第四章热电器件课件.ppt

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1、第四章第四章 热电检测器件热电检测器件第一节 热电检测器件的基本原理热电检测器件的基本原理第二节第二节 热电偶与热电堆热电偶与热电堆第三节第三节 热敏电阻热敏电阻第四节第四节 热释电探测器件热释电探测器件本章主要介绍热辐射探测器件的本章主要介绍热辐射探测器件的热辐射探测器件热辐射探测器件为基于光辐射与物质相互为基于光辐射与物质相互作用的作用的热效应热效应而制成的器件。由于它具有而制成的器件。由于它具有工作时不需要制冷，光谱响应无波长选择工作时不需要制冷，光谱响应无波长选择性等突出特点，性等突出特点，使它的应用已进入某些被使它的应用已进入某些被光子探测器独占的应用领域和光子探测器光子探测器独占的

2、应用领域和光子探测器无法实现的应用领域。无法实现的应用领域。工作原理、工作原理、基本特性基本特性普遍规律普遍规律工作原理、工作原理、基本特性基本特性典型热电器件典型热电器件第一节 热电检测器件的基本原理热电检测器件的基本原理一、热电检测器件的共性一、热电检测器件的共性热电传感器件是将入射到器件上的热电传感器件是将入射到器件上的辐射能转辐射能转换成热能换成热能，然后再把，然后再把热能转换成电能热能转换成电能的器的器件。输出信号的形成过程包括件。输出信号的形成过程包括两个阶段两个阶段：第一阶段为将第一阶段为将辐射能转换成热能辐射能转换成热能的阶段的阶段（入射辐射引起温升的阶段），（入射辐射引起温升

3、的阶段），是共性的是共性的，具有普遍的意义。具有普遍的意义。第二阶段是将第二阶段是将热能转换成各种形式的电能热能转换成各种形式的电能（各种电信号的输出）阶段，是（各种电信号的输出）阶段，是个性阶段个性阶段 1.温度变化方程温度变化方程 热电器件在未受到辐射作用的情况下，器热电器件在未受到辐射作用的情况下，器件与环境温度处于平衡状态，其温度为件与环境温度处于平衡状态，其温度为T0。当辐射功率为当辐射功率为We的热辐射入射到器件表面的热辐射入射到器件表面时，时，令表面的吸收系数为令表面的吸收系数为，则器件吸收的热辐射功率为则器件吸收的热辐射功率为We ；其中一部其中一部分使分使器件的温度升高器件的

4、温度升高，另一部分另一部分补偿器件补偿器件与环境的热交换所损失与环境的热交换所损失的能量。设的能量。设单位时单位时间器件间器件的内能（即功率）增量为的内能（即功率）增量为Wi ，则，则有有 （1 1）CQ 称为热容（表示单位温度下的热功率）称为热容（表示单位温度下的热功率）上式表明：上式表明：内能的增量内能的增量为温度变化的函数。为温度变化的函数。热交换能量的方式有三种：传导、辐热交换能量的方式有三种：传导、辐射和对流射和对流。设单位时间通过。设单位时间通过传导传导损失损失的能量的能量式中式中GQ为器件与环境的热传导系数，为器件与环境的热传导系数，GQ表示单位温度下的由熱导损失的功率。表示单位

5、温度下的由熱导损失的功率。由能量守恒原理，由能量守恒原理，器件吸收的器件吸收的辐射辐射功率功率应等于器件应等于器件内能内能的增量与的增量与热交换热交换能量能量之和之和。即。即设入射正弦辐射能量为设入射正弦辐射能量为 则则 (2)若选取刚开始辐射器件的时间为初始若选取刚开始辐射器件的时间为初始时间，则此时器件与环境处于热平衡时间，则此时器件与环境处于热平衡状态，即状态，即t=0,T=0。将初始条件代入。将初始条件代入微分方程微分方程(2)，解此方程，得到热传导，解此方程，得到热传导方程为方程为 (3)设设 为热敏器件的为热敏器件的热时间常数热时间常数，称为称为热阻热阻 热敏器件的热敏器件的热时间

