第四章 热电器件

W0e W0e T t G jCQ G jCQ
Q Q
GQ t CQ
jt
(3)
设 CQ R C 为热敏器件的 T Q Q GQ 热时间常数， 1 称为热阻 R GQ
热敏器件的热时间常数一般为毫 秒至秒的数量级，它与器件的大小、
形状、颜色等参数有关。
ห้องสมุดไป่ตู้
d T Wi CQ dt
（1）
CQ 称为热容（表示单位温度下的热功率）
上式表明：内能的增量为温度变化的函数。
热交换能量的方式有三种：传导、辐
射和对流。设单位时间通过传导损失 的能量
WQ GQT
式中GQ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。
由能量守恒原理，器件吸收的辐射功率 应等于器件内能的增量与热交换能量
用万用表来检查热电偶的好坏。
（3）保存时将两端短路，并防强烈振动 （4）防止感应电流，尤其是电火花。 （5）使用的环境温度不要超过60℃ 。
第三节
一、热敏电阻及其特点
热敏电阻
凡吸收入射辐射后引起温升而使电阻改变，导致 负载电阻两端电压的变化，并给出电信号的器件 叫做热敏电阻。 相对于一般的金属电阻，热敏电阻具备特点：
①热敏电阻的温度系数大，灵敏度高，热敏电阻
的温度系数常比一般金属电阻大10～100倍。
②结构简单，体积小，可以测量近似几何点 的温度。 ③电阻率高，热惯性小，适宜做动态测量。 ④阻值与温度的变化关系呈非线性。 ⑤不足之处是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 比例混合，经高温烧结而成。多数热敏电 阻具有负的温度系数，即当温度升高时， 其电阻值下降，同时灵敏度也下降。
1. 温度变化方程
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T0。
当辐射功率为We的热辐射入射到器件表面 时，令表面的吸收系数为α，
则器件吸收的热辐射功率为αWe ；其中一部 分使器件的温度升高，另一部分补偿器件 与环境的热交换所损失的能量。设单位时 间器件的内能（即功率）增量为ΔWi ，则 有
频时（ ωτT ＜＜1），它与热导GQ成反比，
T
W0
GQ
可见，减小热导是增高温升、提高灵敏度 提高温升将使器件的惯性增大，时间响应
的好方法，但是热导与热时间常数成反比，
变坏。(4)式中，当频率很高（或器件
的惯性很大）时， ωτT >>1， (4)式
可近似为
W0 T CQ
结果，温升与热导无关，而与热容成反
其在高、低温的温度探测领域的应用 是其他探测器件无法取代的。
一、热电偶的结构及工作原理
热电偶是利用物质温差产生电动 势的效应探测入射辐射的。
如图5-6所示为辐射式温差热电 偶的原理图。两种材料的金属A和B
组成的一个回路。
若两金属连接点的温度存在着差异 （一端高而另一端低），则在回路中会有
如图5-6（a）所示的电流产生。
UL M 12 RL SAC 2 W0 ( Ri RL )G 1 2 T
由 (4-22)式可见，在直流辐射下，提高热 电偶的响应率最有效的办法： 选用塞贝克系数M12较大的材料， 增加辐射的吸收率α， 减小内阻Ri， 减小热导G等,但τT=CQ /G变大。
由(4-23)式可见，在交流辐射信号的 作用下，提高热电偶交流响应率最有 效的办法： 降低工作频率， 减小时间常数τT。 但是，热电偶的响应率与时间常 数是一对矛盾（尤其是在直流辐射或 低频时），应用时只能兼顾。
图中用涂黑的金箔将N型半导体材料和P型
半导体材料连在一起构成热结，另一端
（冷端）将产生温差电势，P型半导体的
冷端带正电，N型半导体的冷端带负电。
开路电压UOC与入射辐射使金箔产 生的温升ΔT的关系为
UOC=M12ΔT
(6)
式中，M12为塞贝克常数，又称温差
电势率（V/℃）。
辐射热电偶在恒定辐射作用下，用 负载电阻 RL 将其构成回路，将有电 流 I 流过负载电阻，并产生电压降 UL ， 则
2. 响应时间
热电偶的响应时间约为几毫秒到几十 毫秒左右，比较大，在BeO衬底上制造BiAg结热电偶有望得到更快的时间响应，响 应时间可达到或小于10-7s。
3. 最小可探测功率Pmin（或NEP）
取决于探测器的噪声，主要有热噪声
和温度噪声，电流噪声几乎被忽略。半导 体热电偶的 NEP＝ 10-11W 左右。
由于这个原因，限制了它在高温情况下的使 用。
二、热敏电阻的原理、结构及材料
半导体材料对光的吸收除了直接产生光
生载流子的本征吸收和杂质吸收外，还有 不直接产生载流子的晶格吸收和自由电子
吸收等，并且不同程度地转变为热能，引
起晶格振动的加剧，器件温度的上升，即
器件的电阻值发生变化。
热敏电阻的特点： 由于热敏电阻的晶格吸收，对任
因此，通常称其为真空热电偶。
二、热电偶的基本特性参数
真空热电偶的基本特性参数为： 灵敏度S、比探测率D 、响应时间τ和小可 探测功率NEP等参数。
*
1. 灵敏度S(响应度）
在直流辐射作用下，热电偶的灵敏度S0为
UL M 12 RL S0 W0 ( Ri RL )G
(4-22)
在交流辐射信号作用下，热电偶的灵敏度S 为 (4-23)
• 即由于温度差而产生的电位差ΔE。回路电
流
I=ΔE/R
• 其中R称为回路电阻。 • 这一现象称为温差热电效应（也称为塞贝 克热电效应）( Seebeck Effect)。
测量辐射能的热电偶称为辐射热电偶，它 与测温热电偶的原理相同，结构不同。如 图5-6（b）所示，辐射热电偶的热端接收 入射辐射，因此在热端装有一块涂黑的金
温度为T，接收面积为A，
当它与环境处于热平衡时，单位时间所辐 射的能量为
We AT
4
由热导的定义
dWe 3 G 4 A T dT
经证明，当热敏器件与环境温度处于 平衡时，在频带宽度内，热敏器件的
温度起伏均方根值（即温度噪声）为
T
2 N
4kT 2 f 2 2 G 1 T
第一节 热电检测器件的基本原理
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辐射能转
换成热能，然后再把热能转换成电能的器
件。输出信号的形成过程包括两个阶段：
第一阶段为将辐射能转换成热能的阶段 具有普遍的意义。
（入射辐射引起温升的阶段），是共性的，
第二阶段是将热能转换成各种形式的电能
（各种电信号的输出）阶段，是个性阶段
th Cth Rth
式中, Cth 为热电堆的热容量， Rth 为热电堆的热阻抗。
从上二式可看出：若使高速化和提
高灵敏度两者并存，就要在不改变
Rth 的情况下减小热容 。热阻抗
由导热通路的长和热电堆以及膜片
的剖面面积比决定。
四、使用热电偶的注意事项
（1）不许强辐射照射，Φmax<几十微瓦 （2）电流<100μA，一般在1μA以下，不要
5
此式书上有误。
由上式，很容易得到热敏器件的 比探
测率 为
D

