第4章光源與光電探測器

1、光電信息技術(shù)光電信息技術(shù)張永愛張永愛物理與信息工程學院物理與信息工程學院第第1章章 光源與光電探測器光源與光電探測器科學研究科學研究共用應(yīng)用共用應(yīng)用能把光輻射量轉(zhuǎn)換為另一種便于測量的物理量的器件能把光輻射量轉(zhuǎn)換為另一種便于測量的物理量的器件光輻射量光輻射量光電探測器光電探測器電信號光探測器光探測器光子探測器光電探測器的物理效應(yīng)光電探測器的物理效應(yīng)光子效應(yīng)光子效應(yīng)光熱效應(yīng)光熱效應(yīng)熱探測器4.1 4.1 光電信息技術(shù)中常用的光源光電信息技術(shù)中常用的光源一切能產(chǎn)生光輻射的輻射源，無論是天然的，還是人一切能產(chǎn)生光輻射的輻射源，無論是天然的，還是人造的，都稱為光源。造的，都稱為光源。天然光源天然光源是自

2、然界中存在的，如是自然界中存在的，如太陽、恒星等，在天文學電探測中，常常會遇到這些太陽、恒星等，在天文學電探測中，常常會遇到這些光輻射的測量。光輻射的測量。人造光源人造光源是人為將各種形式能量（熱是人為將各種形式能量（熱能、電能、化學能）轉(zhuǎn)化成光輻射能的器件，其中利能、電能、化學能）轉(zhuǎn)化成光輻射能的器件，其中利用電能產(chǎn)生光輻射的器件稱為電光源。在一般光電測用電能產(chǎn)生光輻射的器件稱為電光源。在一般光電測量系統(tǒng)中，量系統(tǒng)中，電光源是最常見的光源電光源是最常見的光源。4.1.1 光源的基本特性參數(shù)光源的基本特性參數(shù)1. 輻射效率和發(fā)光效率輻射效率和發(fā)光效率 在給定波長范圍內(nèi)，某一光源發(fā)出的輻射通量與

3、產(chǎn)生這些輻射通量所需的電功率之比，稱為該光源在規(guī)定光譜范圍內(nèi)的輻射效率21( )eeedPP相應(yīng)地，對于可見光范圍，某一光源的發(fā)光效率v為所發(fā)射的光通量與產(chǎn)生這些光通量所需的電功率之比，就是該光源的光效率，即780380( ) ( )vmevKVdpP2. 光譜功率分布光譜功率分布 4.1.1 光源的基本特性參數(shù)光源的基本特性參數(shù)自然光源和人造光源大都是由單色光組成的復(fù)色光。不同光源在不同光譜上輻射出不同的光譜功率，常用光譜功率分布來描述。若令其最大值為1，將光譜功率分布進行歸一化，那么經(jīng)過歸一化后的光譜功率分布稱為相對光譜功率分析。光源種類光源種類發(fā)光效率發(fā)光效率(lm.W(lm.W-1-1

4、) )光源種類光源種類發(fā)光效率發(fā)光效率(lm.W(lm.W-1-1) )普通鎢絲燈普通鎢絲燈8-188-18高壓汞燈高壓汞燈30-4030-40鹵鎢燈鹵鎢燈14-3014-30高壓鈉燈高壓鈉燈90-10090-100普通熒光燈普通熒光燈35-6035-60球形氙燈球形氙燈30-4030-40三基色熒光燈三基色熒光燈55-9055-90金屬鹵化物燈金屬鹵化物燈60-8060-80表表1 常用光源的發(fā)光效率常用光源的發(fā)光效率4.1.1 光源的基本特性參數(shù)光源的基本特性參數(shù)圖中（a）稱為線狀光譜線狀光譜，由若干條明顯分隔的細線組成，如低低壓汞燈壓汞燈。圖（b）稱為帶狀光譜帶狀光譜，它由一些分開的譜帶

5、組成，每一譜帶中又包含許多細譜線。如高壓汞燈高壓汞燈、高壓鈉燈高壓鈉燈就屬于這種分布。圖（c）為連續(xù)光譜連續(xù)光譜，所有熱輻射光源熱輻射光源的光譜都是連續(xù)光譜，圖（d）是混合光譜混合光譜，它由連續(xù)光譜與線、帶譜混合而成，一般熒光燈一般熒光燈的光譜就屬于這種分布。典型的光譜功率分布4.1.1 光源的基本特性參數(shù)光源的基本特性參數(shù)在選擇光源時，它的光譜功率分布應(yīng)由測量對象的要在選擇光源時，它的光譜功率分布應(yīng)由測量對象的要求來決定。在求來決定。在目視光學系統(tǒng)目視光學系統(tǒng)中，一般采用中，一般采用可見光譜輻可見光譜輻射射比較豐富的光源。對于比較豐富的光源。對于彩色攝影用光源彩色攝影用光源，為了獲得，為了獲

6、得較好的色彩還原，應(yīng)采用類似于較好的色彩還原，應(yīng)采用類似于日光色的光源日光色的光源，如鹵如鹵鎢燈、氙燈鎢燈、氙燈等。在等。在紫外分光光度計紫外分光光度計中，通常使用氚燈、中，通常使用氚燈、紫外汞氙燈等紫外汞氙燈等紫外輻射較強的光源紫外輻射較強的光源，在，在光纖技術(shù)光纖技術(shù)中，中，通常使用通常使用發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器等光源等光源 4.1.1 光源的基本特性參數(shù)光源的基本特性參數(shù)3. 空間光強分布空間光強分布 對于各向異性光源，其發(fā)光強度在空間各對于各向異性光源，其發(fā)光強度在空間各方向上是不相同的，若在空間某一截面上，方向上是不相同的，若在空間某一截面上，自原點向各徑向

7、取矢量，自原點向各徑向取矢量，矢量的長度與該矢量的長度與該方向的發(fā)光強度成正比方向的發(fā)光強度成正比。將各矢量的端點。將各矢量的端點連起來，就得到光源在該截面上的發(fā)光強連起來，就得到光源在該截面上的發(fā)光強度曲線，即度曲線，即配光曲線配光曲線。超高壓球形氙燈的光強分布在有的情況下，為了提高光的利用率，一般選擇在有的情況下，為了提高光的利用率，一般選擇發(fā)光發(fā)光強度高強度高的方向作為的方向作為照明方向照明方向。為了進一步利用背面方。為了進一步利用背面方向的光輻射，還可以在光源的背面安裝反光罩，反光向的光輻射，還可以在光源的背面安裝反光罩，反光罩的焦點位于光源的發(fā)光中心上。罩的焦點位于光源的發(fā)光中心上。

