第四章光電探測(cè)器

光電探測(cè)器光電探測(cè)器通常分為2類(lèi):(1)光子探測(cè)器（利用各種光子效應(yīng)）；（2）熱探測(cè)器（利用溫度變化效應(yīng)）。光子效應(yīng)：光電子發(fā)射、光電導(dǎo)、光生伏特、光電磁等。光熱效應(yīng)：溫差電、電阻率變化、自發(fā)極化強(qiáng)度變化、氣體體積和壓強(qiáng)變化等?；诠怆娮影l(fā)射效應(yīng)的器件在吸收了大于紅外波長(zhǎng)的光子能量以后，器件材料中的電子能逸出材料表面，這各種器件稱(chēng)為外光電效應(yīng)器件?；诠怆妼?dǎo)、光伏特和光電磁效應(yīng)的器件，在吸收了大于紅外波長(zhǎng)的光子能量以后，器件材料中出現(xiàn)光生自由電子和空穴，這種器件稱(chēng)為內(nèi)光電效應(yīng)器件。光電子發(fā)射探測(cè)器：應(yīng)用光電子發(fā)射效應(yīng)制成的光電探測(cè)器稱(chēng)為光電子發(fā)射探測(cè)器。

在光電子發(fā)射探測(cè)器中，入射輻射的作用是使電子從光電陰極表面發(fā)射到周?chē)目臻g中，即產(chǎn)生光電子發(fā)射。產(chǎn)生光電子發(fā)射所需光電能量取決于光電陰極的逸出功。光電子發(fā)射的能量轉(zhuǎn)換公式為為使價(jià)帶中的電子能躍遷到導(dǎo)帶上，必須使入射光子的能量大于禁帶寬度Eg，即使材料具有光電發(fā)射的截止波長(zhǎng)λc1.光電倍增管的工作原理下圖是光電倍增管的工作原理圖。圖中K為光電發(fā)射陰極，D為聚焦板，D1～D10為倍增極（或打拿極），A為收集電子的陽(yáng)極。倍增極間的電壓逐級(jí)增加，極間電壓約為80～150V。2．光電倍增管的性能光電倍增管的性能主要由陰極和倍增極以及極間電壓決定。負(fù)電子親和勢(shì)材料是目前最好的光電陰極材料。倍增極二次電子發(fā)射特性用二次系數(shù)σ描述，即如果倍增極的總數(shù)為n，且各級(jí)性能相同，考慮到電子的傳輸損失，則光電倍增管的電流增益M為f為第一倍增極對(duì)陰極發(fā)射電子的收集率；g為各倍增極之間的電子傳遞效率，良好的電子光學(xué)設(shè)計(jì)可始f、g值在0.9以上。n和σ值愈大，M值就愈高，但過(guò)多的倍增極不僅使倍增管加長(zhǎng)，而且使電子渡越效應(yīng)變得嚴(yán)重，從而嚴(yán)重影響倍增管的頻率特性和噪聲特性。σ值主要取決于倍增極材料和極間電壓光電導(dǎo)探測(cè)器下圖為光敏電阻（以非本征n型半導(dǎo)體為例）分析模型1.光電轉(zhuǎn)換規(guī)律圖中V表示外加偏置電壓，l、b和d分別表示n型半導(dǎo)體的三維尺寸，光功率P在x方向均勻入射，假定光電導(dǎo)材料的吸收系數(shù)為α，表面反射率為R，則光功率在材料內(nèi)部沿x方向的變化規(guī)律為相應(yīng)的光生面電流密度j（x）為式中e為電子電荷，v為電子在外電場(chǎng)方向的漂移速度，n（x）為在x處的電子密度。流過(guò)電極的總電流為

2.光電導(dǎo)探測(cè)電路典型的光電探測(cè)器在電路中的連接如下圖所示。電路中的參數(shù)Vb和RL均會(huì)影響輸出信號(hào)的電壓值，那么，如何選擇Vb和RL？從圖可見(jiàn)，負(fù)載電阻RL兩端的直流壓降為當(dāng)光輻射照到探測(cè)器上時(shí)，探測(cè)器電阻Rd就發(fā)生變化，負(fù)載電阻RL兩端壓降也就發(fā)生變化，這個(gè)電壓的變化量就是信號(hào)電壓Vs當(dāng)上式等于0時(shí)，有RL＝Rd，信號(hào)電壓為極大值。