以下为常用的红外探测器材料。
红外探测器材料
用于制造红外探测器的材料,包括光敏元材料和衬底材料,还根据探测器光敏元材料有:氧化钒、热释电、铁电等热电材料和铟镓砷、碲镉汞等半导体材料。
- 英文名称
- infrared detector material
- 所属学科
- 光学工程
单晶材料是原子在三维宏观尺度的空间范围内有规律地排列成周期性空间点阵的一种固体材料。原子周期性排列结构的最小单元称为单胞,单胞一般为平行六面体,六面体的边为晶轴,晶轴长度和夹角为单胞的结构参量(分别用a、b、c、α、β、γ表示)。根据晶体的宏观对称性,布拉维(Bravais)于1849年首先推导出14种不同的空间点阵,并分为立方、四方、三方、六方、正交、单斜、三斜共7个晶系。其中立方晶系的对称性最高(a=b=c,α=β=γ=90°),三斜晶系的对称性最低 (a≠b≠c,α≠β≠γ≠90°)。
原子长程有序排列的结构意味着单晶材料具有对称性、均匀性、各向异性、内能小和稳定性好等特征,但由于熵增加效应的存在,因工艺状态的不均匀和波动导致的局部原子结构破缺也能稳定地存在于晶体材料中,使得晶体材料中总是或多或少地存在一些杂质、晶界、孪晶等晶体缺陷。自然界中的一些矿物,如绿宝石、石膏、长石等大尺寸晶体材料都是有晶体缺陷的材料,完全没有缺陷的单晶材料即使在实验室中也很难制备和生产。
随着生产和科学技术的发展,自然界的单晶材料早已不能满足人们的需要,各行各业都对单晶材料提出了大量需求,如传统的钟表业对红宝石提出了大量需求、机械加工业对金刚石提出了大量需求,现代电子和光电子行业的发展更是对半导体晶体材料提出巨大的需求,其中最具代表性的材料有Si、GaAs和HgCdTe等。
由众多单晶晶粒组成的物质称为多晶材料,晶粒尺寸的分布主要在平均尺寸附近,晶粒晶向之间的排列没有规则。就单晶晶粒而言,其内部呈周期性的点阵结构,在结构上具有各向异性的特性。组成多晶材料后,材料的宏观性能呈各向同性的特性。两者在电学和光学性质方面存在较大差异。
金属(如铜和铁等)大都为多晶材料,在半导体材料中,多晶硅是一种广泛使用的材料,主要用于制备太阳能电池。相对单晶材料而言,多晶材料的制备工艺相对比较简单,材料的生产成本也比较低。
电阻率介于金属和绝缘体之间的物质称为半导体或半导体材料,其电阻率大都落在1×10-3Ω·cm~1×1010Ω·cm之间。半导体有晶体、非晶体和有机体等多种形态,研究和应用最多的是晶体材料,其导电行为由价带中的空穴和导带中的电子的性能所决定,且会受到禁带宽度、缺陷密度及禁带中缺陷能级位置的影响。半导体材料的禁带宽度大都在6eV以下,用于光电器件的半导体材料,其禁带宽度一般与光子能量相当。常见的Si和GaAs等半导体材料的禁带宽度与可见光的光子能量相当,禁带宽度较大的材料有金刚石(5.5eV)和AlN(6.3eV),禁带宽度很小的材料是HgCdTe材料,在能量上相对应的光子落在红外波段。根据原子的元素属性,半导体材料可分为IV族材料、III-V族材料、II-VI族材料和IV-VI材料等,按组成元素的多少又可分为单元素半导体(如锗、硅等)和化合物半导体(如砷化镓、碲镉汞等)。
半导体材料的性能在受到光、电和磁场作用后会发生变化,做成器件后可用于电信号的处理以及光、电和磁信号的辐射和探测。电信号处理器件有整流器、放大器和集成电路(IC)等,用于辐射的器件有发光器(LED)和激光器(LASER)等,用于探测的有热敏器件、磁敏器件和光子器件。