8、4.1.1 光源的基本特性參數(shù)光源的基本特性參數(shù)4. 光源的色溫光源的色溫 黑體的溫度決定了它的光輻射特性。對非黑體輻射，它的某些特性?？捎煤隗w輻射的特性來近似地表示。對于一般光源，經(jīng)常用分布溫度、色溫或相關(guān)色溫表示。 （1）分布溫度輻射源在某一波長范圍內(nèi)輻射的相對光譜分布，與黑體在某一溫度下輻射的相對光譜功率分布一致，那么該黑體的溫度就稱為該輻射源的分布溫度。這種輻射體的光譜輻亮度可表示為11),(/512vTcveecTL（2）色溫）色溫4.1.1 光源的基本特性參數(shù)光源的基本特性參數(shù)若輻射源發(fā)射光的顏色與黑體在某一溫度下輻射光的顏若輻射源發(fā)射光的顏色與黑體在某一溫度下輻射光的顏色相同，則

9、黑體的這一溫度稱為該輻射源的色溫。輻射色相同，則黑體的這一溫度稱為該輻射源的色溫。輻射源發(fā)射光的顏色可以由多種光譜分布產(chǎn)生，所以色溫相源發(fā)射光的顏色可以由多種光譜分布產(chǎn)生，所以色溫相同的光源，它們的相對光譜功率分布不一定相同同的光源，它們的相對光譜功率分布不一定相同（3）相關(guān)色溫。）相關(guān)色溫。對于一般光源，它的顏色與任何溫度下的黑體輻射的顏對于一般光源，它的顏色與任何溫度下的黑體輻射的顏色都不相同，這時的光源用相關(guān)色溫表示，在均勻色度色都不相同，這時的光源用相關(guān)色溫表示，在均勻色度圖中，如果光源的色坐標點與某一溫度下黑體輻射的色圖中，如果光源的色坐標點與某一溫度下黑體輻射的色坐標點最接近，則該

10、黑體的溫度稱為該光源的相關(guān)色溫。坐標點最接近，則該黑體的溫度稱為該光源的相關(guān)色溫。4.1.1 光源的基本特性參數(shù)光源的基本特性參數(shù)5. 光源的顏色光源的顏色 光源的顏色包含了兩方面的含義，即光源的顏色包含了兩方面的含義，即色表色表和和顯色性顯色性。用眼睛直接觀察光源時所看到的顏色稱為光源的色表。用眼睛直接觀察光源時所看到的顏色稱為光源的色表。比如高壓鈉燈的色表呈黃色，熒光燈的色表呈白色。比如高壓鈉燈的色表呈黃色，熒光燈的色表呈白色。當用這種光源照射物體時，物體呈現(xiàn)的顏色（也就是物當用這種光源照射物體時，物體呈現(xiàn)的顏色（也就是物體反射光在人眼內(nèi)產(chǎn)生的顏色感覺）與該物體在完全輻體反射光在人眼內(nèi)產(chǎn)生

11、的顏色感覺）與該物體在完全輻射體照射下所呈現(xiàn)顏色的射體照射下所呈現(xiàn)顏色的 一致性，稱為該光源的一致性，稱為該光源的顯色性顯色性。4.1.2 熱輻射源熱輻射源（1）它們的發(fā)光特性都可以利用普朗克公式進行精確）它們的發(fā)光特性都可以利用普朗克公式進行精確的估算，即可以精確掌握和控制它們的發(fā)光或輻射性質(zhì)；的估算，即可以精確掌握和控制它們的發(fā)光或輻射性質(zhì)；（2）它們發(fā)出的光通量構(gòu)成連續(xù)的光譜，且光譜范圍）它們發(fā)出的光通量構(gòu)成連續(xù)的光譜，且光譜范圍很寬，因此使用的適應(yīng)性強。但在通常情況下，紫外輻很寬，因此使用的適應(yīng)性強。但在通常情況下，紫外輻射含量很少，這又限制了這類光源的使用范圍；射含量很少，這又限制了

12、這類光源的使用范圍；（3）采用適當?shù)姆€(wěn)壓或穩(wěn)流供電，可使這類光源的光獲得很高的穩(wěn)定度。任何物體只要其溫度大于絕對零度，就會向外界輻射能任何物體只要其溫度大于絕對零度，就會向外界輻射能量，其輻射特性與溫度有關(guān)。物體靠加熱保持一定溫度，量，其輻射特性與溫度有關(guān)。物體靠加熱保持一定溫度，使其內(nèi)能不變而持續(xù)輻射的形式稱為熱輻射。使其內(nèi)能不變而持續(xù)輻射的形式稱為熱輻射。 （3）采用適當?shù)姆€(wěn)壓或穩(wěn)流供電，可使這類光源的光獲得很高的穩(wěn)定度。4.1.2 熱輻射源熱輻射源科學研究科學研究共用應(yīng)用共用應(yīng)用4.1.2 熱輻射源熱輻射源1. 太陽太陽 太陽可看成是一個直徑為太陽可看成是一個直徑為1.392 109 m

13、的光球。它到地球的年平的光球。它到地球的年平均距離是均距離是1.491011m因此從地球上觀看太陽時，太陽的張角因此從地球上觀看太陽時，太陽的張角只有只有0.5330。大氣層外的太陽光大氣層外的太陽光譜能量分布相當于譜能量分布相當于5900K左右的黑體左右的黑體輻射。其平均輻亮輻射。其平均輻亮度為度為2.01l07Wm-2sr-1平均亮度為平均亮度為1.95109cdm-2。太陽的光譜能量分布曲線4.1.2 熱輻射源熱輻射源 射到地球上的太陽輻射，要斜穿過一層厚厚的大氣層，射到地球上的太陽輻射，要斜穿過一層厚厚的大氣層，使太陽輻射在光譜和空間分布、能量大小、偏振狀態(tài)使太陽輻射在光譜和空間分布、

