第三章热电探测器件1

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1、光电检测技术第一章光电检测技术基础第二章光电检测器件第三章热电检测器件光辐射检测器件一览表（光子检测器件）（光电发射检测器件）2物理过程是: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。这一过程比较慢，一般的响应时间多为毫秒级。另外，热电探测器件是利用热敏材料吸收入射辐射的总功率产生温升来工作的，而不是利用某一部分光子的能量，所以各种波长的辐射对于响应都有贡献。因此，热电探测器件的突出特点是，光谱响应范围特别宽，从紫外到红外几乎都有相同的响应，光谱特性曲线近似为一条平线。第三章热电探测器件热

2、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。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。§3-1热电探测器件的基本原理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，

3、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。热电探测器件的时间常数定义为：τ=CQRQCQ：热容，RQ：热阻。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得多。因此，热电探测器件在频率响应等方面，不如光电探测器件。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。热阻RQ对于探测器灵敏度和时间常数的影响：RQ大，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。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，辐射交换的热阻最大。根据统计计算，探测器与外界达到热平衡时，探测器的

4、功率起伏均方根值为：ΔWT＝(4kT2GΔf）1/2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，ΔWT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＝GQ=1/RQ,则ΔWT将是可能取值中最小的，即为NEP：NEP＝(4kT2GQΔf）1/2（一般为l0-11W量级）§3-2热电偶与热电堆热电偶也叫温差电偶，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

5、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，薄膜型的热电堆（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。温差电偶的原理性结构图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

6、。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：温差电偶的组成Uoc=MΔT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。温差电偶的响应率为：R＝UL/ΦUL：冷端负载上所产生的电压降。Φ：入射于探测器的辐射通量温差电偶的灵敏度（响应率）要使温差电偶的响应率高，应选用温差电势大的材料，并增大吸收系数。同时，内阻要小，热导也要小。在交变情况下，调制频率低时比调制频率高时的响应率高。减小调制频率ω和减小时间常数τT都有利于提高响应率，可是ω与τT是矛盾的，所以

7、响应率与带宽之积为一常数的结论，对于温差电偶也成立。时间常数多为毫秒量级，带宽较窄。多用于测量恒定的辐射或低频辐射。§3-3热敏电阻主要区别是，金属的热敏电阻，电阻温度系数多为正的，绝对值比半导体的小，它的电阻与温度的关系基本上是线性的，耐高温能力较强。而半导体的热敏电阻，电阻温度系数多为负的，绝对值比金属的大十多倍，它的电阻与温度的关系是非线性的，耐高温能力较差。热敏电阻是由电阻温度系数大的导体材料制成的电阻元件，也称它为测辐射热计。热敏电阻有金属的和半导体的两种。制作热敏电阻灵敏面的材料，金属的多为金、镍、铋等薄膜；半导体的多为金属氧化物，例如氧化锰、氧化镍

8、、氧化钴等。热敏电阻的结