6、常数一般为毫热时间常数一般为毫秒至秒的数量级秒至秒的数量级，它与器件的，它与器件的大小大小、形状形状、颜色颜色等参数有关。等参数有关。当时间当时间 t T时，时，(3)式中的第一项衰式中的第一项衰减到可以忽略的程度，减到可以忽略的程度，温度的变化温度的变化上式的实部为正弦变化的函数。其幅值为上式的实部为正弦变化的函数。其幅值为 (4)可见，可见，热敏器件吸收交变辐射能所引起的热敏器件吸收交变辐射能所引起的温升与吸收系数成正比。温升与吸收系数成正比。因此，几乎所有因此，几乎所有的热敏器件都被的热敏器件都被涂黑涂黑。另外，它又与工作。另外，它又与工作频率频率有关，有关，增高，其温升下降，在低增高，

7、其温升下降，在低频时（频时（T 1），），它与热导它与热导GQ成反比，成反比，(4)式可写为式可写为 可见，减小热导是增高温升、提高灵敏度可见，减小热导是增高温升、提高灵敏度的好方法，但是的好方法，但是热导与热时间常数成反比热导与热时间常数成反比，提高温升将使器件的惯性增大，时间响应提高温升将使器件的惯性增大，时间响应变坏。变坏。(4)式中，式中，当频率很高（或器件当频率很高（或器件的惯性很大）时的惯性很大）时，T 1，(4)式式可近似为可近似为结果，结果，温升与热导无关，而与热容成反温升与热导无关，而与热容成反比，比，且随频率的增高而衰减。且随频率的增高而衰减。当当=0=0时，由时，由(3)

8、式，得式，得 由初始零值开始随时间由初始零值开始随时间 t 增加，当增加，当t时，时，T 达到稳定值达到稳定值(=W0/GQ);当当 t=T时，上时，上升到稳定值的升到稳定值的63%。故故T被称为器件的热时被称为器件的热时间常数。间常数。二、二、热电器件的最小可探测功率热电器件的最小可探测功率 根据根据斯忒番斯忒番-玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律，若器件的，若器件的温度为温度为T，接收面积为，接收面积为A，当它与环境处于热平衡时，当它与环境处于热平衡时，单位时间所辐单位时间所辐射的能量为射的能量为 由热导的定义由热导的定义经证明，当热敏器件与环境温度处于经证明，当热敏器件与环境温度处于平衡时，在频带

9、宽度内，热敏器件的平衡时，在频带宽度内，热敏器件的温度起伏均方根值（即温度起伏均方根值（即温度噪声温度噪声）为）为 （5 5）即即(4-14)考虑（考虑（4 4）、（）、（5 5）式（即书上的）式（即书上的(4-7)、(4-14)式），可求热敏器件仅受温度影式），可求热敏器件仅受温度影响的响的最小可探测功率最小可探测功率 或温度等效功率或温度等效功率此式书上有误。此式书上有误。由由上上式式，很很容容易易得得到到热热敏敏器器件件的的比比探探测率测率 为为只与探测器的温度、吸收系数有关。只与探测器的温度、吸收系数有关。第二节第二节 热电偶与热电堆热电偶与热电堆 热电偶虽然是热电偶虽然是发明于发明于

10、1826年年的古的古老老红外探测红外探测器件，然而至今仍在光谱、器件，然而至今仍在光谱、光度探测仪器中得到广泛的应用。尤光度探测仪器中得到广泛的应用。尤其其在高、低温的温度探测在高、低温的温度探测领域的应用领域的应用是其他探测器件无法取代的。是其他探测器件无法取代的。一、热电偶的结构及工作原理一、热电偶的结构及工作原理 热电偶是利用物质热电偶是利用物质温差产生电动温差产生电动势的效应探测入射辐射的势的效应探测入射辐射的。如图如图5-6所示为辐射式温差热电所示为辐射式温差热电偶的原理图。两种材料的金属偶的原理图。两种材料的金属A和和B组成的一个回路。组成的一个回路。若两金属连接点的若两金属连接点