化合物半导体是指两种或两种以上元素组成的半导体材料,具有确定的能带结构、禁带宽度等半导体性质,以晶体材料为主。砷化镓、锑化铟、碲化镉和硫化铅等为常用的二元化合物,按元素属性又分为III-V族、II-VI族和IV-VI族半导体等,常用AyB1-yC表示,其中y为材料的化学计量比。将多种元素替代二元化合物中单一的金属或非金属元素后,就形成了多元化合物,如铟镓砷、铟镓砷磷和碲镉汞等都是常用的多元化合物,(A11-xA2x)y(B11-zB2z)1-y为四元化合物的一般表达式,其中x和z为多元化合物的组分。因化合物半导体材料的化学计量比非常接近0.5,多元化合物也经常采用简化的表达式GaAs、InSb、Ga1-xInxAs、(Ga1-xInx)(As1-zPz)和Hg1-xCdxTe等来表示,但在研究材料性能时,化学计量比的偏离常常是不可忽略的一个因素。
在高纯(纯度大于等于7N)的半导体材料中掺入含量不超过主元素原子千分之一的其他原子后的半导体材料称为非本征半导体材料。掺杂可以改变材料的电学和光学性能,例如,通过N型掺杂可在禁带中靠近导带底的位置引入杂质能级,由其激发到导带中的电子将使得材料成为以电子导电为主的N型材料。N型或P型材料是各类器件制备的基础。同样,利用杂质能级和导带或价带之间的跃迁,可引入不同于禁带之间跃迁的光激发和光吸收效应。由于杂质能级一般都较小,跃迁所对应的光子波长将落在长波或甚长波波段,例如,利用施主型As原子在Si材料中的能级与导带之间的跃迁可实现红外或远红外探测,量子效率也可达到50%左右,跃迁的能级大小可通过改变掺杂原子的种类、掺杂浓度和工作温度进行调节,探测波长可一直延伸到30mm。利用杂质实现光电转换效应的材料也称为杂质光电导材料。
将两种不同元素或不同成分的材料通过界面原子相互作用的方式结合在一起,所形成的复合材料为异质结材料,界面及两边受影响的区域为异质结。常用的异质结材料为晶体材料,其晶体的原子结构在界面处仍按周期性排列的方式相连接。异质结两边材料一般具有不同的禁带宽度,但可以具有相同或不同的导电类型。异质结材料可以由不同元素的元素半导体或化合物构成,也可由不同组分的化合物半导体构成,后者也称为组分异质结材料。异质结材料的制备主要采用外延技术,气相外延在制备晶格失配的异质结材料上具有更好的适应性,晶格失配在10%以上时,通过增加缓冲层仍可制备出异质结材料。例如,要在Si材料上实现HgCdTe外延(晶格失配度达19%),需采用ZnTe/CdTe缓冲层。但是,随着晶格失配度的增加,外延材料的缺陷密度也将不断增大;当器件工作温度和材料制备温度差异较大时,还需考虑材料之间的热失配问题。
异质结可用于降低二极管的漏电流和提高器件的响应速度及光电转换效率,在集成电路、微波器件、激光器和光电探测器等应用领域具有广泛的应用。
超晶格材料是两种不同半导体材料在晶格周期性保持不变的条件下,以几个原子到几十个原子的薄层按双层或多层交替生长的多层膜材料。材料不同可以是种类不同,也可以是组分不同或掺杂种类和浓度不同,由此造成各层材料的带隙和能带之间出现不同的构形,这些构形分别用Ⅰ类超晶格、Ⅱ类超晶格和Ⅲ类超晶格来表示。
