02(光电探测器)-82

㈠、基本结构与原理
光电阴极 电子光学输入系统 阳极
光入射窗口 二次发射电子倍增器
1．光入射窗
光窗分侧窗式和端窗式两种，它是入射光的通道。由于
光窗对光的吸收与波长有关，波长越短吸收越多，所以倍
增管光谱特性的短波阈值决定于光窗材料。
侧窗式
端窗式
2．光电阴极
光电阴极由光电发射材料制作。光电发射材料大 体可分为：金属材料、半导体材料。
的接地方式有两种，即
阴极接地或阳极接
地。
阳极接地
阴极接地的特点
优点：便于屏蔽，光、磁、电的屏蔽罩可以跟阴极 靠得近些，屏蔽效果好；暗电流小，噪声低。 缺点：但这时阳极要处于正高压，会导致寄生电容 大，匹配电缆连接复杂，特别是后面若接直流放大器，整 个放大器都处于高电压，不利于安全操作；如果后面接交 流放大器，则必须接一个耐压很高的隔直电容器，而一般 耐压很高的电容器体积大而且价格高。
6．噪声等效功率(NEP)
或称最小可探测功率Pmin。 信噪比为1时，入射 到探测器上的辐射通量。即
e NEP S/N
一、概念理解 1、光电探测器的响应度（或灵敏度） 2、信噪比 3、最小可探测功率
二、简答题 热电检测器件和光电检测器件的特点是什么？
三、选择题 1、光电检测系统的核心是（ ）
4.伏安特性
光电倍增管的伏安 特性曲线分为阴极伏安 特性曲线与阳极伏安特 性曲线。在电路设计时， 一般使用阳极伏安特性 曲线来进行负载电阻、 输出电流、输出电压的 计算。
5. 频率响应
由于PMT是光电发射型器件，而光电发射的延迟时 间≤3×10－13S，所以PMT有很高的频率响应。
6.噪声
主要来源是光电阴极、光电发射的随机性和各倍 增极二次电子发射的随机性，同时也与背景光或信 号光中的直流分量有关。
阳极接地的特点
优点：便于跟后面的放大器相接，操作安全，后面 不仅可以通过一个低压耦合电容与交流放大器相接， 也可以直接与直流放大器相接。
缺点：但这时阴极要处于负高压，屏蔽罩不能跟阴 极靠得很近，至少要间隔1cm～2cm，因此屏蔽效果差 一些，暗电流和噪声都比阴极接地时大，而且整个倍 增管装臵的体积也要大些。
6）使用注意事项
使用前应了解器件的特性。真空光电器件的共同特点是
灵敏度高、惰性小、供电电压高、采用玻璃外壳、抗震性差。
使用时不宜用强光照。光照过强时，光电线性会变差而 且容易使光电阴极疲劳（轻度疲劳经一段时间可恢复，重度疲 劳不能恢复），缩短寿命。 工作电流不宜过大。工作电流大时会烧毁阴极面，或使 倍增级二次电子发射系数下降，增益降低，光电线性变差，缩 短寿命。 用来测量交变光时，负载电阻不宜很大，因为负载电阻 和管子的等效电容一起构成电路的时间常数，若负载电阻较大 ，时间常数就变大，频带将变窄。
响输出特性。目前已有光电倍增管专用的电源稳压块。
电源电压的变化和放大倍数变化的关系为：
U D M M UD
2)电阻链分压电阻的确定
因倍增管中的电流与电阻链中的电流是并联关系，要保证各 级电压稳定，要求流过电阻链的电流IR至少要比阳极电流Ia大20
倍以上。
一般说，IR越大，对稳定极间电压UD越有利。但IR也不能太 大，因为IR太大会增大电阻的功耗，加重电源负担。当UD给定 后，分压电阻R的最大值应取决于阳极的最大平均电流，R最小 值应取决于高压电源输出的功率。一般常用分压器的阻值选择范
㈢、PMT的供电电路
倍增管各电极要求直流供电，从阴极开始至各级 的电压要依次升高，一般多采用电阻链分压办法来 供电。一般情况下，各级间电压均相等，约80V～ 100V，总电压约1KV～1.3KV。
1)电源电压稳定性的要求
对电源电压稳定性要求较高。如果电源电压不稳，会
引起许多参量的变化，特别是电流增益变化，从而直接影
金属材料是否满足良好的光电发射材料的条件？
★金属吸收效率很低 ；
★金属中光电子溢出深度很浅，只有几纳米；
★金属溢出功大多为大于3eV，对λ>410nm的可见光来
说，很难产生光电发射，量子效率低；
半导体材料是否满足良好的光电发射材料的条件？
★光吸收系数比金属大；
