的线性的 耐高温能力和稳定性较耐高温能力和稳定性较耐高温能力和稳定性较耐高温能力和稳定性较强强强强 多用于温度的模拟测量。多用于温度的模拟测量。多用于温度的模拟测量。多用于温度的模拟测量。金属材料金属材料的特点的特点电阻温度系数多为电阻温度系数多为负负电电阻阻温温度度系系数数绝绝对对值值大大,比比一一般般金金属属电电阻阻大大1010100100倍倍电电阻阻变变化化与与温温度度变变化化的的关关系基本上是系基本上是非线性非线性的的耐高温能力和稳定性较耐高温能力和稳定性较差差多多用
15、用于于辐辐射射探探测测。例例如如防防盗盗报报警警、防防火火系系统统、热热辐辐射体搜索和跟踪等。射体搜索和跟踪等。半导体材料的特点半导体材料的特点第14页/共50页1515(3)其它类型)其它类型 除除了了热热敏敏电电阻阻类类的的测测辐辐射射热热计计外外,还还有有超超导导测测辐辐射射热热计计、碳测辐射热计和锗测辐射热计。碳测辐射热计和锗测辐射热计。碳碳测测辐辐射射热热计计:已已用用于于极极远远红红外外波波段段的的光光谱谱测测量量。敏敏感感元元件件是是从从碳碳电电阻阻上上切切下下来来的的一一小小块块,致致冷冷到到2.1K时时,其其D*要要比比热热敏电阻测辐射热计高一个数量级。敏电阻测辐射热计高一个
16、数量级。锗锗测测辐辐射射热热计计:敏敏感感元元件件是是锗锗掺掺镓镓单单晶晶,致致冷冷到到2.1K时时,其其D*比比热热敏敏电电阻阻测测辐辐射射热热计计约约高高12个个数数量量级级,它它的的光光谱谱响响应应可延伸到可延伸到1000m以外以外。超超导导测测辐辐射射热热计计:它它利利用用了了金金属属或或半半导导体体由由正正常常态态向向超超导导态态过过渡渡时时,电电阻阻随随温温度度急急剧剧变变化化的的性性能能。电电阻阻温温度度系系数数可可达达5000。这这种种测测辐辐射射热热计计灵灵敏敏度度很很高高,可可用用以以精精密密测测量量很很弱弱的的辐辐射射如如红红外外辐辐射射和和激激光光的的功功率率。超超导导
17、材材料料多多为为铌铌、钽钽、铅铅或或锡锡的的氮氮化化物物。但但为为保保持持住住转转变变期期温温度度,所所需需制制冷冷量量很很大大,控制复杂,目前仅限于实验室。控制复杂,目前仅限于实验室。第15页/共50页16162 2、按使用范围分类、按使用范围分类1.1.通用型热敏电阻器通用型热敏电阻器特点:价格便宜,温度上限偏低,一般在特点:价格便宜,温度上限偏低,一般在100100度左右,例如圆片形度左右,例如圆片形2.2.热响应速度非常快的热敏电阻器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
18、细针尖里面使用或贴在薄膜上使用。直度传感器,一般装在细针尖里面使用或贴在薄膜上使用。直径非常小,达到了径非常小,达到了l mm l mm 以下,热时间常数约为普通热敏电以下,热时间常数约为普通热敏电阻器的阻器的10 10 分之一。分之一。3.3.高温型热敏电阻器高温型热敏电阻器特点:温度上限可扩展到特点:温度上限可扩展到500500度左右度左右4.微测辐射热计(微测辐射热计((Microbolometer))特点:主要用于红外辐射测量特点:主要用于红外辐射测量第16页/共50页1717热敏电阻应用范围家用电器(如空调机、微波炉、电风扇、电家用电器(如空调机、微波炉、电风扇、电取暖炉等)的温度控
19、制与温度检测取暖炉等)的温度控制与温度检测 办公自动办公自动化设备(如复印机、打印机等)的温度检测化设备(如复印机、打印机等)的温度检测或温度补偿。或温度补偿。工业、医疗、环保、气象、食工业、医疗、环保、气象、食品加工设备的温度控制与检验。品加工设备的温度控制与检验。仪表线圈、仪表线圈、集成电路、石英晶体振荡器和热电偶的温度集成电路、石英晶体振荡器和热电偶的温度补偿。热敏电阻特点补偿。热敏电阻特点 稳定性好、可靠性高。稳定性好、可靠性高。阻值范围宽:阻值范围宽:0.11000K 阻值精度高阻值精度高。第17页/共50页热敏电阻使用说明热敏电阻使用说明1.自身的发热进行补偿 2.温度特性的非线性
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