從上圖可見(jiàn)，在偏壓Vb作用下，通過(guò)探測(cè)器電流I為在探測(cè)器上消耗的功率P為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)－探測(cè)器的功耗不應(yīng)超過(guò)0.1W/cm2，若探測(cè)器的面積為Ad，則消耗功率不應(yīng)超過(guò)0.1Ad，與最大允許電壓關(guān)系為：Vb,max并不是最佳偏壓。信號(hào)、噪聲電壓隨偏流變化圖3.幾種典型的光電導(dǎo)探測(cè)器簡(jiǎn)介光電導(dǎo)探測(cè)器按晶體結(jié)構(gòu)可分為多晶和單晶兩類(lèi)。多晶類(lèi)多是薄膜型器件，如PbS、PbSe、PbTe等，單晶類(lèi)中常見(jiàn)的有銻化銦（InSb）、碲鎘汞（HgCdTe）、碲錫鉛和摻雜型幾種。CdS和CdSe。這是兩種造價(jià)低的可見(jiàn)光輻射探測(cè)器（CdS：0.3～0.8μm，CdSe：0.3～0.9μm）。它們的主要特點(diǎn)是高可靠性和長(zhǎng)壽命，因而廣泛用于自動(dòng)化技術(shù)中。PbS。這是一種性能優(yōu)良的近紅外輻射探測(cè)器，是在室溫條件下探測(cè)靈敏度最高的一種紅外探測(cè)器，室溫下的禁帶寬度為0.37eV，相應(yīng)的長(zhǎng)波限為3μm。PbTe。在常溫下對(duì)4μm以內(nèi)的紅外光靈敏，冷卻到90K，可在5μm范圍內(nèi)使用。響應(yīng)時(shí)間約為10－4～10－5s。InSb。這也是一種良好的近紅外（峰值波長(zhǎng)約為6μm）輻射探測(cè)器。HgCdTe探測(cè)器。HgCdTe是由半導(dǎo)體CdTe和半金屬HgTe采用半導(dǎo)體合金法混合而成的合金系統(tǒng)。不同工作溫度下InSb光電導(dǎo)探測(cè)器的光譜特性探測(cè)率定義為等效噪聲功率的倒數(shù)。當(dāng)信號(hào)電流或者電壓與噪聲的均方根電流（或均方根電壓）相等時(shí)，對(duì)應(yīng)的入射輻通量Φe叫做等效噪聲功率為了提高信噪比，英國(guó)首先研制成掃積型HgCdTe探測(cè)器，如圖。它是由若干小的方形單元探測(cè)器排列成的線陣探測(cè)器，當(dāng)目標(biāo)的紅外像點(diǎn)沿長(zhǎng)條方向掃過(guò)時(shí)，外加電場(chǎng)驅(qū)使光生載流子也沿光點(diǎn)掃描方向遷移，并使遷移速度與像點(diǎn)掃描速度同步，這樣可使信號(hào)積累（積分輸出）。若此掃積探測(cè)器由n個(gè)單元組成，信號(hào)將是單元探測(cè)器輸出的n倍，但由于噪聲的非相關(guān)性，噪聲只會(huì)增加根號(hào)n倍，因此信噪比可提高n1/2倍。（6）摻雜型光電導(dǎo)探測(cè)器。主要是以鍺（Ge）為主體材料摻有其它雜質(zhì)的雜質(zhì)半導(dǎo)體。它們主要用于8～14μm長(zhǎng)波段內(nèi)。下圖為摻雜型光電導(dǎo)探測(cè)器的光譜特性表4－5幾種光電導(dǎo)探測(cè)器的典型特性4.3.3光伏探測(cè)器利用P－N結(jié)的光伏效應(yīng)而制作的光電探測(cè)器稱(chēng)為光伏探測(cè)器。與光電導(dǎo)探測(cè)器不同，光伏探測(cè)器的工作特性要復(fù)雜些，P－N結(jié)受光照射時(shí)，即使沒(méi)有外加偏壓，P－N結(jié)自身也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)開(kāi)路電壓，這時(shí)如果將P－N結(jié)兩端短接，便有短路電流通過(guò)回路。因此利用光生伏特效應(yīng)制成的結(jié)型器件有光電池和光電二極管之分，而光電二極管又有兩種工作模式，光電導(dǎo)和光伏式，它們由外偏壓電路決定。1.兩種工作模式