11、的温度存在着差异温度存在着差异（一端高而另一端低），则在回路中会有（一端高而另一端低），则在回路中会有如图如图5-6（a）所示的电流产生。）所示的电流产生。即由于温度差而产生的电位差即由于温度差而产生的电位差E。回路电。回路电流流 I=E/R其中其中R称为回路电阻。称为回路电阻。这一现象称为这一现象称为温差热电效应温差热电效应（也称为塞贝（也称为塞贝克热电效应）克热电效应）(Seebeck Effect)(Seebeck Effect)。测量辐射能的热电偶称为辐射热电偶，测量辐射能的热电偶称为辐射热电偶，它它与测温热电偶的与测温热电偶的原理相同原理相同，结构不同。如，结构不同。如图图5-6（b

12、）所示，辐射热电偶的）所示，辐射热电偶的热端接收热端接收入射辐射入射辐射，因此在热端装有一块，因此在热端装有一块涂黑的金涂黑的金箔箔，当入射，当入射辐射能量辐射能量 We 被金箔吸收后，被金箔吸收后，金箔的温度升高，形成热端，金箔的温度升高，形成热端，产生温差电产生温差电势，势，在回路中将有电流流过。图在回路中将有电流流过。图5-6（b）用检流计用检流计G可检测出可检测出电流为电流为I。显然，图中。显然，图中结结J1为热端，为热端，J2为冷端。为冷端。由于入射辐射引起的温升由于入射辐射引起的温升T很小，因此对很小，因此对热电偶材料要求很高热电偶材料要求很高，结构也非常严格和，结构也非常严格和复

13、杂，复杂，成本昂贵成本昂贵。图图5-7所示为所示为半导体辐射热电偶半导体辐射热电偶的结构示意图。的结构示意图。图中用涂黑的金箔将图中用涂黑的金箔将N型半导体材料和型半导体材料和P型型半导体材料连在一起构成热结，半导体材料连在一起构成热结，另一端另一端（冷端）将产生温差电势（冷端）将产生温差电势，P型半导体的型半导体的冷端带正电，冷端带正电，N型半导体的冷端带负电。型半导体的冷端带负电。开路电压开路电压UOC与入射辐射使金箔产与入射辐射使金箔产生的温升生的温升T的关系为的关系为 UOC=M12T (6)式中，式中，M12为塞贝克常数，又称温差为塞贝克常数，又称温差电势率（电势率（V/）。）。辐辐

14、射射热热电电偶偶在在恒恒定定辐辐射射作作用用下下，用用负负载载电电阻阻RL将将其其构构成成回回路路，将将有有电电流流I流流过过负负载载电电阻阻，并并产产生生电电压压降降UL，则则 (7)(7)式中，式中，W0为入射辐射能量（为入射辐射能量（W）；）；为金箔的吸收系数；为金箔的吸收系数；Ri为热电偶的内阻；为热电偶的内阻；M12为热电偶的温差电势率；为热电偶的温差电势率；G为总热导（为总热导（W/m）。若入射辐射为交流辐射信号若入射辐射为交流辐射信号 则产生的交流信号电压为则产生的交流信号电压为 (8)式中，式中，=2f，f 为交流辐射的调制频率，为交流辐射的调制频率，T为热电偶的时间常数，为热

15、电偶的时间常数，其中的其中的RQ、CQ、G分别为热电偶的热阻、分别为热电偶的热阻、热容和热导。热容和热导。热导热导G与与材料的性质材料的性质及及周围环境周围环境有关，为使有关，为使热电导稳定，热电导稳定，常将热电偶常将热电偶封装在真空管封装在真空管中，中，因此，通常称其为因此，通常称其为真空热电偶真空热电偶。二、热电偶的基本特性参数二、热电偶的基本特性参数真空热电偶的基本特性参数为：真空热电偶的基本特性参数为：灵敏度灵敏度S、比探测率比探测率D*、响应时间响应时间和小可和小可探测功率探测功率NEPNEP等参数。等参数。1.灵敏度灵敏度S(响应度）响应度）在直流辐射作用下，热电偶的灵敏度在直流辐