★体内自由电子少，散射能量变小——故量子效 率比金属大； ★光发射波长延伸至可见光、近红外波段。
二、光电池
★它是利用光生伏特效应制成的将光能转换成电能的
器件。它是一种不需加偏压就能把光能直接转换成电
能P-N结光电器件。
★按用途可分成太阳能光电池和光电检测光电池。
在P（N）型硅作基底，然后在基底上扩散N（P） 型半导体作为受光面。构成P-N结后，再经过各种工 艺处理，分别在基底和光敏面上制作输出电极，涂 上二氧化硅作保护膜，即成光电池。
A、处理电路
C、透镜
B、光电管
D、光电探测器
第二节、真空光电探测器件
1、结构及分类
光电管分真空光电管和充气
光电管两种。若球内充低压惰性
气体就成为充气光电管。
2、工作原理
光电阴极通常采用逸出功小的光敏材料。当光线 照射到光敏材料上便有电子逸出，这些电子被具有 正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流， 在外电路就产生电流。若在外电路串入一定阻值的 电阻，则在该电阻上的电压降或电路中的电流大小 都与光强成函数关系，从而实现光电转换。
光电探测器在没有输入信号和背景辐射时所流过 的电流(加电源时)。一般测量其直流值或平均值。
5．信噪比(S／N)
它是在负载电阻上产生的信号功率与噪声功率之 比，即
2 2 S PS I S RL I S 2 2 N PN I N RL I N
若用分贝(dB)表示，则为
2 S IS IS 10lg 2 20lg IN IN N dB
★ 70年代后期，发展了负电子亲和势（NEA）光电阴
极，长波可至1.6μm。
3．电子光学系统
(1)使光电阴极发射的光电子尽可能全部会聚到第一倍 增极上，而将其他部分的杂散电子散射掉，提高信噪比；
(2)使阴极面上各处发射的光电子在电子光学系统中有 尽可能相等的渡越时间，以保证光电倍增管的快速响应。
聚焦极 光电阴极
小，电导增加。若连接电源和负载电阻，即可输出电
信号。
g P g L gd I P＝I L I d
优点：灵敏度高，工作电流大（达数毫安） ，
光谱响应范围宽，所测光强范围宽，，无极性之分。 缺点：响应时间长，频率特性差，强光线性差， 受温度影响大。 主要用于红外的弱光探测与开关控制。
路灯自动点熄原理图如图所示，分析它的工作原理。
⑴光谱响应度
光电探测器的输出电压或输出电流与入射到探测
器上的单色辐射通量之比，光谱响应度愈大，表示光
电探测器愈灵敏。
VO IO S 或S
⑵积分响应度
光电探测器输出的电流或电压与入射总光通量之
比称为积分响应度。积分灵敏度表示探测器对连续
辐射通量的反应程度。
IO S

0
1
S d


0
d
2．响应时间
当入射辐射到光电探 测器后或入射辐射遮断后，
光电探测器的输出上升到
稳定值或下降到照射前的
值所需时间称为响应时间。
上升时间和下降时间
3．频率响应
光电探测器的响应随入射辐射的调制频率而变化
的特性称为频率响应。
4．暗电流Id
I
I
Ip
U
RL
Ij
Uபைடு நூலகம்
RL
符号
连接电路
第二章、光电检测器件
光电检测器件是利用物质的光电效应把光信号
转换成电信号的器件。它是光电系统的核心组成部
分，在光电系统中的作用是发现信号、测量信号，
并为随后的应用提取某些必要的信息。
热电探测器特点：①响应波长无选择性，它对从 可见光到远红外的各种波长的辐射同样敏感。②响 应慢，吸收辐射产生信号需要的时间长，一般在几 毫秒以上。
当光照到PN结表面时，如果光子能量足够大，就
将在PN结附近激发电子－空穴对，在PN结内电场作用
下，N区的光生空穴拉向P区，P区的光生电子拉向N区，
结果在N区聚集了电子，P区聚集了空穴，这样在N区和
P区之间产生了电势差。
光电检测光电池具有光敏面积大，频率响应高， 光电流随照度线性变化。 太阳能光电池耐辐射，转换效率高，成本低，体 积小，结构简单、重量轻、可靠性高、寿命长，在 空间能直接利用太阳能转换成电能的特点。
一、简答题
