第二章第3节 光电探测器

真空光电管的伏安特性
• 当光通量一定 时，阳极电压 与阳极电流的 关系，叫做光 电管的伏安特 性曲线。光电 管的工作点应 选在光电流与 阳极电压无关 的区域内。
真空光电管的光照特性
• 当光电管的阳极和阴极之 间所加电压一定时，光通 量与光电流之间的关系为 光电管的光照特性。曲线 1表示氧铯阴极光电管的 光照特性，光电流与光通 量成线性关系。曲线2为 锑铯阴极的光电管光照特 性，它呈非线性关系。光 照特性曲线的斜率(光电 流与入射光光通量之比) 称为光电管的灵敏度。
4．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 材料构成的，具有使一次电子倍增的能力。倍增系统是决定整管灵敏度最关键 的部分。 5．阳极 阳极是用来收集最末一级倍增极发射出来的电子的。现在普遍采用金属网来 作阳极，使它置于靠近于最末一级倍增极附近。
• 如果在光电阴极上由于入射光的作用发射出一个电子，这个 电子将被第一倍增极的正电压所加速而轰击第一倍增极，设 这时第一倍增极有δ 个二次电子发出，这个电子又轰击第二 倍增极，而其产生的二次电子又增加δ 倍,经过n个倍增极后， 原先一个电子将变为δ n个电子，这些电子最后被阳极所收 集而在光电阴极与阳极之间形成电流。构成倍增极的材料的 δ ＞1．设δ ＝4，在n＝10时，则放大倍数为δ n 为4的10 次方。可见光电倍增管的放大倍数是很高的。 • 光电倍增管的伏安特性曲线的形状与光电管很相似，其它特 性也基本相同。
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光电倍增管光电特性
当光通量很大时，特性曲 线开始明显偏离直线。因 此，在工作时阴极不能有 强光照射，否则易损坏管 子。因它的灵敏度高，光 电倍增管允许测量非常小 的光通量，或所需放大器 的级数可以较少。
光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度
• 光电阴极的灵敏度：一个光子 在阴极上能够打出的平均电子 数。 • 光电倍增管的总灵敏度：一个 光子在阳极上产生的平均电子 数。 • 极间电压越高，灵敏度越高； 但极间电压也不能太高，太高 反而会使阳极电流不稳， • 另外，由于光电倍增管的灵敏 度很高．所以不能受强光照射, 否则将会损坏。
热释电效应
• 热释电效应是通过热释电材料实现的。热释电材料是电介 质、绝缘体，是一种结晶对称性很差的压电晶体，在常态 下具有自发极化（固有电偶极矩）。 • 如果对热电体施加直流电场，自发极化矢量将趋于一致排 列（形成单畴极化），总的电极化矢量Ps加大。当电场去 掉后，如果总的Ps能保持下来，这种热电体有时称为热电 -铁电体，是实现热释电效应的理想材料。 热电体的|Ps|决定了材料表面面电荷密度 σS的大小，经过单畴极化的热电体，保 持有较大的|Ps|。 |Ps|值是温度的函数， 温度升高， |Ps|值减小。升高到Tc值时， 自发极化突然消失， Tc称为居里温度。 在Tc温度以下，才有热释电现象。
第三节光纤传感器的光探测器
在光纤传感器中，光探测器性能好坏既 影响被测物理量的变换准确度，又关系到 光探测接收系统的质量。它的线性度、灵 敏度、带宽等参数直接关系到传感器的总 体性能。 常用的光探测器有光敏二极管、光敏三 极管、光电倍增管、ＣＣＤ等。
定 义
光电式传感器是能将光能转换为电能的一种 器件，简称光电器件。它的物理基础是光电效应。 由于光电元件响应快，结构简单．而且有较高的 可靠性等优点，在现代测量与控制系统中，应用 非常广泛。 • 大多数光电探测器都是把光辐射转换为电量来 实现探测，即便直接转换量是非电量（温度、体 积等）时，通常也总是把非电量再转换为电量来 测量。 • 光电探测器的物理效应通常分为两类：光子效应 和光热效应。
• 当强度变化的光照射热电体时，热电体温度发生变化， Ps也发生变 化，面电荷从原来的平衡值跟着变化。热电体表面附近的自由电荷 对面电荷的中和作用比较缓慢，热电体侧表面就呈现出相应于温度 变化的面电荷的变化。这就是热释电现象。 • 如果把热电体放进一个电容器极板之间，把电流表与电容器两端相 接，就会有电流流过电流表，称为短路热释电流，如果极板面积为A， 则电流为
Ek h E 1 2 Ek m V 2
如果发射体内电子所吸收的光子能量大于发射体 的功函数，那么电子就能以相应的速度从发射体 表面逸出。光电效应发生条件

E h
c
光电导效应 • 光电导效应：金属没有光电导效应，只发生在某些半导体 材料中。光辐射照射外加电压的半导体，如果光波长满足 以下条件：
光电倍增管PhotoMultiplier Tube（PMT）
• 在入射光极为微弱时，光电管能产生的光电流就很小，在 这种情况下即使光电流能被放大，但信号与噪声同时被放 大了，为了克服这个缺点，就要采用光电倍增管。
• 在各种感光器件中，光电倍增管是性能最好的一种，无论 在灵敏度、噪声系数还是动态范围上都遥遥领先于其他的 感光器件，更难能可贵的是它的输出信号在相当大范围内 保持着高度的线性输出，使输出信号几乎不用做任何修正 就可以直接获得很准确的色彩还原。电阻