16、射作用下，热电偶的灵敏度S0为为 (4-22)在交流辐射信号作用下，热电偶的灵敏度在交流辐射信号作用下，热电偶的灵敏度S为为 (4-23)由由 (4-22)式可见，在直流辐射下，式可见，在直流辐射下，提高热提高热电偶的响应率最有效的办法：电偶的响应率最有效的办法：选用选用塞贝克系数塞贝克系数M12较大较大的材料，的材料，增加增加辐射的吸收率辐射的吸收率，减小内阻减小内阻Ri，减小减小热导热导G等等,但但T=CQ/G变大变大。由由(4-23)式可见，在交流辐射信号的作式可见，在交流辐射信号的作用下，用下，提高热电偶交流响应率最有效提高热电偶交流响应率最有效的办法：的办法：降低工作频率降低工作频率

17、，减小减小时间常数时间常数T。但是，热电偶的但是，热电偶的响应率响应率与与时间常数时间常数是一对是一对矛盾矛盾（尤其是（尤其是在在直流辐射或低直流辐射或低频时频时），应用时只能兼顾。，应用时只能兼顾。2.响应时间响应时间 热电偶的响应时间约为热电偶的响应时间约为几毫秒到几十几毫秒到几十毫秒左右，比较大毫秒左右，比较大，在，在BeO衬底上制造衬底上制造Bi-Ag结热电偶有望得到更快的时间响应，结热电偶有望得到更快的时间响应，响响应时间可达到或小于应时间可达到或小于10-7s。3.最小可探测功率最小可探测功率Pmin（或（或NEP）取决于探测器的噪声取决于探测器的噪声，主要有，主要有热噪声热噪声和

18、温度噪声，和温度噪声，电流噪声几乎被忽略。半导电流噪声几乎被忽略。半导体热电偶的体热电偶的 NEP 10-11W 左右。左右。三、热电堆探测器三、热电堆探测器为了为了减小热电偶的减小热电偶的响应时间响应时间提高灵敏度，常把提高灵敏度，常把辐射接收面分为若辐射接收面分为若干块，每块都接一干块，每块都接一个个热电偶，并把它热电偶，并把它们串联们串联（热容变小）。（热容变小）。1.热电堆的灵敏度热电堆的灵敏度St式中，式中，n为热电堆中热电偶的对数（或为热电堆中热电偶的对数（或PN结结的个数），的个数），S为热电偶的灵敏度为热电偶的灵敏度。热电堆的响应时间常数为热电堆的响应时间常数为式中,为热电堆的

19、热容量，为热电堆的热容量，为热电堆的热阻抗。为热电堆的热阻抗。从上二式可看出：若使高速化和提从上二式可看出：若使高速化和提高灵敏度两者并存，就要在高灵敏度两者并存，就要在不改变不改变 的情况下的情况下减小热容减小热容。热阻抗。热阻抗由导热通路的长和热电堆以及膜片由导热通路的长和热电堆以及膜片的剖面面积比决定。的剖面面积比决定。四、使用热电偶的注意事项四、使用热电偶的注意事项（1）不许强辐射不许强辐射照射，照射，max几十微瓦几十微瓦（2）电流电流100A，一般在一般在1A以下，以下，不不要用万用表要用万用表来检查来检查热电偶的好坏。热电偶的好坏。（3）保存时将两端短路保存时将两端短路，并防强烈

20、振动，并防强烈振动（4）防止感应电流防止感应电流，尤其是电火花。，尤其是电火花。（5）使用的环境温度）使用的环境温度不要超过不要超过60 。第三节第三节 热敏电阻热敏电阻一、热敏电阻及其特点一、热敏电阻及其特点凡吸收入射辐射后引起凡吸收入射辐射后引起温升而使电阻改变温升而使电阻改变，导致负，导致负载电阻载电阻两端电压的变化两端电压的变化，并给出电信号的器件叫并给出电信号的器件叫做热敏电阻。做热敏电阻。相对于一般的金属电阻，相对于一般的金属电阻，热敏电阻具备特点热敏电阻具备特点：热敏电阻的温度系数大，灵敏度高，热敏电阻的温度系数大，灵敏度高，热敏电阻的热敏电阻的温度系数常比一般金属电阻大温度系数