一個(gè)P—N結(jié)光伏探測(cè)器用圖4－42（a）中的符號(hào)表示，它等效為一個(gè)普通二極管和一個(gè)恒流源（光電流源）的并聯(lián)，如圖4－42（b）所示。在零偏壓時(shí)（圖4－42（c）），稱(chēng)為光伏工作模式。當(dāng)外回路采用反偏壓V時(shí)（圖4－42（d）），即外加p端為負(fù)，n端為正的電壓時(shí)，稱(chēng)為光導(dǎo)工作模式。圖4－42光伏探測(cè)器及其工作模式示意圖普通二極管的伏安特性為式中，iS為反向飽和電流，u是探測(cè)器兩端電壓，e是電子電荷，因而光伏探測(cè)器的總電流i為式中iφ為光電流。光伏探測(cè)器的伏安特性如圖4－43所示。由圖可見(jiàn)第一象限是正偏壓狀態(tài)，iD本來(lái)很大，所以光電流iφ不起重要作用，因此在這一區(qū)域工作沒(méi)有意義。第三象限是反偏壓狀態(tài)，這時(shí)iD＝-iS，它對(duì)應(yīng)于光功率P=0時(shí)二極管的反向飽和電流，稱(chēng)為暗電流，其數(shù)值很小，光電流iφ＝i-is。由于這種情況的外回路特性與光電導(dǎo)探測(cè)器十分相似，所以反偏壓下的工作方式稱(chēng)為光導(dǎo)模式。第四象限中，外偏壓為零，當(dāng)負(fù)載電阻比較小時(shí)，RL3的負(fù)載線接近于理想的垂直負(fù)載線，這是，輸出光電流正比于入射功率，這種狀態(tài)工作模式叫光伏模式。圖4－43光伏探測(cè)器的伏安特性2．兩種工作模式的比較

光導(dǎo)模式工作時(shí)，光電二極管加反偏壓，可以大大提高器件的頻率特性。此外反偏壓可增加長(zhǎng)波端靈敏度及擴(kuò)展線性區(qū)上限。但反偏產(chǎn)生的暗電流引起較大的散粒噪聲，且頻率低于1KHz時(shí)還有1/f噪聲，這又限制了探測(cè)能力的下限。因光伏式二極管無(wú)偏壓工作，故暗電流造成的散粒噪聲小，且無(wú)1/f噪聲，有高得多的信噪比。光伏式二極管主要應(yīng)用于超低噪聲、低頻及儀器方面。光導(dǎo)式二級(jí)管則主要用來(lái)探測(cè)高速光脈沖和高頻調(diào)制光。3.光譜響應(yīng)和頻率特性光電二極管都有一定的光譜響應(yīng)范圍，圖4－44給出了Si光電二極管的光譜響應(yīng)曲線。高頻計(jì)算的簡(jiǎn)化等效電路如圖4-45（b）所示，其截止頻率fc為通常又定義電路的時(shí)間常數(shù)τc為圖4－44Si光電二極管光譜響應(yīng)曲線圖4－45光電二極管的高頻等效短路截至頻率：電路的時(shí)間常數(shù)：τc＝2.2RLCj

4．常用的光伏探測(cè)器簡(jiǎn)介(1)硅光電池。也稱(chēng)太陽(yáng)電池或光伏電池。工作在圖4－43所示的第四象限。價(jià)格便宜，光電轉(zhuǎn)換效率高，光譜響應(yīng)寬，頻率特性好，壽命長(zhǎng)，穩(wěn)定性好，耐高能輻射，適合近紅外探測(cè)。

（2）PIN硅光電二極管。從前面光電二極管的討論中可知，載流子的擴(kuò)散時(shí)間和電路時(shí)間常數(shù)大約同數(shù)量級(jí)，是決定光電二極管響應(yīng)速度的主要因素。為了改善頻率特性，就得設(shè)法減小載流子擴(kuò)散時(shí)間和結(jié)電容，于是人們提出加一層中間本征層。（3）異質(zhì)結(jié)光電二極管。異質(zhì)結(jié)是由兩種不同的半導(dǎo)材料形成的P一N結(jié)。P一N結(jié)兩邊是由不同的基質(zhì)材料形成的，兩邊的禁帶寬度不同。通常以禁帶寬度大的一邊作為光照面，能量大于寬禁帶的光子被寬禁帶材料吸收，產(chǎn)生電子－空穴對(duì)。如果光照面材料的厚度大于載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度，則光生載流子達(dá)不到結(jié)區(qū)，對(duì)光電信號(hào)無(wú)貢獻(xiàn)。