14、能量大小、偏振狀態(tài)等都發(fā)生了變化。大氣的吸收光譜比較復(fù)雜，其中氧等都發(fā)生了變化。大氣的吸收光譜比較復(fù)雜，其中氧(O2)、水汽、水汽(H2O)、臭氧、臭氧(O3)，二氧化碳，二氧化碳(CO2)、一氧化、一氧化碳碳(CO)和其它碳氫化合物和其它碳氫化合物(如如CH4)等，都在不同程度上等，都在不同程度上吸收了大陽輻射，而且它們都是光譜選擇性的吸收介吸收了大陽輻射，而且它們都是光譜選擇性的吸收介質(zhì)，在標準海平面上太陽的光譜輻射照度曲線，其中質(zhì)，在標準海平面上太陽的光譜輻射照度曲線，其中的陰影部分表示大氣的光譜吸收帶的陰影部分表示大氣的光譜吸收帶4.1.2 熱輻射源熱輻射源2. 黑體模擬器黑體模擬器

15、在許多軍用紅外光電信息技術(shù)和光電系統(tǒng)中，往往需要這樣一種輻射源，它的角度特性和光譜特性酷似理想黑體的特性。這種輻射源常稱為黑體模擬器。黑體模擬器的結(jié)構(gòu)黑體模擬器的結(jié)構(gòu)4.1.2 熱輻射源熱輻射源3. 白熾燈白熾燈 白熾燈是照明工程和光電測量中最常用的光源之一。白熾燈發(fā)射的是連續(xù)光譜，在可見光譜段中部和黑體射曲線相差約0.5%，而在整個光譜段內(nèi)和黑體輻射曲線平均相差2%。此外，白熾燈使用和量值復(fù)現(xiàn)方便，它的發(fā)光特性穩(wěn)定，壽命長，因而也廣泛用作各種輻射度量和光度量的標準光源。4.1.2 熱輻射源熱輻射源圖(a)所示為BDQ型發(fā)光強度標準燈，用來傳遞和復(fù)現(xiàn)發(fā)光強度單位(cd)的量值。發(fā)光強度標準燈是

16、通過精確控制流過燈絲的直流電流，復(fù)現(xiàn)在規(guī)定的色溫下和在燈絲平面中心的法線方向上的光強度。圖(b)是BDT型光通量標準燈，用來傳遞和復(fù)現(xiàn)光通量值光通量標準燈的燈絲是旋轉(zhuǎn)對稱的，這樣使電壓與燈參數(shù)的變化曲線其光分布在各旋轉(zhuǎn)方向盡可能一致。 圖(c)為BW型溫度標準燈，它的發(fā)光體是一條狹長的鎢帶，當通以電流時，鎢帶熾熱發(fā)光。主要工作在80025000C 范圍內(nèi)，復(fù)現(xiàn)和驗定光學高溫計及某些以光學高溫計作標準的溫度源，也可以代替能量標準燈使用。4.1.3 氣體放電光源氣體放電光源4.2 光電探測器的性能參數(shù)與噪聲光電探測器的性能參數(shù)與噪聲4.2.1 光電探測器的性能參數(shù)光電探測器的性能參數(shù)響應(yīng)度是光電探

17、測器輸出信號與輸入輻射功率之間關(guān)系響應(yīng)度是光電探測器輸出信號與輸入輻射功率之間關(guān)系的度量。描述的是光電探測器的光電轉(zhuǎn)換效能。定義的度量。描述的是光電探測器的光電轉(zhuǎn)換效能。定義為光電探測器的輸出均方根電壓或電流與入射到光電探為光電探測器的輸出均方根電壓或電流與入射到光電探測器上的平均光功率之比測器上的平均光功率之比 1. 響應(yīng)度響應(yīng)度 -靈敏度靈敏度,(/)SVV WPVR,(/)SIA WPIR R V和和R I分別稱為光電探測器的電壓響應(yīng)度和電流分別稱為光電探測器的電壓響應(yīng)度和電流響應(yīng)度，由于光電探測器的響應(yīng)度隨入射輻射的波響應(yīng)度，由于光電探測器的響應(yīng)度隨入射輻射的波長變化而變化，因此又有光

18、譜響應(yīng)度和積分響應(yīng)度長變化而變化，因此又有光譜響應(yīng)度和積分響應(yīng)度 光電探測器本質(zhì)是一個外電壓偏置的電流輸出器光電探測器本質(zhì)是一個外電壓偏置的電流輸出器件，通過負載電阻可改變?yōu)殡妷狠敵銎骷?。件，通過負載電阻可改變?yōu)殡妷狠敵銎骷?.2.1 光電探測器的性能參數(shù)光電探測器的性能參數(shù)2. 光譜響應(yīng)度光譜響應(yīng)度 光譜響應(yīng)度又叫單色響應(yīng)度，它表示不同波長的單位光譜響應(yīng)度又叫單色響應(yīng)度，它表示不同波長的單位輻射功率，輻射入射到一個探測器的敏感元上，探測輻射功率，輻射入射到一個探測器的敏感元上，探測器輸出強弱的不同。光譜響應(yīng)度用器輸出強弱的不同。光譜響應(yīng)度用R表示，是光電探表示，是光電探測器的輸出電壓或者輸

19、出電流與入射到探測器上單色測器的輸出電壓或者輸出電流與入射到探測器上單色輻射通量（光通量）之比輻射通量（光通量）之比 ,(/)SIA WIR, (/)SVRVWVR是常數(shù)時，相應(yīng)探測器稱為是常數(shù)時，相應(yīng)探測器稱為無選擇性探測器無選擇性探測器(如光熱探測器如光熱探測器)，光子探測器則是選擇性探測器。，光子探測器則是選擇性探測器。4.2.1 光電探測器的性能參數(shù)光電探測器的性能參數(shù)3.積分響應(yīng)度積分響應(yīng)度積分響應(yīng)度表示探測器對連續(xù)輻射通量的反應(yīng)程度。對包含有各積分響應(yīng)度表示探測器對連續(xù)輻射通量的反應(yīng)程度。對包含有各種波長的輻射光源，總光通量為種波長的輻射光源，總光通量為0( )d光電探測器輸出的電

20、流或電壓與入射總光通量之比稱為積分響應(yīng)光電探測器輸出的電流或電壓與入射總光通量之比稱為積分響應(yīng)度。由于光電探測器輸出的光電流是由不同波長的光輻射引起的，度。由于光電探測器輸出的光電流是由不同波長的光輻射引起的，所以輸出光電流為所以輸出光電流為0011( )( )ssIIdRd可得積分響應(yīng)度為可得積分響應(yīng)度為010()()RdRd4.2.1 光電探測器的性能參數(shù)光電探測器的性能參數(shù)4. 響應(yīng)時間響應(yīng)時間 響應(yīng)時間是描述光電探測器對入射輻射響應(yīng)快慢的一個響應(yīng)時間是描述光電探測器對入射輻射響應(yīng)快慢的一個參數(shù)。即當入射輻射到光電探測器后或入射輻射遮斷后，參數(shù)。即當入射輻射到光電探測器后或入射輻射遮斷后