超晶格材料的制备技术主要是分子束外延技术,金属有机气相沉积技术也可用于制备超晶格材料,但材料的生长温度相对要高一点,这会对超晶格材料的界面产生一定的影响。由于不同薄层中的电子发生了相互作用,超晶格材料改变了原材料中电子和空穴在材料中的输运、产生和复合等性能,进而可获得不同于原材料性能的新材料。超晶格材料的设计和制备亦被称为能带工程,它为获得特定功能的新型材料提供了一条新的途径,大大拓展了半导体材料种类和性能。例如GaAs和GaAlAs都是宽禁带的半导体材料,但在它们构成的超晶格材料中,利用阱中子能级上电子向势垒的跃迁可实现对红外光的探测。超晶格材料的性能可通过调节材料的掺杂、超晶格层的厚度以及周期性的结构加以改变,这使得超晶格材料在制造工艺和应用中具有较好的适应能力。
衬底材料是指用于支撑薄膜的基底材料,其力学、热学和光电等性能需满足薄膜材料的制备和应用需求,单晶薄膜的衬底材料还要求具有相近的晶体结构和晶格常数,以保证外延材料在相变过程中有序成核,实现单晶生长。衬底材料的选择需要考虑诸多因素,针对外延工艺而言,衬底的晶体结构和晶格常数应当与外延材料相近和匹配,衬底表面晶向的选择以及与外延材料之间的热失配性能也很重要。对于化合物衬底材料,还存在材料表面极性的选择问题。外延材料作为电子器件应用时,衬底的导电性能极为重要;作为光电探测器件应用时,衬底的透光特性必须满足要求。此外,衬底的选择还需要考虑材料制备工艺和器件加工工艺的适应性。在相同晶体结构、相近晶格常数和同族系列材料上的外延称为同质外延,例如,在CdZnTe材料上进行的HgCdTe外延。而在其他衬底材料上的外延称为异质外延。
碲镉汞是由碲、镉和汞组成的三元化合物半导体材料,在元素的组成上,它是HgTe和CdTe按一定比例组成的膺二元固溶体材料,化学表达式为Hg1-xCdxTe,材料的晶体结构为闪锌矿结构,闪锌矿的两组元素分别由汞(或镉)原子和碲原子组成,1957年在英国发明并人工合成。由于HgTe是半金属材料,通过改变镉的含量(即组分),碲镉汞材料的禁带宽度可从负禁带到1.5eV连续可调,其禁带宽度所对应的光子波长可覆盖整个红外波段,因此自诞生之日起,它一直是制备红外探测器的优良材料。碲镉汞体材料的制备主要采用淬火再结晶法和熔区移动的碲溶剂生长法,外延材料的制备技术以液相外延、分子束外延和金属有机气相沉积法为主。碲镉汞材料常用In作为N型掺杂的原子,并用汞空位、占据Te位的As原子以及占据Hg位的Au原子或Cu原子作为形成P型材料的受主。除均匀材料外,碲镉汞材料还可制备成多层、掺杂和组分异质结构材料,用于降低器件的漏电流、实现单光子探测和多波段信号探测等先进红外探测器的制备。此外,碲镉汞材料也可在异质衬底上(如Si、Ge、GaAs和Al2O3)生长大面积材料,以满足超大规模碲镉汞红外焦平面探测器的需求。
锑化铟为ⅢA族元素In和ⅤA族元素Sb化合而成的半导体材料,其晶体材料为闪锌矿结构,晶格常数为6.479Å,属直接跃迁型能带结构,化学表达式为InSb。室温下禁带宽度为0.17eV,低温(80K)工作时的禁带宽度为0.233eV,对应的响应截止波长为5.3mm,正好适合3~5mm中波红外光辐射信号的探测。锑化铟材料可采用直拉法(Czochralski法)和各种外延技术生长,材料的位错密度可以做得很低,是一种非常好的红外探测器材料。和碲镉汞材料相比,锑化铟材料具有禁带宽度不可调节和陷阱(对某种载流子俘获能力较强的深能级缺陷)密度高的缺点,高密度陷阱导致InSb探测器的性能在高工作温度下明显不如碲镉汞探测器。