而能量小于寬禁帶的長(zhǎng)波載流子卻能順利到達(dá)結(jié)區(qū)，被窄禁帶材料吸收，產(chǎn)生光電信號(hào)。（4）雪崩光電極管（APD）。以上討論的光電二極管都是沒(méi)有內(nèi)部增益的，即增益≤１。這里討論的雪崩二極管是有內(nèi)部增益的，增益可達(dá)102～104。它是利用雪崩管在高的反向偏壓下發(fā)生雪崩倍增效應(yīng)而制成的光電探測(cè)器。光電流增益的大小用倍增因子M表示。實(shí)驗(yàn)表明，M隨反向偏壓V的變化可用如下的經(jīng)驗(yàn)公式近似表示APD的噪聲主要是散粒噪聲預(yù)熱噪聲，噪聲電流有效值可寫(xiě)為r是電子和空穴電離概率VB為擊穿電壓，n為與材料有關(guān)的常數(shù)（5）Schottky勢(shì)壘光電二極管。這是一種由金屬和半導(dǎo)體接觸所制成的光電二極管，所以這種光電二極管也稱(chēng)為金屬半導(dǎo)體光電二極管。要求反偏壓工作，光從金屬一側(cè)入射。為使透光性好，金屬是用真空鍍膜技術(shù)制成的金屬膜，厚度只有幾十埃。(6)光電三極管。光電三極管具有內(nèi)增益，但獲得內(nèi)增益的途徑不是雪崩效應(yīng)，而是利用一般晶體管的電流放大原理。

工作原理：基區(qū)和集電區(qū)處于反向偏壓狀態(tài)，內(nèi)建電場(chǎng)從集電區(qū)指向基區(qū)。光照基區(qū)，產(chǎn)生電子－空穴對(duì)，光生電子在內(nèi)電場(chǎng)作用下漂移到集電區(qū)，空穴留在基區(qū)，使基區(qū)電位升高，這相當(dāng)于EB結(jié)上加了個(gè)正偏壓，基極電位升高，發(fā)射極便有大量電子經(jīng)基極流向集電極，最后形成光電流。光電流隨光照強(qiáng)弱而變化。(7)InSb光伏探測(cè)器。InSb材料既可作光電導(dǎo)探測(cè)器，也可制成P－N結(jié)光伏探測(cè)器。常以P型層表面作光照面，產(chǎn)生的少數(shù)載流子是電子，具有較大的遷移率和擴(kuò)散長(zhǎng)度，這樣可以使大多數(shù)的光生少數(shù)載流子擴(kuò)散到PN結(jié)而形成光生電動(dòng)勢(shì)，因而可使靈敏度較高。是在3～5um波段內(nèi)常用的高性能紅外探測(cè)器。（8）HGCdTe光伏探測(cè)器。近20年來(lái)在紅外探測(cè)器方面最卓越約成績(jī)是HgCdTe探測(cè)器的研制成功及投入使用。和光電導(dǎo)型HgCdTe一樣，可采用半導(dǎo)體合金法將化合物CdTe和HgTe合成Hg1－xCdxTe合金。若在P型HgCdTe中將Hg擴(kuò)散進(jìn)去，表面將形成N型層，從而構(gòu)成PN結(jié)，改變組份x就可以改變HgCdTe探測(cè)器的工作波段。（9）長(zhǎng)波長(zhǎng)紅外焦平面陣列。隨著軍事和遙感遙測(cè)科學(xué)的發(fā)展，對(duì)由大量單元紅外探測(cè)器構(gòu)成的高密度焦平面陣列的要求日益迫切，尤其使8～14μm的長(zhǎng)波長(zhǎng)紅外波段的探測(cè)器對(duì)接近景物的目標(biāo)最為敏感，因此一直是紅外焦平面陣列研究的主要方向之一。期望能利用成熟的工藝制作、波長(zhǎng)可調(diào)，并可將探測(cè)器與信號(hào)處理及讀出電路集成在同一芯片上的大面積長(zhǎng)波紅外焦平面陣列。此概念20世紀(jì)70年代提出，80年代分子束外延和金屬有機(jī)化學(xué)汽相淀積等工藝的發(fā)展，才成功地生長(zhǎng)出能制作長(zhǎng)波紅外探測(cè)器所必須的異質(zhì)結(jié)GexSi1-x/Si等偽合金及GexSi1-x-GexSi1-x/Si異質(zhì)結(jié)內(nèi)光發(fā)射的長(zhǎng)波紅外探測(cè)器陣列。