21、，光電探測器的輸出上升到穩(wěn)定值或下降到照射前的值所光電探測器的輸出上升到穩(wěn)定值或下降到照射前的值所需時間稱為響應(yīng)時間。需時間稱為響應(yīng)時間。上升時間和下降時間上升時間和下降時間4.2.1 光電探測器的性能參數(shù)光電探測器的性能參數(shù)由于光電探測器信號的產(chǎn)生和消失存在著一個滯后過程，所以入由于光電探測器信號的產(chǎn)生和消失存在著一個滯后過程，所以入射光輻射的頻率對光電探測器的響應(yīng)將會有較大的影響。光電探射光輻射的頻率對光電探測器的響應(yīng)將會有較大的影響。光電探測器的響應(yīng)隨入射輻射的調(diào)制頻率而變化的特性稱為頻率響應(yīng)。測器的響應(yīng)隨入射輻射的調(diào)制頻率而變化的特性稱為頻率響應(yīng)。利用時間常數(shù)可得到光電探測器響應(yīng)度與入

22、射輻射調(diào)制頻率的關(guān)利用時間常數(shù)可得到光電探測器響應(yīng)度與入射輻射調(diào)制頻率的關(guān)系，其表達式為系，其表達式為5頻率響應(yīng)頻率響應(yīng) 2/120)2(1)(fRfRRCf2121上00707. 02/RR一般規(guī)定，一般規(guī)定，R f下降到下降到可得到放大器的上限截止頻率可得到放大器的上限截止頻率光電探測器的頻率響應(yīng)曲線光電探測器的頻率響應(yīng)曲線4.2.1 光電探測器的性能參數(shù)光電探測器的性能參數(shù)信噪比是判定噪聲大小通常使用的參數(shù)。它是在信噪比是判定噪聲大小通常使用的參數(shù)。它是在負載負載電阻電阻RL上上產(chǎn)生的信號功率與噪聲功率之比，即產(chǎn)生的信號功率與噪聲功率之比，即6信噪比（信噪比（S/N） 2222NSLNL

23、SNSIIRIRIPPNS若用分貝（若用分貝（dB）表示，則為）表示，則為NSNSdBIIgIIgNS20110122 信號功率相同方可比較單個光電探測器，其單個光電探測器，其S/N的大小與入射信號輻射功率及接收面積的大小與入射信號輻射功率及接收面積有關(guān)，若入射輻射強，接收面積大，有關(guān)，若入射輻射強，接收面積大，S/N就大，但性能不一定好就大，但性能不一定好-局限性局限性4.2.1 光電探測器的性能參數(shù)光電探測器的性能參數(shù)它定義為器件在特定帶寬內(nèi)（它定義為器件在特定帶寬內(nèi)（1Hz）產(chǎn)生的均方）產(chǎn)生的均方根信號電流恰好等于均方根噪聲電流值時的輸入根信號電流恰好等于均方根噪聲電流值時的輸入通量，此

24、時，其他參數(shù)，如頻率、溫度等應(yīng)加以通量，此時，其他參數(shù)，如頻率、溫度等應(yīng)加以規(guī)定。這個參數(shù)是在確定光電探測器件的探測極規(guī)定。這個參數(shù)是在確定光電探測器件的探測極限（以輸入能量為瓦或流明表示）時使用。限（以輸入能量為瓦或流明表示）時使用。7等效噪聲輸入（等效噪聲輸入（ENI） 4.2.1 光電探測器的性能參數(shù)光電探測器的性能參數(shù)或稱最小可探測功率Pmin。它定義為探測器輸出的信號功率與噪聲功率之比為1時所需的入射到探測器上的輻射通量（單位為瓦），即8噪聲等效功率（噪聲等效功率（NEP） /eN E PSN一個良好的探測器NEP約為1011W，NEP越小，噪聲越小，器件的性能越好。NEP越小，噪聲

25、越小，器件的性能越好。信號輻射功率小于噪聲等效功率，則探測器信號輸出小于噪聲，意味著探測器將無法感知目標輻射。噪聲等效功率實際上就是探測器能夠探知的最小目標輻射，標志著一個探測器的靈敏度、噪聲等效功率越小，探測器靈敏度越高。4.2.1 光電探測器的性能參數(shù)光電探測器的性能參數(shù)9探測率探測率D與比探測率與比探測率D* 只用NEP無法比較兩個不同來源的光探器的優(yōu)劣。為此，引入兩個新的性參數(shù)探測率D和比探測率D*/1SNVVDNEPP探測率D又稱探測度，是探測器接收單位功率輻射所能獲得的信噪比，是NEP的倒數(shù)，作為探測器探測最小輻射信號能力的指標。D愈大，光電探測器的性能愈好。所描述的特性是：光電探

26、測器在它的電平之上產(chǎn)生一個可觀測的電信號的本領(lǐng)。即光電探測器能響應(yīng)的入射光功率越小，其探測能力越高4.2.1 光電探測器的性能參數(shù)光電探測器的性能參數(shù)“D值大的探測器其探測能力一定好值大的探測器其探測能力一定好”的結(jié)論并不充分。的結(jié)論并不充分。主要是探測器光敏面積主要是探測器光敏面積A和測量帶寬和測量帶寬f對對D值影響甚大。值影響甚大。通常情況下通常情況下 fANEP為了比較比較各種探測器的性能，需除去為了比較比較各種探測器的性能，需除去A、 的差別的差別所帶來的影響所帶來的影響 f歸一化參數(shù)來表示歸一化參數(shù)來表示 fANEPNEP*4.2.1 光電探測器的性能參數(shù)光電探測器的性能參數(shù)121*

27、() /*DA fNEPNEPfADD*歸一化探測度 D*大的探測器其探測能力一定好。大的探測器其探測能力一定好?？紤]到光譜的響應(yīng)特性，一般給出考慮到光譜的響應(yīng)特性，一般給出D D* *值時注明值時注明響應(yīng)波長響應(yīng)波長、光輻射調(diào)制頻率、光輻射調(diào)制頻率f f及測量帶寬及測量帶寬ff，即即D D* *( (, f ,f , f ,f ) )。4.2.1 光電探測器的性能參數(shù)光電探測器的性能參數(shù)10噪聲等效帶寬噪聲等效帶寬 噪聲等效帶寬fN是在噪聲計算中所討論的帶寬。反映系統(tǒng)對噪聲的選擇性。噪聲等效帶寬定義為一個矩形噪聲功率增益曲線的頻率間隔。 矩形噪聲功率增益曲線與頻率坐標圖圍成的面積等于實際噪聲

