《热电探测器》PPT课件

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1、第三章热电探测器件热电探测器件工作的物理过程如下:器件吸收入射辐射功率产生温升温升引起材料各种有赖于温度的参量的变化监测其中一种性能的变化，来探知辐射的存在和强弱与其它光电器件相比,热电探测器件具有下列特性:1.响应率与波长无关，光谱响应范围特别宽，属无选择性探测器；2.受热时间常数的制约,响应速度慢,为毫秒级；热电探测器件大致分为温差电型、热敏电阻型、气动型和热释电型四类。本章首先讨论热电探测器件的共同原理，然后再分别介绍以上各种具体器件。各种不同类型的热电探测器件的性能3.1基本原理对热电探测器件的分析，可分为两步：第一步是按系统的热力学特性来确定入射辐射所引

2、起的温升，这种分析对各种热电探测器件都适用；第二步是根据温升来确定具体探测器件输出信号的性能。在相同的入射辐射下，希望得到大的温升，就是说，探测器与外界的热耦合和热容以及调制频率等要小，这点是热电探测器件与普通的温度计的重要区别。二者虽然都有随温度变化的性能，但热电探测器件所需要的，不是要与外界有尽量好的热接触，必须达到热平衡，而是要与入射辐射有最佳的相互作用，同时又要尽量少的与外界发生热接触。时间常数：——热容，探测元每温升1K所需的热量，JK－1。G——热导，单位时间下降单位温度所散失的热量，JK－1S-1。τ的数量级约为几毫秒至几秒，这比光电器件的时间常数大

3、得多。因此，热电探测器件在某些应用领域中，所处的地位不如光电探测器件。但是，对系统中各种相互制约的因素进行综合考虑以后，这一缺点也许不那么严重。为使探测器的热容小，应尽量使探测器的结构小、重量轻，同时要兼顾结构强度。后面提到的热释电器件就是一种灵敏度高和机械强度好的热电探测器。热导G对于探测器灵敏度和时间常数的影响正好相反，G小，灵敏度高，但响应时间长。所以，在设计和选用热电探测器件时须采取折衷方案。另外G对探测极限也有影响。探测器与外界的热耦合，主要有辐射交换和热传导两种形式。其中，辐射交换的热导率最小。如果只考虑辐射交换，不计因支架和引线等引起的热传导时，热导

4、率的极限值可根据斯忒藩-波耳兹曼定律来估算。设当探测器与外界达到热平衡时，它所辐射的总通量为其中σ为斯忒藩-波耳兹曼常数，T为温度，探测器的灵敏面面积为A，发射率为η对上式两边进行微分，由辐射交换所产生的热导G为另外，根据统计计算，探测器与外界达到热平衡时，探测器的功率起伏均方根值为式中，k为波耳兹曼常数，G为热导；Δf为测试系统的频带宽度。实际上，就是探测器因温度起伏所产生的噪声。若式中的G取最小值，即G＝，并取Δf＝1Hz，则将是可能取值中最小的，即按最小可探测功率（NEP）的定义——输出端信噪比为1时，入射功率的有效值，有则此式表示了热电探测器件可能达到的最

5、佳性能。如果所有的入射辐射全为探测器所吸收，即η=1，则上式可变为式中，若假定A＝1；T＝290K；Δf＝1Hz，则此值可作为衡量实际探测器性能的比较基准。为了与习惯保持一致，通常也使用NEP的倒数，即探测率D作为探测器探测最小光信号能力的指标D=1/NEP对于探测器，D越大越好。由于探测器的NEP常与探测器的面积Ad和测量系统带宽Δf乘积的平方根成正比，比较各种探测器的性能时，需除去Ad和Δf差别的影响，因此用归一化参数表示，归一化的等效噪声功率和探测率如下3.2温差电偶温差电偶也叫热电偶，是最早出现的一种热电探测器件。其工作原理是温差电效应。例如，由两种不同的

6、导体材料构成的接点，在接点处可产生电动势。这个电动势的大小和方向与该接点处两种不同的导体材料的性质和两接点处的温差有关。如果把这两种不同的导体材料接成回路，当两个接头处温度不同时，回路中即产生电流。这种现象称为温差电效应或塞贝克效应。构成温差电偶的材料，既可以是金属，也可以是半导体。在结构上既可以是线、条状的实体，也可以是利用真空沉积技术或光刻技术制成的薄膜。实体型的温差电偶多用于测温，薄膜型的温差电堆（由许多个温差电偶串联而成）多用于测量辐射，例如，用来标定各类光源，测量各种辐射量，作为红外分光光度计或红外光谱仪的辐射接收元件等。温差电偶原理热电偶原理图示于右图

7、。温差电偶接收辐射一端称为热瑞，另一端称为冷端。为了提高吸收系数，在热端都装有涂黑的金箔。由半导体材料构成的温差电偶，热端接收辐射产生温升，半导体中载流子动能增加。从而，多数载流子要从热端向冷端扩散，结果P型材料热端带负电，冷端带正电；而N型材料情况正好相反。当冷端开路时，开路电压为式中，M为比例系数，称塞贝克常数，也称温差电势率，单位为V/℃；ΔT为温度增量。因G与材料性质和环境有关，所以为了使G较小，提高灵敏度，并使工作稳定，常把温差电偶或温差电堆放在真空的外壳里。温差电势形成的物理过程真空温差电偶的主要参量有：灵敏度（也叫响应率）R、响应时间常数τ、噪声等效

8、功率NEP