21、常比一般金属电阻大10100倍。倍。结构简单，体积小结构简单，体积小，可以测量近似几何点，可以测量近似几何点的温度。的温度。电阻率高，热惯性小电阻率高，热惯性小，适宜做动态测量。，适宜做动态测量。阻值与温度阻值与温度的变化关系呈的变化关系呈非线性非线性。不足之处是不足之处是稳定性和互换性较差稳定性和互换性较差。大部分半导体热敏电阻由各种氧化物按一定大部分半导体热敏电阻由各种氧化物按一定比例混合，经高温烧结而成。比例混合，经高温烧结而成。多数热敏电多数热敏电阻具有负的温度系数，阻具有负的温度系数，即当温度升高时，即当温度升高时，其电阻值下降，同时其电阻值下降，同时灵敏度也下降。灵敏度也下降。由于

22、这个原因，限制了它在高温情况下的使由于这个原因，限制了它在高温情况下的使用。用。二、二、热敏电阻的原理、结构及材料热敏电阻的原理、结构及材料 半导体材料半导体材料对光的吸收对光的吸收除了直接产生光除了直接产生光生载流子的生载流子的本征吸收和杂质吸收本征吸收和杂质吸收外，还有外，还有不直接产生载流子的不直接产生载流子的晶格吸收和自由电子晶格吸收和自由电子吸收吸收等，并且不同程度地等，并且不同程度地转变为热能，转变为热能，引引起晶格振动的加剧，起晶格振动的加剧，器件温度的上升器件温度的上升，即，即器件的器件的电阻值发生变化。电阻值发生变化。热敏电阻的特点：热敏电阻的特点：由于热敏电阻的晶格吸收，对

23、由于热敏电阻的晶格吸收，对任任何能量的辐射何能量的辐射都可以使晶格振动加剧，都可以使晶格振动加剧，只是吸收不同波长的辐射，晶格振动只是吸收不同波长的辐射，晶格振动加剧的程度不同而已，因此，加剧的程度不同而已，因此，热敏电热敏电阻无选择性地吸收各种波长的辐射阻无选择性地吸收各种波长的辐射，可以说它是一种可以说它是一种无选择性的光敏电阻。无选择性的光敏电阻。具有正温度系数的具有正温度系数的金属材料金属材料热敏电阻：热敏电阻：一般一般金属金属的能带结构外层的能带结构外层无禁带，自无禁带，自由电子密度很大由电子密度很大，以致外界光作用引起的，以致外界光作用引起的自由电子自由电子密度相对变化密度相对变化

24、较半导体而言可忽较半导体而言可忽略略不计不计。相反，。相反，吸收光吸收光以后，使晶格以后，使晶格振动振动加剧加剧，妨碍妨碍了自由电子作了自由电子作定向运动。定向运动。因此，因此，当光作用于金属元件使其当光作用于金属元件使其温度升高温度升高，其，其电电阻值还略有增加，阻值还略有增加，即由金属材料组成的热即由金属材料组成的热敏电阻具有敏电阻具有正温度系数正温度系数。具有负温度特性的半导体材料热敏电阻：具有负温度特性的半导体材料热敏电阻：图图5-1分别为半导体和金属材料（白金）分别为半导体和金属材料（白金）的温度特性曲线。的温度特性曲线。白金的电阻温度系数为白金的电阻温度系数为正值，大约为正值，大约

25、为0.37%左右；将金属氧化物左右；将金属氧化物（如铜的氧化物，锰（如铜的氧化物，锰-镍镍-钴的氧化物）的钴的氧化物）的粉末用黏合剂黏合后，涂敷在瓷管或玻璃粉末用黏合剂黏合后，涂敷在瓷管或玻璃上烘干，即构成半导体材料的热敏电阻，上烘干，即构成半导体材料的热敏电阻，其其温度系数温度系数为负值为负值，大约为，大约为-3%-6%，约为白金的约为白金的1010倍以上倍以上。所以。所以热敏电阻探测器热敏电阻探测器常用半导体材料制作常用半导体材料制作而很少采用贵重的金而很少采用贵重的金属。由热敏材料制成的厚度为属。由热敏材料制成的厚度为0.01mm左右左右的薄片电阻（因为在相同的入射辐射下得的薄片电阻（因