28、功率增益曲線與頻率坐標間的面積。此矩形的高為實際最大功率增益。4.2.1 光電探測器的性能參數(shù)光電探測器的性能參數(shù)噪聲帶寬可表示為：0200011vNGfdff dfvfAGA11.暗電流暗電流Id 即光電探測器在沒有輸入信號和背景輻射時所流過的電流（加電源時）。一般測量其直流值或平均值。G(f)是功率增益；G0是最大功率增益；Av(f)是電壓增益；Av0是最大電壓增益。4.2.1 光電探測器的性能參數(shù)光電探測器的性能參數(shù)12量子效率量子效率 量子效率是評價光電器件性能的一個重要參數(shù)，它是在某一特定波長上在單位時間內(nèi)光電探測器輸出的光電子數(shù)與這一特定波長入射光子數(shù)之比。 量子流速率量子流速率N

29、為為hcdhvdNee量子流速率量子流速率N即為每秒入射的光量子數(shù)即為每秒入射的光量子數(shù)4.2.1 光電探測器的性能參數(shù)光電探測器的性能參數(shù)每秒產(chǎn)生的光電子數(shù)每秒產(chǎn)生的光電子數(shù)qdRqIeS量子效率為量子效率為qhcRNqIS/)(4.2.1 光電探測器的性能參數(shù)光電探測器的性能參數(shù)13線性度線性度 線性度是描述探測器的光電特性或光照特性曲線輸出信號與輸入信號保持線性關(guān)系的程度。線性度是輻射功率的復(fù)雜函數(shù)，是指器件中的實際響應(yīng)曲線接近擬合直線的程度，通常用非線性誤差來度量12maxIImax為實際響應(yīng)曲線與擬合直線之間的最大偏差，I1和I2分別為線性區(qū)中最小和最大響應(yīng)值。4.2.1 光電探測器

30、的性能參數(shù)光電探測器的性能參數(shù)4.2.2 光電探測器的噪聲光電探測器的噪聲因為在光電轉(zhuǎn)換過程中，半導(dǎo)體中的電子從價帶躍遷因為在光電轉(zhuǎn)換過程中，半導(dǎo)體中的電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶，或者電子逸出材料表面等過程，都是一系列到導(dǎo)帶，或者電子逸出材料表面等過程，都是一系列獨立事件，是一種隨機的過程。每一瞬間出現(xiàn)載流子獨立事件，是一種隨機的過程。每一瞬間出現(xiàn)載流子是不確定的，所以隨機起伏將不可避免地與信號同時是不確定的，所以隨機起伏將不可避免地與信號同時出現(xiàn)。尤其在出現(xiàn)。尤其在信號較弱信號較弱時，光電探測器的噪聲會顯著時，光電探測器的噪聲會顯著地影響信號探測的準確性。地影響信號探測的準確性。 是光電轉(zhuǎn)換物理過

31、程中固有的，是一種不可能人為消是光電轉(zhuǎn)換物理過程中固有的，是一種不可能人為消除的輸出信號的起伏，是與器件密切相關(guān)的一個參量。除的輸出信號的起伏，是與器件密切相關(guān)的一個參量。4.2.2 光電探測器的噪聲光電探測器的噪聲按噪聲產(chǎn)生的原因，可分為以下幾類按噪聲產(chǎn)生的原因，可分為以下幾類 噪聲噪聲 外部原因外部原因 內(nèi)部原因內(nèi)部原因 人為噪聲人為噪聲 自然噪聲自然噪聲散粒噪聲散粒噪聲 產(chǎn)生復(fù)合噪聲產(chǎn)生復(fù)合噪聲 光子噪聲光子噪聲 熱噪聲熱噪聲 低頻噪聲低頻噪聲 4.2.2 光電探測器的噪聲光電探測器的噪聲1、散粒噪聲、散粒噪聲無光照下，由于熱激發(fā)作用，而隨機地產(chǎn)生電子所造無光照下，由于熱激發(fā)作用，而隨機

32、地產(chǎn)生電子所造成的起伏（以光電子發(fā)射為例）。成的起伏（以光電子發(fā)射為例）。由于由于起伏單元是電子電荷量起伏單元是電子電荷量e，故稱為，故稱為散粒噪聲散粒噪聲，這種，這種噪聲存在于噪聲存在于所有所有光電探測器中。光電探測器中。理論計算結(jié)果給出熱激發(fā)散粒噪聲的功率譜為理論計算結(jié)果給出熱激發(fā)散粒噪聲的功率譜為2gfqiMi是流過探測器的平均暗電流，是流過探測器的平均暗電流，M是探測器的內(nèi)增益，是探測器的內(nèi)增益，q是電子電荷電量。是電子電荷電量。4.2.2 光電探測器的噪聲光電探測器的噪聲散粒噪聲的電流為：2nqifIf是測量帶寬相應(yīng)的噪聲電壓為22nqifVR按照式中平均電流i產(chǎn)生的具體物理過程，有

33、dbsiiiiId是熱激發(fā)暗電流，ib和is分別為背景和信號電流它們服從下式的轉(zhuǎn)換關(guān)系 qitPth如果用背景光功率Pb和信號光功率Ps顯式表示，則有122nbsdqqS qfiIPPMhhS2是光電發(fā)射和光伏過程，S4是光電導(dǎo)、產(chǎn)生復(fù)合過程，M1是光伏過程，M1是光電倍增管、雪崩過程4.2.2 光電探測器的噪聲光電探測器的噪聲 對光電導(dǎo)探測器，載流子熱激發(fā)是電子對光電導(dǎo)探測器，載流子熱激發(fā)是電子空穴對。電子和空穴空穴對。電子和空穴在運動中，與光伏器件重要的不同點在于存在嚴重的復(fù)合過程，在運動中，與光伏器件重要的不同點在于存在嚴重的復(fù)合過程，而復(fù)合過程本身也是隨機的。而復(fù)合過程本身也是隨機的。