• 光敏电阻是用光电导体制成的
光电器件，无需形成PN结，又 称无结光电探测器，它是基于光 电导效应工作的。光敏电阻没有 极性，纯粹是一个电阻器件，使 用时可加直流偏压，也可以加交 流电压。当无光照时，光敏电阻 值(暗电阻)很大．电路中电流很 小。当光敏电阻受到一定波长范 围的光照时，它的阻值(亮电阻) 急剧减少，因此电路中电流迅速 增加。
光热效应
• 温差电效应 • 热释电效应
• 温差电效应
当两种不同配偶材料（可以是金属或半导体）两端并 联熔接时，如果两个接头温度不同，并联回路中就产生电 动势，称为温差电动势，回路中就有电流流通。如果把冷 端分开并与电表相接，当光照熔接端（称为电偶接头）时， 吸收光能使电偶接头温度升高，电表就有相应的电流读数， 反映光照能量大小。实际中，为了提高灵敏度，常将若干 个热电偶串联起来使用，称为热电堆，在激光能量计中得 到应用。
光电倍增管暗电流和本底脉冲
• 一般在使用光电倍增管时，必须把管子放在暗室 里避光使用，使其只对入射光起作用。但是由于 环境温度、热辐射和其他因素的影响，即使没有 光信号输入，加上电压后阳极仍有电流，这种电 流称为暗电流。这种暗电流通常可以用补偿电路 加以消除。 • 光电倍增管的阴极前面放一块闪烁体、就构成闪 烁计数器。在闪烁体受到人眼看不见的宇宙射线 的照射后，光电倍增管就会有电流信号输出，这 种电流称为闪烁计数器的暗电流，一般把它称为 本底脉冲。
1.24 1.24 c Eg (ev) Ei (ev)
• 那么光子将在其中激发出新的载流子。这就使半导体中的 载流子浓度在原来平衡值上增加，增加值叫非平衡载流子 即光生载流子，将使半导体的电导增加，即光电导效应。 光导效应是半导体的体效应。
光生伏特效应 光伏效应是半导体材料的结效应，当照射光激 发出电子空穴，内建电场将把电子-空穴对分开， 在势垒两旁形成电荷堆积，形成光生伏特效应。 如光电二极管等。
光热探测器
• 光热探测器在光电探测器中也有重要的地位。如激光功率 和能量测量都广泛使用热电和热释电探测器。尤其是热释 电探测器，工作时无须冷却，也无须偏压电源，可以在室 温工作，也可在高温工作，结构简单使用方便；从近紫外 到远红外的宽广波段有几乎均匀的光谱响应，在较高的频 率和温度范围内有较高的探测度。特别是对10.6微米的激 光探测有广阔发展前途。 • 热释电材料： 最早、最成熟的是硫酸三绀酞（TGS），但居里温 度低，承受强光能力差。以后发展有铌酸锶钡（SBN）、 钽酸锂（LT）、钛酸铅陶瓷（PT）、钛酸锆酸铅陶瓷 （PZT）等，PT和LT材料的居里温度高，响应动态范围 大，损伤阈值高，不宜烧坏。因此在激光能量测量和探测 以及涉及强光测量中有重要应用价值。
光电倍增管在闪烁计数器中的应用
闪烁计数器是一种通用的精密核辐射探测器。核辐射源 辐射的粒子通过闪烁体时，闪烁体被射线电离、激发，并发 出一定波长的光，这些光子传输后射到到倍增管的光阴极发 生光电效应而释放出电子，经倍增放大后输出电脉冲信号至 记录设备中。只要测出脉冲信号的数目及幅度，便可以测出 射线的强弱和能量的大小。现代闪烁探测器往往配备有计算 机系统来处理测量结果。 辐射射线
光电探测器
• • • • 光电管 光敏电阻 光电池 光电耦合器件（CCD）
一、光电管
• 真空光电管 • 充气光电管 • 光电倍增管
真空光电管
• 在一个真空的玻璃泡内装有二个电极：光电阴极和阳极。 光电阴极有的是贴附在玻璃泡内壁，有的是涂在半圆筒形 的金属片上，阴极对光电感的一面是向内的，在阴极前装 有单根金属丝或环状的阳极。当阴极受到适当波长的光线 照射时便发射电子．电子被带正电位的阳极所吸引，这样 在光电管内就有电子流，在外电路中便产生了电流。
dPs dPs dT dT iA A A dt dT dt dt dPs 式中 dT
称为热释电系数。如果照射光恒定，那 么T为恒定值， Ps也为恒定值，电流为 0。所以热释电探测器为交流或瞬时响 应器件。
热释电效应：在热平衡条件下，电介质因自 发极化要产生表面束缚电荷，这种电荷被来 自空气中附集于电介质表面上的自由电荷所 补偿，其电不能显现出来，当温度发生变化， 由温度变化引起电介质的极化状态的改变不 能及时被来自电介质表面上的自由电荷所补 偿，使电介质对外显电性。
光敏电阻的结构
管芯是一块安装在绝缘衬底上的带有两个欧姆接触电极的光电 导体。半导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面 薄层，虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但深入厚度 有限．因此光电导体一般都做成薄层。为了获得很高灵敏度， 光敏电阻的电极一般采用梳状，在间距很近的电极之间有可能 采用大的极板面积．所以提高了光敏电阻的灵敏度。
光子效应
• 外光电效应：在光线作用下使物体的电子逐出表面 的现象。如光电管、光电倍增管等。 • 内光电效应：在光线作用下，物体的导电性能发生 变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应，如 光电二极管、光电三极管等。