26、为在相同的入射辐射下得到到较大的温升）较大的温升）粘合在粘合在导热能力高导热能力高的绝缘的绝缘衬底上，电阻体两端蒸发金属电极以便与衬底上，电阻体两端蒸发金属电极以便与外电路连接，再把衬底同一个外电路连接，再把衬底同一个热容很大热容很大、导热性能良好导热性能良好的金属相连的金属相连构成热敏电阻构成热敏电阻。红外辐射通过探测窗口投射到热敏元件上，红外辐射通过探测窗口投射到热敏元件上，引起元件的电阻变化。引起元件的电阻变化。为了为了提高热敏元件接收辐射的能力提高热敏元件接收辐射的能力，常将，常将热敏元件的表面进行热敏元件的表面进行黑化黑化处理。处理。三、三、热敏电阻的参数热敏电阻的参数1.电阻电阻-

27、温度特性温度特性热敏电阻的阻温特性是指热敏电阻的阻温特性是指实际阻值与电阻实际阻值与电阻体温度之间的依赖关系，体温度之间的依赖关系，这是它的基本特这是它的基本特性之一。电阻温度特性曲线如图性之一。电阻温度特性曲线如图5-1-1所示。所示。热敏电阻器热敏电阻器的的实际阻值实际阻值RT与其与其自身温度自身温度T的的关系有关系有正温度系数正温度系数与与负温度系数负温度系数两种，分两种，分别表示为：别表示为：负负温度系数的热敏电阻温度系数的热敏电阻 (4-27)正正温度系数的热敏电阻温度系数的热敏电阻 (4-26)式中，式中，RT为绝对温度为绝对温度T时的实际电阻值；分时的实际电阻值；分别为背景环境温

28、度下的阻值别为背景环境温度下的阻值,R0、R为与电为与电阻的几何阻的几何尺寸和材料物理特性有关尺寸和材料物理特性有关的常数；的常数；A、B为材料常数。为材料常数。对对负负温度系数的热敏电阻有温度系数的热敏电阻有对对正正温度系数的热敏电阻有温度系数的热敏电阻有式中，式中，RT为环境温度为热力学温度为环境温度为热力学温度T时测得时测得的实际阻值。由上二式可分别求出正、负的实际阻值。由上二式可分别求出正、负温度系数的热敏电阻的温度系数的热敏电阻的温度系数温度系数 aT。aT 表示温度变化表示温度变化1时，热电阻实际阻值时，热电阻实际阻值的相对变化为的相对变化为 (4-30)式中，式中，aT 和和 R

29、T 为对应于温度为对应于温度T(K)时的时的热电阻的热电阻的温度系数和阻值。温度系数和阻值。对于负温度系数的热敏电阻温度系数为对于负温度系数的热敏电阻温度系数为 (4-32)对于对于正温度系数正温度系数的热敏电阻温度系数为的热敏电阻温度系数为 aT=A (4-31)在工作温度范围内，正温度系数热敏电阻的在工作温度范围内，正温度系数热敏电阻的aT在在数值上等于常数数值上等于常数A，负温度系数热敏电阻的，负温度系数热敏电阻的aT随随温度温度T的变化很大，并与材料常数的变化很大，并与材料常数B成正比。成正比。因此，通常在给出因此，通常在给出热敏电阻温度系数热敏电阻温度系数的同时，必须指出测量时的温度

30、。的同时，必须指出测量时的温度。材料常数材料常数B是用来描述热敏电阻是用来描述热敏电阻材料物材料物理特性理特性的一个参数，又称为的一个参数，又称为热灵敏指热灵敏指标标。在工作温度范围内，。在工作温度范围内，B值并不是一值并不是一个严格的常数个严格的常数,而是随温度的升高而而是随温度的升高而略有增大。略有增大。一般说来，一般说来，B值大，电阻率也高，值大，电阻率也高，对于对于负温负温度系数度系数的热敏电阻器，的热敏电阻器，B值可按下式计算：值可按下式计算：(4-33)2.热敏电阻阻值变化量热敏电阻阻值变化量 已知热敏电阻温度系数已知热敏电阻温度系数aT后，当热敏后，当热敏电阻接收入射辐射后电阻接

