热辐射探测器件
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? 5.1 热辐射的一般规律
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。显然，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（入射辐射引起 温升的阶段），是共性的，具有普遍的意义。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。
由于热敏电阻的晶格吸收，对任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。
? 1. 温度变化方程
热电器件在没有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αφe ；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增量为Δ φe ，则有
功率或称温度等效功率PNE为
1
1
PNE
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4kT2 ?
G?
2
f
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16
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5
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（5-14）
例如，在常温环境下（ T=300K），对于黑体（ =1），热敏器件的 面积为100mm2,频带宽度为，斯特潘 -玻尔兹曼系数 J/cm2K4, 玻尔兹 曼常数 k=1.38×10-23J/K。则由式（ 5-14）可以得到常温下热敏器件 的最小可探测功率为5×10-11W左右。
? Φi
?
C?
Fra Baidu bibliotek
d?? T ?
dt
（5-1）
式中称为热容，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
? Φ? ? G? T
（5-2）
式中G为器件与环境的热传导系数。根据能量守恒原理，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之和。即
第5章 热辐射探测器件
本章主要介绍热辐射探测器件的工作原理、基本特性、热辐 射探测器件的工作电路和典型应用。它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。
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。由于这个原因，限制了它在高温情况 下的使用。
2. 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。
当ω= 0时，由（5-5）式得
? T?t ??
? Φ0
(1?
?t
e ?T
)
G
（5-10）
由初始零值开始随时间t增加，当t∝∞时， ΔT达到稳定值。等于τT
时，上升到稳定值的63%。故τT被称为器件的热时间常数。
? 2. 热电器件的最小可探测功率
根据斯忒番-玻耳兹曼定律，若器件的温度为T，接收面积为A， 并可以将探测器近似为黑体（吸收系数与发射系数相等），当它 与环境处于热平衡时，单位时间所辐射的能量为
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?
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（5-5）
设 ?T
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称为热敏器件的热时间常数，
R?
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1 G
称为热阻。
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、形状和颜色等参数有关。
当时间t >>τT时，式（5-3）中的第一项衰减到可以忽略的程度，
温度的变化
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C? ?1 ? j?? T
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（5-6）
为正弦变化的函数。其幅值为
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1
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1??
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2
（5-7）
可见，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。
因此，几乎所有的热敏器件都被涂黑。另外，它又与工作频率ω有
关，ω增高，其温升下降，在低频时（ ωτT ＜＜1），它与热导G
Φe ? A?? T 4
（5-11）
由热导的定义
G ? dΦe ? 4A?? T3
dT
（5-12）
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为
1
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?
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C? ?
?2 2 T
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（5-13）
考虑式（5-7），可以求出热敏器件仅仅受温度影响的最小可探测
成反比，式（5-6）可写为
? T ? ? Φ0
G
（5-8）
可见，减小热导是增高温升、提高灵敏度的好方法，但是热导与
热时间常数成反比，提高温升将使器件的惯性增大，时间响应变
坏。 式（5-6）中，当很高（或器件的惯性很大）时， ωτT >>1，式
（5-7）可近似为
?T
?
?? 0 ? C?
（5-9）
结果，温升与热导无关，而与热容成反比，且随频率的增高而衰减。
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C?
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G? T
（5-3）
设入射辐射为正弦辐射通量 Φe ? Φ0e j? t ，则式（5-3）变为
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dt
G? T
? ? Φ0e j? t
（5-4）
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
于热平衡状态，即t = 0,ΔT = 0。将初始条件代入微分方程（5-4）， 解此方程，得到热传导的方程为
由式（5-14）很容易得到热敏器件的比探测率为
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?
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f
?1 2
PNE
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1
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只与探测器的温度有关。
（5-15）
5.2 热敏电阻与热电堆探测器
? 5.2.1 热敏电阻
1. 热敏电阻及其特点
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，热敏电阻具备如下特点： 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。
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。显然，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（入射辐射引起 温升的阶段），是共性的，具有普遍的意义。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。
由于热敏电阻的晶格吸收，对任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。
? 1. 温度变化方程
热电器件在没有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αφe ；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增量为Δ φe ，则有
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（5-14）
例如，在常温环境下（ T=300K），对于黑体（ =1），热敏器件的 面积为100mm2,频带宽度为，斯特潘 -玻尔兹曼系数 J/cm2K4, 玻尔兹 曼常数 k=1.38×10-23J/K。则由式（ 5-14）可以得到常温下热敏器件 的最小可探测功率为5×10-11W左右。
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（5-1）
式中称为热容，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
? Φ? ? G? T
（5-2）
式中G为器件与环境的热传导系数。根据能量守恒原理，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之和。即
第5章 热辐射探测器件
本章主要介绍热辐射探测器件的工作原理、基本特性、热辐 射探测器件的工作电路和典型应用。它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。
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。由于这个原因，限制了它在高温情况 下的使用。
2. 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。
当ω= 0时，由（5-5）式得
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（5-10）
由初始零值开始随时间t增加，当t∝∞时， ΔT达到稳定值。等于τT
时，上升到稳定值的63%。故τT被称为器件的热时间常数。
? 2. 热电器件的最小可探测功率
根据斯忒番-玻耳兹曼定律，若器件的温度为T，接收面积为A， 并可以将探测器近似为黑体（吸收系数与发射系数相等），当它 与环境处于热平衡时，单位时间所辐射的能量为
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称为热敏器件的热时间常数，
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称为热阻。
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、形状和颜色等参数有关。
当时间t >>τT时，式（5-3）中的第一项衰减到可以忽略的程度，
温度的变化
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可见，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。
因此，几乎所有的热敏器件都被涂黑。另外，它又与工作频率ω有
关，ω增高，其温升下降，在低频时（ ωτT ＜＜1），它与热导G
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（5-11）
由热导的定义
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（5-12）
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为
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考虑式（5-7），可以求出热敏器件仅仅受温度影响的最小可探测
成反比，式（5-6）可写为
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G
（5-8）
可见，减小热导是增高温升、提高灵敏度的好方法，但是热导与
热时间常数成反比，提高温升将使器件的惯性增大，时间响应变
坏。 式（5-6）中，当很高（或器件的惯性很大）时， ωτT >>1，式
（5-7）可近似为
?T
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（5-9）
结果，温升与热导无关，而与热容成反比，且随频率的增高而衰减。
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（5-3）
设入射辐射为正弦辐射通量 Φe ? Φ0e j? t ，则式（5-3）变为
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（5-4）
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
于热平衡状态，即t = 0,ΔT = 0。将初始条件代入微分方程（5-4）， 解此方程，得到热传导的方程为
由式（5-14）很容易得到热敏器件的比探测率为
D?
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只与探测器的温度有关。
（5-15）
5.2 热敏电阻与热电堆探测器
? 5.2.1 热敏电阻
1. 热敏电阻及其特点
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，热敏电阻具备如下特点： 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。