4.3.4其它光子探測(cè)器簡(jiǎn)介光子牽引探測(cè)器光子牽引探測(cè)器是一種非勢(shì)壘光伏效應(yīng)探測(cè)器。它和HgCdTe光電二極管一樣適用于1.06μm的激光波長(zhǎng)探測(cè)。但是HgCdTe光電二極管只能在微弱光信號(hào)下使用，而光子牽引探測(cè)器則適用于強(qiáng)光探測(cè)。因此它廣泛用于CO2脈沖激光器輸出的探測(cè)。P型鍺的光子牽引探測(cè)器示意圖這種探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)快，可在損傷閾值高及室溫下工作，不需要電源。缺點(diǎn)是靈敏度低，典型器件的單位帶寬等效噪聲功率為10－3W，只有在強(qiáng)光下才能使用。光電磁探測(cè)器

如圖4－48所示，將半導(dǎo)體置于強(qiáng)磁場(chǎng)中，當(dāng)半導(dǎo)體表面受到光輻射照射時(shí)，在表面產(chǎn)生電子－空穴對(duì)，并且濃度逐漸增大，電子和空穴便向體內(nèi)擴(kuò)散，在擴(kuò)散過(guò)程中，受到強(qiáng)磁場(chǎng)的洛倫茲力的作用，使空穴和電子的偏轉(zhuǎn)方向相反，從而在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)，阻礙著電子和空穴的繼續(xù)偏轉(zhuǎn)，如果這時(shí)將半導(dǎo)體兩端短路，則產(chǎn)生短路電流；開(kāi)路時(shí)，則有開(kāi)路電壓。這種現(xiàn)象叫做光電磁效應(yīng)。利用這種效應(yīng)制成的光電探測(cè)器叫做光電磁探測(cè)器（PME器件）。圖4－48光電磁效應(yīng)圖4－49Pb－PbO－Pb隧道結(jié)的伏安特性曲線3.Josephson結(jié)探測(cè)器在兩超導(dǎo)薄膜之間被一層（厚約10?）電介質(zhì)隔開(kāi)，這種結(jié)構(gòu)稱(chēng)為Jesephson結(jié)，或超導(dǎo)隧道結(jié)。若通過(guò)隧道結(jié)的電流小于某一臨界值，在結(jié)上沒(méi)有電位降，則在隧道結(jié)的伏安特性曲線中存在一個(gè)零電壓的電流。若通過(guò)隧道結(jié)的電流超過(guò)這個(gè)臨界值，在結(jié)上將產(chǎn)生電位降，這時(shí)在伏安特性曲線中，將沿著測(cè)量負(fù)載線跳到正常電子隧道的曲線上，如圖4－49所示。這種在隧道結(jié)中有隧道電流通過(guò)而不產(chǎn)生電位降的現(xiàn)象，稱(chēng)之為直流Josephson效應(yīng)。若在隧道結(jié)上維持一個(gè)有限的電位降V，在隧道結(jié)兩超導(dǎo)體之間將有一個(gè)頻率為f的交流電流通過(guò)，頻率f和電壓V之間有下述關(guān)系

若隧道結(jié)受到光輻射照射時(shí)，在一系列分立的電壓值上可以感應(yīng)出額外的直流電流，則在隧道結(jié)的直流伏安特性曲線上，出現(xiàn)常電壓－電流階梯現(xiàn)象。階梯處的電壓Vn和外加輻照信號(hào)頻率f的關(guān)系為n為階梯級(jí)數(shù)。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是，由于隧道結(jié)受到輻射照射時(shí)，在結(jié)上可以感應(yīng)出交流電壓，而這交流電壓反過(guò)來(lái)對(duì)結(jié)上的Josephson電流進(jìn)行調(diào)制，從而產(chǎn)生許多使電流增大的邊帶。