31、收入射辐射后,温度变化温度变化T，则阻值变化量为则阻值变化量为 RT=RT aT T (4-35)式中，式中，RT为温度为温度T时的电阻值，时的电阻值，上式只有在上式只有在T不大的条件下才能成立。不大的条件下才能成立。3.热敏电阻的输出特性热敏电阻的输出特性 热敏电阻电路如图热敏电阻电路如图5-5，图中，图中 。若在热敏电阻上加上偏压。若在热敏电阻上加上偏压Ubb之后，之后，由于辐射的照射使热敏电阻值改变，因而由于辐射的照射使热敏电阻值改变，因而负载电阻电压增量负载电阻电压增量 (4-36)上式为假定上式为假定 ，的条的条件下得到的。件下得到的。4.冷阻与热阻冷阻与热阻RT为热敏电阻在某个为热

32、敏电阻在某个温度下的电阻值，温度下的电阻值，常称为常称为冷阻，冷阻，如果功如果功率为率为W的辐射入射的辐射入射到热敏电阻上，设其吸收系数为到热敏电阻上，设其吸收系数为a a，则热敏电，则热敏电阻的阻的热阻定义为吸收单位辐射功率所引起热阻定义为吸收单位辐射功率所引起的温升，的温升，(4-37)(4-37)(4-36)(4-36)式可写成式可写成 (4-38)(4-38)若入射辐射为交流正弦信号若入射辐射为交流正弦信号 则负载上输出为则负载上输出为式中式中 为热敏电阻的热时间常数；为热敏电阻的热时间常数；为热敏电阻，为热敏电阻，为热容。由上式可见，随为热容。由上式可见，随辐照辐照频率的增加频率的增

33、加，热敏电阻传递给负载的电压，热敏电阻传递给负载的电压变化率减少。变化率减少。热敏电阻的时间常数约为热敏电阻的时间常数约为110ms，则，则使用使用频率上限频率上限 f上上1/(2F F)，约为约为20200kHz左右。左右。5.灵敏度（响应率）灵敏度（响应率）l 单位入射单位入射辐射功率下热敏电阻变换电路的辐射功率下热敏电阻变换电路的输出信号输出信号电压称为灵敏度或响应率，电压称为灵敏度或响应率，它常分为直流灵敏度它常分为直流灵敏度S0与交流灵敏度与交流灵敏度SAC。直流灵敏度直流灵敏度 (4-40)交流灵敏度交流灵敏度 (4-41)可见，要可见，要增加热敏电阻的灵敏度，增加热敏电阻的灵敏度

34、，需采取以下需采取以下措施：措施：增加偏压增加偏压Ubb，但受热敏电阻的噪声以及不损坏但受热敏电阻的噪声以及不损坏元件的限制；元件的限制；把热敏电阻的把热敏电阻的接收面涂黑增加吸收率接收面涂黑增加吸收率a 增加热阻增加热阻，其办法是，其办法是减少减少元件的元件的接收接收面积面积及元件与外界对流所造成的及元件与外界对流所造成的热量热量损失损失，常将元件装入真空壳内，但随，常将元件装入真空壳内，但随着热阻的增大，响应时间也增大。为着热阻的增大，响应时间也增大。为了减小响应时间，通常把热敏电阻了减小响应时间，通常把热敏电阻贴贴在具有高热导的衬底上；在具有高热导的衬底上；选用选用 aT 大大的材料，也

35、即选取的材料，也即选取B值大值大的材料。当然还可使元件的材料。当然还可使元件冷却冷却工作，工作，以提高以提高 aT 值。值。6.最小可探测功率最小可探测功率热敏电阻的最小可探测功率热敏电阻的最小可探测功率受噪声的受噪声的影响。影响。热敏电阻的噪声主要有：热敏电阻的噪声主要有：热噪声。热噪声。热敏电阻的热噪声与光敏电热敏电阻的热噪声与光敏电阻阻值的关系相似为阻阻值的关系相似为U2NT=4kTRf 温度噪声温度噪声。因。因环境温度的起伏环境温度的起伏而造成而造成元件温度起伏变化产生的噪声称为温元件温度起伏变化产生的噪声称为温度噪声。将元件度噪声。将元件装入真空壳内可降低装入真空壳内可降低这种噪声。

