不同研究小组开发出的TES单光子探测器采用的超导薄膜材料不同，但在器件结构上却是相似的。探测器的核心是由一层生长在硅衬底上、尺寸在20m×20m左右、厚度为几十纳米的超导薄膜。在薄膜的两端施加恒定电压，由于低温下薄膜中电子与声子之间的弱热耦合作用，焦耳热功率的存在使薄膜电子系统的温度Te高于声子系统的温度Tp，这被称为“热电子”效应。作为单光子探测器使用时，超导薄膜中的电子系统同时承担了热探测器的吸收体和TES温度计的双重功能。由于薄膜中声子系统与硅衬底之间较强的热耦合作用，声子系统的温度等于硅衬底的温度（Tp=Tb），声子系统充当了热探测器中的热沉。薄膜电子系统和声子系统之间的弱热耦合构成了热探测器所需要的弱热连接。
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