InGaAs是Ⅲ-Ⅴ族三元化合物半导体材料,晶体结构为闪锌矿点阵结构,具有直接跃迁型能带结构。材料的晶格常数随组分x的改变近似呈线性变化,相应的禁带宽度可以在InAs的0.35eV 到GaAs的1.43eV之间变化,对应的截止波长分别为3.5μm和0.87μm,是制备短波红外探测器的理想材料。
InGaAs材料通常采用分子束外延或MOCVD方法在InP或GaAs上生长,当InxGa1-xAs的In组分为0.53时,InGaAs与InP衬底材料在晶格上完全匹配,可以制备出高质量的In0.53Ga0.47As外延材料。用这种材料制成的探测器的截止波长约为1.7μm,覆盖了光纤通信常用的1.3μm和1.55μm两个波段,在光纤通信领域得到了广泛应用。通过增加In的组分,可使探测器的截止波长由1.7μm 延伸到了2.5μm,以扩展InxGa过1-xAs探测器的应用范围,由此引入的晶格失配问题需通引入合适的缓冲层结构(如In1-xAlxAs)来解决。
和HgCdTe红外探测器相比,InGaAs探测器的漏电流随温度增加而增加的幅度较小,在近室温的工作温度下,其性能明显优于HgCdTe探测器,加上III-V族材料具有缺陷密度低、均匀性好、工艺成熟度高和制造成本低等优势,InGaAs短波红外探测器在航空航天领域有着广泛的应用。
铟砷镓锑为铟、砷、镓和锑四元素构成的四元固溶体化合物,其晶体材料为闪锌矿结构,属直接跃迁型能带结构,化学表达式为InxGa1-xAs1-ySby。铟砷镓锑也可看成是由二元化合物GaAs、GaSb、InAs、InSb组成的四元化合物,金属原子Ga和In的总和等于非金属原子As和Sb的总和。In的加入使得该材料体系的禁带宽度变小,主要用于制备近红外波段(1.8μm~4.4μm)的激光器或探测器,激光器或探测器的波段可通过改变化合物的组分加以调节。如果将Al替代材料中的In,则材料体系的禁带宽度将增大,可用于短波段的蓝绿光发光器和激光器的制备。
铟砷镓锑四元化合物主要采用外延技术生长,常用的衬底为锑化镓(GaSb)、砷化铟(InAs)或磷化铟(InP)材料,液相外延和分子束外延或金属有机物气相外延是常用的材料生长技术,采用四元化合物体系可使材料禁带宽度、晶格常数等性能与衬底材料具有更好的适配性。
硫化铅是一种重要的窄禁带半导体材料,化学表达式为PbS,单晶材料的晶体结构由Pb原子和S原子面心立方结构套构而成(俗称NaCl结构),晶格常数为5.936Å,在高压下呈斜方晶系结构。该材料在室温下的禁带宽度约为0.4eV,对应于波长为3mm的光子能量,适合于制备光导型短波红外探测器,同时也可用于制备二极管激光器和太阳能电池等半导体元器件。自然界的硫化铅存在于方铅矿中。
用真空蒸发或化学淀积方法制成的硫化铅多晶薄膜是最早用来制备光导型红外探测器的材料之一。
硒化铅单晶是一种重要的窄禁带半导体材料,化学表达式为PbSe,材料的晶体结构为NaCl结构,晶格常数为6.124Å,高压下呈斜方晶系结构。硒化铅体材料主要采用布里奇曼法生长,该材料在室温下的禁带宽度约为0.28eV,对应于波长为4.4mm的光子能量,适合于制备光导型中波红外探测器,也可用于制备二极管激光器。通过加入碲原子和锡原子,可形成三元或四元化合物(Pb1-xSnxTe1-ySey),以调节材料的禁带宽度和晶格常数,满足材料外延工艺和器件应用的需求。