34、因此，不僅有載流子產(chǎn)生的起伏，而且還有載流子復(fù)合的起伏，因此，不僅有載流子產(chǎn)生的起伏，而且還有載流子復(fù)合的起伏，其其本質(zhì)也是散粒噪聲本質(zhì)也是散粒噪聲，為強調(diào)產(chǎn)生和復(fù)合兩個過程，取名為產(chǎn)，為強調(diào)產(chǎn)生和復(fù)合兩個過程，取名為產(chǎn)生生復(fù)合散粒噪聲，簡稱為產(chǎn)生復(fù)合散粒噪聲，簡稱為產(chǎn)生復(fù)合噪聲，記為復(fù)合噪聲，記為Ig-r和和Vg-r即即2.產(chǎn)生復(fù)合噪聲產(chǎn)生復(fù)合噪聲 2412grqitfIf i是流過器件的平均電流，為載流子平均壽命，t為載流子在器件兩極間平均漂移時間，f為頻率。如果頻率很低，且滿足2fRL24.3.3 光伏探測器光伏探測器第三象限是反偏壓狀態(tài)。這時第三象限是反偏壓狀態(tài)。這時iD=iS，它是普

35、通二極管，它是普通二極管中的反向飽和電流，現(xiàn)在稱為暗電流中的反向飽和電流，現(xiàn)在稱為暗電流(對應(yīng)于光功率對應(yīng)于光功率P=0)，數(shù)值很小，這時的光電流，數(shù)值很小，這時的光電流(等于等于i-iS)是流過探測是流過探測器的主要電流，此情況下的外回路特性與光電導(dǎo)相似，器的主要電流，此情況下的外回路特性與光電導(dǎo)相似，對應(yīng)于光導(dǎo)工作模式對應(yīng)于光導(dǎo)工作模式-相應(yīng)探測器相應(yīng)探測器-光電二極管。光電二極管。第一象限是正偏壓狀態(tài)，第一象限是正偏壓狀態(tài)，i iD D 本來就很大，所以光電流本來就很大，所以光電流不起重要作用。作為光電探測器，工作在這一區(qū)域沒不起重要作用。作為光電探測器，工作在這一區(qū)域沒有意義。有意義。

36、i+RLVi+V4.3.3 光伏探測器光伏探測器L LiRL4.3.3 光伏探測器光伏探測器2兩種工作模式的比較兩種工作模式的比較 光導(dǎo)模式工作時，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波端靈敏度及擴展線性區(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時還有1/f噪聲，這又限制了探測能力的下限。 因光伏式二極管無偏壓工作，故暗電流造成的散粒噪聲小，且無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)式二級管則主要用來探測高速光脈沖和高頻調(diào)制光。光電池光電池 光電池是一種不需要加偏壓的能把光能直接轉(zhuǎn)換成電光電池是一種

37、不需要加偏壓的能把光能直接轉(zhuǎn)換成電能的能的pn結(jié)光電器件，結(jié)光電器件，-采用光伏工作模式的光伏探測器采用光伏工作模式的光伏探測器光電池分類光電池分類測量光電池測量光電池-當作光電探測器使用當作光電探測器使用 太陽能電池太陽能電池-用作電源用作電源 它的工作模式是光伏工作模式它的工作模式是光伏工作模式-光伏電池。光伏電池。4.3.3 光伏探測器光伏探測器太陽能光電池太陽能光電池主要用作向負載提供電源，對它的要求主要主要用作向負載提供電源，對它的要求主要是光電轉(zhuǎn)換效率高、成本低。由于它具有結(jié)構(gòu)簡單、體積是光電轉(zhuǎn)換效率高、成本低。由于它具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、高可靠性、壽命長、可在空間直接將太

38、陽能小、重量輕、高可靠性、壽命長、可在空間直接將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的特點，因此成為航天工業(yè)中的重要電源，且轉(zhuǎn)換成電能的特點，因此成為航天工業(yè)中的重要電源，且還被廣泛地應(yīng)用于供電困難的場所和一些日用便攜電器中。還被廣泛地應(yīng)用于供電困難的場所和一些日用便攜電器中。 測量光電池測量光電池的主要功能是作為光電探測，即在不加偏置的的主要功能是作為光電探測，即在不加偏置的情況下將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，此時對它的要求是線性范情況下將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，此時對它的要求是線性范圍寬、靈敏度高、光譜響應(yīng)合適、穩(wěn)定性高、壽命長等。圍寬、靈敏度高、光譜響應(yīng)合適、穩(wěn)定性高、壽命長等。廣泛用于紅外輻射探測器、光電開關(guān)廣泛用于

39、紅外輻射探測器、光電開關(guān) 4.3.3 光伏探測器光伏探測器如圖所示，當光作用于如圖所示，當光作用于PNPN結(jié)時，耗盡區(qū)內(nèi)的光生電子與結(jié)時，耗盡區(qū)內(nèi)的光生電子與空穴在內(nèi)建電場力的作用下分別向空穴在內(nèi)建電場力的作用下分別向N N區(qū)和區(qū)和P P區(qū)運動，在閉區(qū)運動，在閉合的電路中將產(chǎn)生如圖所示的輸出電流合的電路中將產(chǎn)生如圖所示的輸出電流I IL L，且負載電阻，且負載電阻R RL L上產(chǎn)生電壓降為上產(chǎn)生電壓降為U U。顯然，。顯然，PNPN結(jié)獲得的偏置電壓結(jié)獲得的偏置電壓U U與光與光電池輸出電流電池輸出電流I IL L與負載電阻與負載電阻R RL L有關(guān)，即有關(guān)，即 1）光電池的工作原理）光電池的工

40、作原理LLUI R當以輸出電流的當以輸出電流的I IL L為電流和電為電流和電壓的正方向時，可以得到如下壓的正方向時，可以得到如下圖所示的伏安特性曲線。圖所示的伏安特性曲線。4.3.3 光伏探測器光伏探測器光電池的伏安特性曲線光電池的伏安特性曲線從曲線可以看出，負從曲線可以看出，負載電阻載電阻RL所獲得的功所獲得的功率為率為LPI U其中，光電池輸出電流其中，光電池輸出電流IL包括光生電流、擴散電流包括光生電流、擴散電流與暗電流等三部分與暗電流等三部分ieiiiiKTeusD) 1(/4.3.3 光伏探測器光伏探測器光電池的等效電路光電池的等效電路2）光電池的等效電路）光電池的等效電路i-光電