1、光电倍增管的基本结构与工作原理是什么？
二、文献检索
什么是负电子亲和势（NEA）光电阴极？原理？
三、选择题
1、关于PMT，错误的是（ ）
A、使用时不宜用强光照
C、工作电流不宜过大
B、抗震性好
D、选大负载电阻来扩
展频带2、2、关于良好的光电发射材料，错误的是（）
A、光吸收系数要小 B、溢出深度要小
㈡、基本特性参数
1．光谱响应度
PMT的光谱响应曲线与光电阴极的相同，主要取决于光电阴
极材料的性质。
2．放大倍数(电流增益)
在一定工作电压下，光电倍增管的阳极电流与阴极电流之
比称为管子的放大倍数M或电流增益G。
ia M (或G） iK
3.暗电流
它限制了可测直流光通量的最小值，同时也是产生噪声的重 要因素，是鉴别管子质量的重要参量。应选取暗电流较小的管 子。
C、材料的溢出功要小
D、有一定的电导率
三、计算题
现有GDB-423光电倍增管的阴极有效面积为2cm2 ， 阴极灵敏度为25μA/lm，倍增系统的放大倍数105， 阳极额定电流为20μA，求允许的最大照度。
第三节、半导体光电检测器件
一、光敏电阻
本征型半导体光敏电阻、掺杂型半导体光敏电阻
当入射光子使电子由价带越升到导带时，导带中 的电子和价带中的空穴均参与导电，因此电阻显著减
光电发射大致可分三个过程：
⑴光射入物体后，物体中的电子吸收光子能
量，从基态跃迁到能量高于真空能级（真空中 静止电子能量）的激发态。 ⑵受激电子从受激地点出发，在向表面运动过程中免不了要同 其它电子或晶格发生碰撞，而失去一部分能量。 ⑶达到表面的电子，如果仍有足够的能量足以克服表面势垒对 电子的束缚（即溢出功）时，即可从表面溢出。
4．二次发射倍增系统
倍增系统是由许多倍增极组成的综合体，每个倍增极都是由二
次电子倍增材料构成，具有使一次电子倍增的能力。因此倍增系统 是决定整管灵敏度最关键的部分。
5．阳极
阳极是采用金属网作的栅网状结构，把它臵于靠近最末一级倍 增极附近，用来收集最末一级倍增极发射出来的电子。
光电阴极
电子光学输入系统
阳极
光入射窗口
二次发射电子倍增器
1、光子透过入射窗入射到光电阴极K上。 2、光电阴极的电子受光子激发，离开表面发射到真空中。
3、光电子通过电场加速和电子光学系统聚焦入射到第一倍增极D1 上，倍增极发射出比入射电子数目更多的二次电子。入射电子经N 级倍增后，光电子就放大N次。 4、经过倍增后的二次电子由阳极a收集起来，形成阳极光电流，在 负载RL上产生信号电压。
3、优缺点
优点：光电阴极面积大，灵敏度较高；暗电流
小，最低可达10-14A；光电发射弛豫过程极短。
缺点：真空光电管一般体积都比较大、工作电
压高达百伏到数百伏、玻壳容易破碎等。目前已基
本被固体光电器件所代替。
建立在光电效应、二次电子发射和电子光学理 论基础上的，把微弱入射光转换成光电子，并获倍 增的器件。
光电探测器特点：①响应波长有选择性，存在某 一截止波长λ0，超过此波长，器件没有响应。 ②响 应快，一般在纳秒到几百微秒。
第一节、基本特性参数
1.响应度（或灵敏度)
光电探测器的输出电压或输出电流(或光电导) 与入射光功率(或光照度)之比，它描述器件的光电
转换效能。
电压响应度 电流响应度 电导响应度 VO SV Pi IO SI Pi g光 Sg Ei
良好的光电发射材料应具备下述条件：
⑴光吸收系数大，以便体内有较多的电 子受到激发；
⑵光电子在体内传输过程中受到的能量 损失小，使其溢出深度大； ⑶材料的逸出功要小，使到达真空界面的电子 能够比较容易地溢出； ⑷另外，作为光电阴极，其材料还要有一定的 电导率，以便能够通过外电源来补充因光电发射所 失去的电子。
围为20KΩ ～500KΩ
3)并联电容的确定 倍增管的输出电流主
要是来自于最后几级，
探测脉冲光时，为了不
C1 C 2 C 3
使阳极脉动电流引起极
间电压发生大的变化，
常在最后几级的分压电
阻上并联电容器。
4)接地方式
倍增管供电电路与其
后续信号处理电路必须
阴极接地
要有一个共用的参考电
位，即接地点。倍增管