硅是最为常见的一种元素,极少以单质的形式在自然界出现,而是以硅酸盐或二氧化硅的形式广泛存在于岩石、砂砾和尘土之中。常用的硅材料有单晶、多晶和非晶等结构,单晶硅材料为金刚石结构,晶格常数为5.4307Å。非晶硅内部有许多没有和周围硅原子成键的电子,不需声子帮助即可实现带间跃迁。硅材料的化学性质稳定,又易于形成稳定的热氧化膜,利用掺杂技术可形成P型和N型导电的硅材料,材料的电阻率可在104~10-4Ω·cm范围内进行调控,能满足制造各种电子器件和光电子器件的需要,是应用最广的半导体材料。硅单晶材料大量用于整流器、放大器和集成电路以及从红外、可见光、紫外光直至X光的各类探测器的制造。多晶硅和非晶硅大量用于生产太阳能电池,非晶硅还可用于制备室温工作的热敏型红外焦平面探测器。另外,硅材料也被作为其他半导体材料的衬底在大量使用。但是,由于Si材料为间接带隙的能带结构,发光效率较低,在发光类器件中的应用受到了限制。
SixGe1-x合金是一种能够完全互溶的晶体材料,随着材料组分的变化,SixGe1-x合金的电学性能和力学性能都会发生变化。和Si和Ge的特性相比,Ge的掺入可降低Si材料的含氧量,提高材料的赛贝克系数,并可在短波红外波段形成吸收峰。特定组分的SixGe1-x合金具有较高的迁移率和热导率,可提高器件的高频特性、热电转换特性和近红外光吸收特性,降低器件的功耗和噪声。
SiGe的芯片工艺与CMOS工艺相兼容,SiGe-Bi CMOS工艺能把宽带宽、高增益、低噪声的异质结双结晶体管(HBT)与高密度的CMOS功能性逻辑阵列集成在一起,所实现的器件性能几乎与宽禁带Ⅲ-Ⅴ族器件的性能相当,这对于微电子技术的发展具有重要的意义。
Si-Ge合金也可在热电器件(太阳能电池)和光电子集成电路(OEIC)中应用,SiGe合金的本征跃迁发光波长落在1.3~1.55μm范围内,正好是短波红外和光纤通信的理想波长。和Si材料一样,间接带隙使得它也不能直接用做发光材料,但利用SiGe/Si应变超晶格的能带交叠效应, 可使SiGe变成直接带隙半导体材料。
GaAs/GaAlAs属Ⅰ类超晶格,在GaAs阱中形成的子能级与GaAlAs势垒之间的能级落差所对应的光子波长正好落在红外波段。通过光激发并在外电场的作用下可形成光电流,因此,该材料可用于制备光导型红外探测器,也称量子阱红外光电探测器(QWIP)。
GaAs阱中子能级的位置可通过阱的宽度来调节,阱和垒的宽度分别为几个和几十个纳米左右。由于量子阱中吸收光子后的电子是在同一导带内不同子能级(或子能带)之间发生跃迁,只有电矢量垂直于阱层面的入射光才能被吸收。为此,在探测器应用时需采用光电耦合技术改变入射光的方向。耦合模式有光栅耦合、随机反射耦合、波纹耦合和新型的光子晶体耦合等。在现有的QWIP探测器产品中,光栅耦合是最常用的方法。
基于Ⅲ-Ⅴ族半导体工艺和GaAs衬底的成熟性和经济性,GaAs/GaAlAs超晶格红外探测器在2000年前后曾获得快速发展。QWIP探测器的缺点是量子效率很低,这使得它的实际应用受到了很大限制。
InAs/GaSb超晶格属于Ⅱ类超晶格。超晶格使得InAs阱中电子能级展宽后形成类似导带的微带,同时也使得GaSb垒中的重空穴能级展宽后形成了类似价带的微带,两者之间形成了与红外光子能量相当的有效带隙,并可通过改变量子阱的宽度进行调整,以实现对不同波段红外辐射信号的探测。通过使用掺杂技术,InAs/GaSb超晶格材料可实现不同的导电类型,进而可用于制备光伏型器件。这些特点使得InAs/GaSb超晶格在材料性能上非常接近碲镉汞材料,正因如此,InAs/GaSb超晶格探测器的发展非常迅速。