36、这种噪声。电流噪声。电流噪声。与光敏电阻的电流噪声与光敏电阻的电流噪声类似，类似，当工作频率当工作频率f 10kHz时，此噪声完全可时，此噪声完全可以忽略不计。以忽略不计。根据这些噪声情况，热敏电阻可根据这些噪声情况，热敏电阻可探测的探测的最小功率约为最小功率约为108 109 W。（半导体热电偶的（半导体热电偶的 NEP 10-11W 左右。左右。）第四节第四节 热释电探测器件热释电探测器件 一、工作原理一、工作原理 介质的极化强度介质的极化强度随温度的变化而改变，引起随温度的变化而改变，引起表面电荷变化的现象。表面电荷变化的现象。束缚面电荷密度自发极化强度束缚面电荷密度自发极化强度 温度低

37、时，自发极化强度大；温度低时，自发极化强度大；温度高时，自发极化强度变小，温度高时，自发极化强度变小，相当于释放电相当于释放电荷荷当温度高于某一特定值时，当温度高于某一特定值时，自发极化强度变为自发极化强度变为零。此温度称为居里温度。零。此温度称为居里温度。二、热释电器件的工作条件二、热释电器件的工作条件热释电器件工作热释电器件工作在交流信号下在交流信号下，或外界环境如，或外界环境如光照光照不稳定且外界的调制频率不稳定且外界的调制频率 f1/为晶体内部自由电荷起中和作用的时间为晶体内部自由电荷起中和作用的时间的情况下，的情况下，一旦稳定，则无电荷的释放，即无一旦稳定，则无电荷的释放，即无信号输

38、出。信号输出。三、热释电系数三、热释电系数P设电极面积为设电极面积为A，面束缚电荷密面束缚电荷密PS=Q/A则信号电压大小为则信号电压大小为当T T 较小时，较小时，热释电系数热释电系数 P=dPS/T，可看成常数可看成常数V V 正比于温度的变化速度正比于温度的变化速度 dT/dt V V 不取决于晶体与辐射是否达到不取决于晶体与辐射是否达到 热平衡。热平衡。作作 业业1辐射度量与光度量的根本区别是什么？辐射度量与光度量的根本区别是什么？2试举例说明辐射出射度试举例说明辐射出射度Me与辐射照度与辐射照度Ee是是 两个意义不同的物理量。两个意义不同的物理量。3一台氦氖激光器发出波长为一台氦氖激

39、光器发出波长为0.6328 m的激光的激光束，其功率为束，其功率为3mW，光束平面发散角为，光束平面发散角为0.02 m rad，放电毛旧管直径为，放电毛旧管直径为1mm，试求：，试求：（1）当）当V0.6328=0.4时，此光束的辐射通量、时，此光束的辐射通量、光通量、发光强度、光出射度各为多少？光通量、发光强度、光出射度各为多少？（2）若将其投影到）若将其投影到6m远处的屏幕上，屏幕的远处的屏幕上，屏幕的 光照度为多少？光照度为多少？4已知本征硅材料的禁带宽度已知本征硅材料的禁带宽度Eg1.2 eV，求，求 该材料的本征吸收长波限。该材料的本征吸收长波限。5若已知光生伏特器件的光电流为若已

40、知光生伏特器件的光电流为300A、暗、暗 电流为电流为1A，试计算它的开路电压。，试计算它的开路电压。第三章第三章、第四章第四章 1光电检测器件和热电检测器件主要包括哪些光电检测器件和热电检测器件主要包括哪些 常用的器件？它们的特点各是什么？常用的器件？它们的特点各是什么？2光电检测器件的主要内部噪声有哪些？光电检测器件的主要内部噪声有哪些？3某一干涉测振仪的最高频率为某一干涉测振仪的最高频率为20MHz，选用，选用 探测器的时间常数应大于多少？探测器的时间常数应大于多少？4探测器的探测器的D*=1011 ，探测器光敏面的，探测器光敏面的 直径为直径为0.5cm，用于的光电仪器中，它能探测，用于的光电仪器中，它能探测 的最小辐射功率为多少？的最小辐射功率为多少？