41、流光電流 Di-二極管電流二極管電流 shi-p-n-p-n結(jié)漏電流結(jié)漏電流 Rsh-等效泄露電阻等效泄露電阻 Cj結(jié)電容結(jié)電容 Rs引線管芯接觸電阻引線管芯接觸電阻 RL負載電阻負載電阻 iRLUU1RsRshishCjiDi4.3.3 光伏探測器光伏探測器shishiR Rshsh很大，很大，很小，若不計很小，若不計影響，則影響，則 0iiiD若將若將R RL L短接，忽略短接，忽略R RS S的影響，則的影響，則U U1 1=0=0（二極管的壓），（二極管的壓），i iD D=0=0。則流過光電池的短路電流則流過光電池的短路電流 sci就是光電流就是光電流 iisc表明：光電池在短路工作

42、狀態(tài)下，光電池的短路電流表明：光電池在短路工作狀態(tài)下，光電池的短路電流與入射的光功率成正比與入射的光功率成正比 （ ）( )eip thv在這狀態(tài)下工作的光電池可用做光電探測器在這狀態(tài)下工作的光電池可用做光電探測器 4.3.3 光伏探測器光伏探測器3）短路電流和開路電壓）短路電流和開路電壓負載電阻負載電阻R RL L所獲得的功率所獲得的功率P PL L與負載電阻的阻值有關(guān)，當與負載電阻的阻值有關(guān)，當R RL L=0=0（電路為短路）時，（電路為短路）時，U=U=0 0，輸出功率，輸出功率P PL L=0=0；當；當R RL L=（電路為開路）時，（電路為開路）時，I IL L= =0 0，輸出

43、功率，輸出功率P PL L=0=0；在短路和開路兩種工作狀態(tài)，光電池均無電功率輸出，在短路和開路兩種工作狀態(tài)，光電池均無電功率輸出，當負載電阻為某一當負載電阻為某一Rm時，才得到最大電輸出功率時，才得到最大電輸出功率Pm。 Rm稱為特定照射光功率條件下最佳負載電阻，初略值稱為特定照射光功率條件下最佳負載電阻，初略值 iuRocm7 . 04.3.3 光伏探測器光伏探測器由由 ieiiKTeus) 1(/當當RL趨近無窮大時，趨近無窮大時，i=0，光電池輸出電壓，光電池輸出電壓U1即開路電壓即開路電壓 ) 1ln(sociieKTu4.3.3 光伏探測器光伏探測器4）光電池的工作特性）光電池的工

44、作特性 （1）光譜特性）光譜特性光電池的光譜特性主要光電池的光譜特性主要由材料決定，材料不同，由材料決定，材料不同，光譜特性不同。光譜特性不同。 由圖可見，由圖可見，SeSe光電池在可見光范圍內(nèi)具有高的靈敏度，光電池在可見光范圍內(nèi)具有高的靈敏度，峰值響應(yīng)波長在峰值響應(yīng)波長在500um500um左右。特別適用于可見光應(yīng)用。左右。特別適用于可見光應(yīng)用。SiSi光電池的光譜響應(yīng)范圍要寬，峰值響應(yīng)波長在光電池的光譜響應(yīng)范圍要寬，峰值響應(yīng)波長在850um850um左右，可見光和近紅外波段都有廣泛應(yīng)用。左右，可見光和近紅外波段都有廣泛應(yīng)用。4.3.3 光伏探測器光伏探測器（2）頻率特性）頻率特性對于光電池

45、來說，由于載流子在對于光電池來說，由于載流子在pn結(jié)區(qū)內(nèi)的結(jié)區(qū)內(nèi)的擴散擴散漂移，產(chǎn)生與復(fù)合都要一定的時間。漂移，產(chǎn)生與復(fù)合都要一定的時間。 光電池的頻率特性一般說來不是太好，主要有光電池的頻率特性一般說來不是太好，主要有以下幾個原因：以下幾個原因： 1）光敏面積一般做的較大，因而極間結(jié)電容）光敏面積一般做的較大，因而極間結(jié)電容cj較大，較大，則響應(yīng)時間變大，給定則響應(yīng)時間變大，給定RL， LjRc2）光電池工作在第四象限，有較小的正偏壓存在，）光電池工作在第四象限，有較小的正偏壓存在，所以光電池的內(nèi)阻很低，而且隨入射功率變化而變化。所以光電池的內(nèi)阻很低，而且隨入射功率變化而變化。光功率很小時，

46、內(nèi)阻變大，頻率特性變壞。光功率很小時，內(nèi)阻變大，頻率特性變壞。4.3.3 光伏探測器光伏探測器（3）溫度特性）溫度特性光電池的溫度特性曲線主要指光照射光電池時光電池的溫度特性曲線主要指光照射光電池時開路電壓開路電壓Voc與短路電流與短路電流Isc隨溫度變化的情況。隨溫度變化的情況。 開路電壓與短路電流均隨溫度開路電壓與短路電流均隨溫度而變化，它關(guān)系到應(yīng)用光電池而變化，它關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器設(shè)備的溫度漂移，影響的儀器設(shè)備的溫度漂移，影響到測量或控制精度等主要指標。到測量或控制精度等主要指標。當光電池作為測量元件時，最好能保持當光電池作為測量元件時，最好能保持溫度恒定，溫度恒定，或采取溫度補償措

47、施或采取溫度補償措施4.3.3 光伏探測器光伏探測器4.3.3 光伏探測器光伏探測器4.3.3 光伏探測器光伏探測器4.3.4 其他光子探測器其他光子探測器光子牽引探測器光子牽引探測器 光子牽引探測器是一種非勢壘光伏效應(yīng)探測器。它和HgCdTe光電二極管一樣適用于10.6m的激光波長探測。但是HgCdTe光電二極管只能在微弱光信號下使用，而光子牽引探測器則適用于強光探測。因此它廣泛用于CO2脈沖激光器輸出的探測這種探測器的優(yōu)點是響應(yīng)快，可在損傷閾值高及室溫下工作，不需要電源。缺點是靈敏度低，典型器件的單位帶寬等效噪聲功率為103W，只有在強光下才能使用。P型鍺的光子牽引探測器示意圖4.3.4

48、其他光子探測器其他光子探測器光電磁探測器光電磁探測器 光電磁效應(yīng)將半導(dǎo)體置于強磁場中，當半導(dǎo)體表面受到光輻射照射時，在表面產(chǎn)生電子空穴對，并且濃度逐漸增大，電子和空穴便向體內(nèi)擴散，在擴散過程中，受到強磁場的洛倫茲力的作用，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)生一個電場，阻礙著電子和空穴的繼續(xù)偏轉(zhuǎn)，如果這時將半導(dǎo)體兩端短路，則產(chǎn)生短路電流；開路時，則有開路電壓。這種現(xiàn)象叫做光電磁效應(yīng)。利用這種效應(yīng)制成的光電探測器叫做光電磁探測器（PME器件）。4.3.4 其他光子探測器其他光子探測器Josephson結(jié)探測器結(jié)探測器 PbPbOPb隧道結(jié)的伏安特性曲線在兩超導(dǎo)薄膜之間被一層（厚約10）電