InAs/GaSb超晶格的有效带隙可通过控制阱和垒的宽度来调节,阱和垒宽度都只有几个到几十个原子层,随着InAs层的增厚或GaSb层的减薄,材料的带隙随之减小。InAs/GaSb超晶格材料中微带之间的电子跃迁为带间跃迁,能直接吸收垂直入射光,量子效率理论上能做到50%以上。该材料及相应的红外探测器技术仍在发展之中。
氧化钒(VOx)是一种电阻温度系数(TCR)较高的金属氧化物材料,在室温下其电阻温度系数可高达2~5%,主要用于制备热敏型红外探测器,是在微测辐射热计红外焦平面中使用最为成功的材料之一。在焦平面中,作为热敏电阻的VOx为多晶薄膜材料,常用气相沉积技术制备,主要的制备方法有磁控溅射和离子束溅射,利用热处理技术可对该材料的性能进行改进。
氧化钒还具迅速和突然的相变特性,其相变温度为70℃左右,相变时间在飞秒量级,相变前后材料结构的变化将导致其对红外光由透射向反射的可逆转变,这一特性可被用于制备光开关、光调制器等特种光学器件。
热释电材料是一种具有自发极化特性的极性介电材料,属于介电材料中压电类材料之一。它是不具有对称中心的晶体,在某个方向上正负电荷的中心会出现不重合,进而在材料内形成固有的极化,即自发极化。在正常情况下,材料自发极化所产生的束缚电荷将被吸附在晶体表面上的自由电荷所屏蔽,当温度发生变化时,材料自发极化状态的改变将使得屏蔽受到破坏。由于材料的电阻率较高,自由电荷跟不上变化,结果导致材料的某个方向上产生瞬时电压,这一效应称为热释电效应。电压符号与材料升温或降温有关,材料热释电性能的强弱取决于极化强度随温度变化的比例系数,亦称为热释电系数。
具有热释电效应的材料约有上千种,获得广泛应用的主要有锆钛酸铅〔PZT:Pb(Zr1-xTix)O3〕、硫酸三甘肽〔TGS:(NH2CH2COOH)3H2SO4〕、钽酸锂(LiTaO3)、铌酸锶钡(SBN:Sr1-xBaxNb2O6)、钛酸锶钡(BST:BaxSr1-xTiO3)、钽酸铅钪〔PST:Pb(Sc0.5Ta0.5)O3〕、锆钛酸铅镧〔PLZT:(Pb,La)(Zr,Ti)O3〕、透明陶瓷和聚合物薄膜(PVF2)等,表(*为铁电材料)给出了常用热释电材料的基本参数。热释电材料可用作红外探测器件中的热敏材料,工作时不需要用低温冷却,成本相对较低,但灵敏度和响应速率比半导体光子器件要低,在工业、航空、航天遥感和国防领域中具有广泛的应用。
类型 | 材料 | 热释电系数 p〔mC/(m2·K)〕 | 相对介电常数 er | 耗散因子 tand | 比热容 cp〔106J/(m3·K)〕 | 居里温度 Tc(℃) |
单晶 | 硫酸三甘肽(TGS) | 280 | 38 | 0.01 | 2.3 | 49 |
钽酸锂*(LiTaO3) | 230 | 47 | <0.01 | 3.2 | 620 | |
铌酸锶钡*(SBN-50) | 550 | 400 | 0.003 | 2.34 | 121 | |
(Pb, Ba)5Ge3O11 | 320 | 81 | 0.001 | 2.0 | 70 | |
陶瓷 | 锆钛酸铅*(PZT) | 380 | 290 | 0.003 | 2.5 | 230 |
钛酸铅(PbTiO3) | 180 | 180 | 0.01 | 3.0 | 490 | |