Af
Pmin
1 2
5 16kT
1 2
只与探测器的温度、吸收系数有关。
第二节
热电偶与热电堆
热电偶虽然是发明于1826年的古
老红外探测器件，然而至今仍在光谱、 光度探测仪器中得到广泛的应用。尤


1/ 2
1 （5） 2
即(4-14)
考虑（4）、（5）式（即书上的 (4-7)、 (4-14)式），可求热敏器件仅受温度
影响的最小可探测功率 或温度等效功
率
1 2 1 2
4kT Gf Pmin 2
2
16AkT f
比，且随频率的增高而衰减。
当ω= 0时，由(3)式，得
T t
W0
G
(1 e

t
T
)
由初始零值开始随时间 t 增加，当t∝∞时，
ΔT 达到稳定值(=αW0/GQ); 当 t =τT时，
上升到稳定值的63%。故τT被称为器件的热
时间常数。
二、热电器件的最小可探测功率
根据斯忒番-玻耳兹曼定律，若器件的
何能量的辐射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 加剧的程度不同而已，因此，热敏电 阻无选择性地吸收各种波长的辐射， 可以说它是一种无选择性的光敏电阻。
具有正温度系数的金属材料热敏电阻：
一般金属的能带结构外层无禁带，自 由电子密度很大，以致外界光作用引起的 自由电子密度相对变化较半导体而言可忽 略不计。相反，吸收光以后，使晶格振动 加剧，妨碍了自由电子作定向运动。因此， 当光作用于金属元件使其温度升高，其电 阻值还略有增加，即由金属材料组成的热 敏电阻具有正温度系数。
约为白金的10倍以上。所以热敏电阻探测器 常用半导体材料制作而很少采用贵重的金 属。由热敏材料制成的厚度为0.01mm左右 的薄片电阻（因为在相同的入射辐射下得 到较大的温升）粘合在导热能力高的绝缘 衬底上，电阻体两端蒸发金属电极以便与 外电路连接，再把衬底同一个热容很大、 导热性能良好的金属相连构成热敏电阻。 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。
第四章
第一节 第二节 第三节 第四节
热电检测器件
热电检测器件的基本原理 热电偶与热电堆 热敏电阻 热释电探测器件
本章主要介绍热辐射探测器件的 普遍规律 • 工作原理、基本特性
典型热电器件 • 工作原理、基本特性
热辐射探测器件为基于光辐射与物质相互 作用的热效应而制成的器件。由于它具有 工作时不需要制冷，光谱响应无波长选择 性等突出特点，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 无法实现的应用领域。