利用Josephson結(jié)效應(yīng)可以研制出從射頻到遠(yuǎn)紅外的寬廣頻率范圍內(nèi)、靈敏度為皮瓦的探測(cè)器。在射電天文、毫米波通信等方面有實(shí)際應(yīng)用。E為電子電荷，h為普朗克常數(shù)§4.4熱探測(cè)器熱探測(cè)器對(duì)輻射的響應(yīng)和光子探測(cè)器不同。它基于材料吸收了光輻射能量以后溫度升高的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象稱(chēng)為光熱效應(yīng)，光熱效應(yīng)的特點(diǎn)是入射光輻射與物質(zhì)中的晶格相互作用，晶格因吸收光能而增加振動(dòng)能量，這與光子將能量直接轉(zhuǎn)移給電子的光電效應(yīng)有本質(zhì)的不同。光熱效應(yīng)與入射的光子的性質(zhì)沒(méi)有關(guān)系，取決于入射輻射功率而與入射輻射的光譜成分無(wú)關(guān)，即對(duì)入射輻射的響應(yīng)無(wú)波長(zhǎng)選擇性。光熱效應(yīng)可以產(chǎn)生溫差電效應(yīng)、電阻率變化效應(yīng)、自發(fā)極化強(qiáng)度的變化效應(yīng)、氣體體積和壓強(qiáng)的變化效應(yīng)等等，利用這些效應(yīng)可制作各種熱探測(cè)器。1.溫差熱電偶和熱電堆在用不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成的具有溫度梯度的電路中，會(huì)有電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，這就是溫差電勢(shì)。（1）塞貝克（Seebeck）效應(yīng)。當(dāng)由兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成閉合回路的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)置于不同溫度（兩結(jié)點(diǎn)間的溫差為Ｔ時(shí)），在兩點(diǎn)之間就產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)V12，這個(gè)電動(dòng)勢(shì)在閉合回路中引起連續(xù)電流，這種現(xiàn)象稱(chēng)為塞貝克效應(yīng)。定義溫差電動(dòng)勢(shì)率為（2）珀耳帖（Peltier）效應(yīng)。珀耳帖應(yīng)被認(rèn)為是塞貝克效應(yīng)的逆效應(yīng)。當(dāng)電流流過(guò)兩個(gè)不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成的回路的時(shí)侯，除產(chǎn)生不可逆的焦耳熱外，在不同的節(jié)點(diǎn)處分別出現(xiàn)吸熱、放熱現(xiàn)象。這一效應(yīng)是熱力學(xué)可逆的。熱交換速率與通過(guò)的電流成正比，這種現(xiàn)象稱(chēng)為珀耳帖效應(yīng)。在每一接頭上熱量流出率或流入率與通過(guò)的電流I間的關(guān)系可表示為β12為比例系數(shù)－Peltier系數(shù)（3）湯姆遜（Tomson）效應(yīng)。在單一均質(zhì)導(dǎo)體或半導(dǎo)體中存在著與珀耳帖效應(yīng)相同的現(xiàn)象。如果通有電流的材料有溫差存在，也就是說(shuō)，當(dāng)電流通過(guò)具有一定溫度梯度的均質(zhì)導(dǎo)體或半導(dǎo)體時(shí)，就會(huì)可逆地吸收熱或放出熱，這一現(xiàn)象稱(chēng)為湯姆遜效應(yīng)。單位時(shí)間單位體積吸收或放出的熱量為γ12為T(mén)omson系數(shù)光輻射入射到導(dǎo)體或半導(dǎo)體上便產(chǎn)生溫度梯度，從而產(chǎn)生溫差電勢(shì)，由電動(dòng)勢(shì)的高低可以測(cè)定出接收端所吸收的光輻射的能量或功率。