49、介質(zhì)隔開，這種結(jié)構(gòu)稱為Jesephson結(jié)，或超導(dǎo)隧道結(jié)。若通過隧道結(jié)的電流小于某一臨界值，在結(jié)上沒有電位降，則在隧道結(jié)的伏安特性曲線中存在一個零電壓的電流。若通過隧道結(jié)的電流超過臨界值，在結(jié)上將產(chǎn)生電位降，這時在伏安特性曲線中，將沿著測量負載線跳到正常電子隧道的曲線上，如圖449所示。這種在隧道結(jié)中有隧道電流通過而不產(chǎn)生電位降的現(xiàn)象，稱之為直流Josephson效應(yīng)4.3.4 其他光子探測器其他光子探測器若在隧道結(jié)上維持一個有限電位降V，在隧道結(jié)兩超導(dǎo)體之間將有一個頻率為f的交流電流通過，頻率f和電壓V之間有下述關(guān)系2 /fe h V2/nnfehVE為電子電荷，h為普朗克常數(shù)若隧道結(jié)受到光

50、輻射照射時，在一系列分立的電壓值上可感應(yīng)出額外直流電流，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。階梯處電壓Vn和外加輻照信號頻率f的關(guān)系為n為階梯級數(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，在結(jié)上可感應(yīng)出交流電壓，而這交流電壓反過來對結(jié)上的Josephson電流進行調(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)可研制出從射頻到遠紅外寬廣頻率范圍內(nèi)、靈敏度為皮瓦的探測器。在射電天文、毫米波通信等方面有實際應(yīng)用。4.4 熱探測器熱探測器熱探測器對輻射的響應(yīng)和光子探測器不同。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)象稱為光熱效應(yīng)，光熱效應(yīng)的特點

51、是入射光輻射與物質(zhì)中晶格相互作用，晶格因吸收光能而增加振動能量，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關(guān)，即對入射輻射的響應(yīng)無波長選擇性光熱效應(yīng)可以產(chǎn)生溫差電效應(yīng)、電阻率變化效應(yīng)、自發(fā)極化強度的變化效應(yīng)、氣體體積和壓強的變化效應(yīng)等等，利用這些效應(yīng)可制作各種熱探測器。1 溫差熱電偶和熱電堆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，會有電動勢產(chǎn)生，這就是溫差電勢。通過這兩點的閉合回路中就有電流流過，這個現(xiàn)象稱為溫差電效應(yīng)。（1）塞貝克（Seebeck）效應(yīng)當由兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)

52、體組成閉合回路的兩個結(jié)點置于不同溫度（兩結(jié)點間的溫差為時），在兩點之間就產(chǎn)生一個電動勢V12，這個電動勢在閉合回路中引起連續(xù)電流，這種現(xiàn)象稱為塞貝克效應(yīng)。所產(chǎn)生的電動勢稱為溫差電動勢，回路稱為熱電偶或溫差電池。是由于受熱不均勻的兩節(jié)點的接觸電位差不同所致定義溫差電動勢率為1 溫差熱電偶和熱電堆溫差熱電偶和熱電堆 1212120limTVdVaTdTdTaVTT121201212VaT物理意義：單位溫差所產(chǎn)生的電動勢的凈增量1 溫差熱電偶和熱電堆溫差熱電偶和熱電堆 （2）珀耳帖（Peltier）效應(yīng)珀耳帖應(yīng)被認為是塞貝克效應(yīng)的逆效應(yīng)。當電流流過兩個不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成的回路的時，除產(chǎn)生不可

53、逆的焦耳熱外，在不同的節(jié)點處分別出現(xiàn)吸熱、放熱現(xiàn)象。這一效應(yīng)是熱力學可逆的。熱交換速率與通過的電流成正比，這種現(xiàn)象稱為珀耳帖效應(yīng)。在每一接頭上熱量流出率或流入率與通過的電流I間的關(guān)系可表示為IdtdQ12 1 溫差熱電偶和熱電堆溫差熱電偶和熱電堆 （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，當電流通過具有一定溫度梯度的均質(zhì)導(dǎo)體或半導(dǎo)體時，就會可逆地吸收熱或放出熱，這一現(xiàn)象稱為湯姆遜效應(yīng)。單位時間單位體積吸收或放出熱量為IdxdTdtdQ12物理意義：單位溫差通過單位電流吸熱或放熱的速率1 溫差熱電偶和熱電堆溫差熱

54、電偶和熱電堆 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，由電動勢的高低可測出接收端所吸收的光輻射的能量或功率。當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點為光敏面，J2、J3為環(huán)境溫度Td，光照產(chǎn)生的J1點的溫升為Td，此溫差產(chǎn)生的Seebeck效應(yīng)會使電路產(chǎn)生開路電勢012dVT當形成閉合回路時，電流將與V0方向相同，此電流將會引起Peltier效應(yīng)，會使此溫差電偶的熱端J1變冷，使冷端變熱，在熱結(jié)點J1處吸收的熱量Q1為121IQ1 溫差熱電偶和熱電堆溫差熱電偶和熱電堆 式中12為珀爾帖系數(shù)，它與Seebeck系數(shù)12有如下關(guān)系1

55、212dT由于有Q1，會使J1點的溫度下降（Td），12ddtITT Z式中Zt為熱結(jié)J1處敏感元的熱阻。此溫度降低量相當于附加一個Seebeck電勢Vp21212ddtpIVTT Z因此，總的電勢應(yīng)等于：由入射輻射使J1升溫而產(chǎn)生的電勢V0與珀爾帖效應(yīng)引起的電勢之和20012dttpIVVVVT ZtdLIVRRRd為探測器電阻，RL為負載電阻1 溫差熱電偶和熱電堆溫差熱電偶和熱電堆 由上式可得2012dLdtIVRRT Z212dndtRT Z12ddLdnITRRR1dtPTQZ12ddtPITTZ上式表明，珀爾帖效應(yīng)相當于在電路中加了一個動態(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，則在敏感面上的穩(wěn)定狀態(tài)時的熱流平衡方程為1 溫差熱電偶和熱電堆溫差熱電偶和熱電堆 將上式代入，得2121ddtdLdn