钛酸锶钡(BST) | 7000 | 2000~8000 | 0.004 | 2.55 | 25 | |
锆钛酸铅*(PbZrTiO3) | 380 | 290 | 0.003 | 2.5 | 230 | |
钽酸铅钪(PST) | 3000~6000 | 最高15000 | 0.005 | 2.7 | 25 | |
聚合物 | 聚偏二氟乙烯* PVDF/TrFE 50/50 | 40 | 18 | 0.03 | 2.3 | 49 |
聚偏二氟乙烯*PVDF/TrFE 80/20 | 31 | 7 | 0.015 | 2.3 | 135 |
铁电材料是热释电材料中的一类。其特点是不仅具有自发极化,而且在一定温度范围内,自发极化偶极矩能随外加电场的方向而改变。铁电晶体由许多小区域的电畴组成,在每个电畴内,极化呈单一方向,而相邻电畴的极化方向则不相同。从宏观来看,整个晶体呈非极化的特性。当铁电材料超过某一特定温度时,材料中的铁电相会转变为顺电相,材料的自发极化将消失,这一温度称为居里点(Curie point)。典型的铁电材料有钛酸钡(BaTiO3)、钽酸锂(LiTaO3)、铌酸锶钡(Sr1-xBaxNb2O6)、锆钛酸铅〔Pb(Zr0.96Ti0.04)O3〕、磷酸二氢钾(KH2PO4)及有机铁电材料聚偏二氟乙烯(polyvinylidenedifluoride)等。在材料结构上,铁电材料可分为钙钛矿型、铌酸锂型、钨青铜型、KDP型、TGS型和罗盐型等。许多铁电材料具有较好的压电性、热释电性、高介电常数以及电光转换特性,广泛用于制造各类压敏、气敏传感器和光电传感器(包括红外探测器),并在信息存储、图像显示和全息照像中的编页器中获得应用。
由于研制集成铁电器件的需要,铁电材料要做得很薄,即形成铁电薄膜,一般在几十到几百纳米。铁电薄膜可以用于制备高密度随机存储器、非制冷红外探测焦平面等器件,是研究热点方向之一。
弛豫铁电材料是一种没有确定居里点的铁电材料。材料从铁电相到顺电相的变化是一个渐变的过程,介电常数随温度的变化呈现出一个相对平缓的峰,最大值所对应的温度Tm为材料的特征温度,Tm随电场角频率的增加而增加。弛豫铁电体一般具有优良的铁电、压电、介电、机电耦合和热释电性能,介电常数极高,电致伸缩系数大且无滞后,因而在电容器、电致伸缩器件、光电开关、光电储存和红外探测器等方面具有广泛的应用。典型的弛豫铁电体有PZT〔Pb(Zr0.96Ti0.04)O3〕、PMN〔Pb(Mg1/3Nb2/3)O3〕、PST〔Pb(Sc1/2Ta1/2)O3〕和PMNT〔Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3〕等。
热敏电阻是敏感元件的一类,其性能可用电阻温度系数(TCR)来衡量。按照温度系数的不同,热敏电阻分为正温度系数热敏电阻(PTC)和负温度系数热敏电阻(NTC),金属、半导体和氧化物材料均可具有热敏电阻特性。利用n型硅材料和钛酸钡材料可制备高精度的PTC热敏电阻,利用锰、铜、硅、钴、铁、镍、锌等两种或两种以上的金属氧化物获得的半导体陶瓷可制成NTC热敏电阻。由于不同材料最佳的热敏电阻特性会出现在不同的温度范围,应用时需根据测量温度选择合适材料。当材料温度的变化由红外辐射引起时,热敏电阻就成为红外探测器。对所处环境温度和红外辐射信号的测量是热敏电阻的两大应用领域。