當(dāng)由兩種不同金屬或半導(dǎo)體臂狀物在兩端分別連接成的閉合回路為溫差電偶，如圖所示。設(shè)J1點(diǎn)為光敏面，J2、J3為環(huán)境溫度Td，光照產(chǎn)生的J1點(diǎn)的溫升為ΔTd，此溫差產(chǎn)生的Seebeck效應(yīng)會(huì)使電路產(chǎn)生開(kāi)路電勢(shì)當(dāng)形成閉合回路時(shí)，電流將與V0方向相同，此電流將會(huì)引起Peltier效應(yīng)，會(huì)使此溫差電偶的熱端J1變冷，使冷端變熱，在熱結(jié)點(diǎn)J1處吸收的熱量ΔQ1為式中β12為珀?duì)柼禂?shù)，它與Seebeck系數(shù)α12有如下關(guān)系由于有ΔQ1，會(huì)使J1點(diǎn)的溫度下降Δ（ΔTd），式中Zt為熱結(jié)J1處敏感元的熱阻。此溫度降低量相當(dāng)于附加一個(gè)Seebeck電勢(shì)Vp因此，總的電勢(shì)應(yīng)等于：由入射輻射使J1升溫而產(chǎn)生的電勢(shì)V0與珀?duì)柼?yīng)引起的電勢(shì)之和Rd為探測(cè)器電阻，RL為負(fù)載電阻由上式可得上式表明，珀?duì)柼?yīng)相當(dāng)于在電路中加了一個(gè)動(dòng)態(tài)電阻Rdn由上式可得若敏感面上入射功率為P，敏感面表面的吸收率為α，則在敏感面上的穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的熱流平衡方程為將上式代入，得在求開(kāi)路電壓時(shí)，可不涉及珀?duì)柼?yīng)，此時(shí)溫升可用ΔT0表示探測(cè)器對(duì)常值入射輻射功率P的響應(yīng)率R為為得到更高的響應(yīng)率，應(yīng)選擇具有高值α12的溫差電偶臂的材料，光敏面具有高的吸收率。增大熱阻也將可以成比例地增大響應(yīng)率。對(duì)傳導(dǎo)性熱傳輸，熱阻Zt為為研究溫差電偶的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，設(shè)輸入輻射為P，此時(shí)敏感面－結(jié)點(diǎn)J1系統(tǒng)的熱流動(dòng)平衡方程為（未計(jì)珀?duì)柼?yīng)）增大溫差電偶臂L、減小熱導(dǎo)系數(shù)k和電偶臂界面A均可以增大Zt，從而增大溫差電偶的響應(yīng)率。式中，τ＝CdZt為若P為一階躍量P0，解上面的一階線性微分方程，可得其解為時(shí)間常數(shù)，要增加系統(tǒng)的快速響應(yīng)，就要減小時(shí)間常數(shù)；要增大熱阻Zt，就要減小敏感元件與周?chē)h(huán)境的熱交換。Cd為熱容。為了研究溫差電偶系統(tǒng)對(duì)交變的輸入量的影響，將熱流動(dòng)平衡方程寫(xiě)為：由自動(dòng)控制原理可知，它們的傳遞函數(shù)為其頻率特性為式中，τ＝CdZt，P’＝ZtαP其幅頻特性為其對(duì)數(shù)幅頻特性為圖4－51溫差電堆示意圖2.測(cè)輻射熱計(jì)

測(cè)輻射熱計(jì)是利用入射輻射使敏感元件的溫度提高后從而使電阻隨之改變而測(cè)出輻射的熱探測(cè)器。對(duì)溫度敏感的電阻（也稱(chēng)熱敏電阻）材料有兩類(lèi)，一類(lèi)是金屬材料；另一類(lèi)是半導(dǎo)體材料。材料電阻隨溫度的變化可用下式表示式中αT稱(chēng)為材料的電阻溫度系數(shù)。金屬材料的與溫度成反比而為在室溫下金屬材料的αT≈0.0033。半導(dǎo)體材料與T2成反比而為圖4－52測(cè)輻射熱計(jì)原理圖由兩個(gè)相同的熱敏電阻