第四章真空光电器件
光电成像原理与应用复习资料
光电成像原理与应⽤复习资料1、光电效应应按部位不同分为内光电效应和外光电效应，内光电效应包括（光电导）和（光伏效应）。
2、真空光电器件是⼀种基于（外光电）效应的器件，它包括（光电管）和（光电倍增管）。
3、光电导器件是基于半导体材料的（光电导）效应制成的，最典型的光电导器件是（光敏电阻）。
4、硅光电⼆极管在反偏置条件下的⼯作模式为（光电导），在零偏置条件下的⼯作模式为（光伏模式）。
5、变象管是⼀种能把各种（不可见）辐射图像转换成为（可见）图像的真空光电成像器件。
6、固体成像器件电荷转移通道主要有两⼤类，⼀类是（SCCD），另⼀类是（BCCD）。
7、光电技术室（光⼦技术）和（电⼦技术）相结合⽽形成的⼀门技术。
8、场致发光有（直流）、（交流）和结型三种形态。
9、常⽤的光电阴极有（正电⼦亲合势光电阴极）和（负电⼦亲合势光电阴极），正电⼦亲和势材料光电阴极有哪些（Ag-O-Cs,单碱锑化物，多碱锑化物）。
10、根据衬底材料的不同，硅光电⼆极管可分为（2DU）型和（2CU）型两种。
11、像增强器是⼀种能把（微弱）增强到可以使⼈眼直接观察的真空光电成像器件，因此也称为（微光管）。
12、光导纤维简称光纤，光纤有（纤芯）、（包层）及（外套）组成。
13、光源按光波在时间，空间上的相位特征可分为（相⼲）和（⾮相⼲）光源。
14、光纤的⾊散有材料⾊散、（波导⾊散）和（多模⾊散）。
15、光纤⾯板按传像性能分为（普通OFP）、（变放⼤率的锥形OFP）和（传递倒像的扭像器）。
16、光纤的数值孔径表达式为（），它是光纤的⼀个基本参数、它反映了光纤的（集光）能⼒。
17、真空光电器件是基于（外光电）效应的光电探测器，他的结构特点是有⼀个（真空管），其他元件都置于（真空管）。
18、根据衬底材料的不同，硅光电电池可分为（2DR）型和（2CR）型两种。
19、根据衬底材料的不同，硅光点⼆、三级管可分为（3DU）型和（3CU）型两种。
20、为了从数量上描述⼈眼对各种波长辐射能的相对敏感度，引⼊视见函数V（f）, 视见函数有（明视见函数）和（暗视见函数）。
第5章真空光电器件
真空光电器件是基于外光电效应的光电探测器
真空光电器件包括光电管和光电倍增管
结构特点:有一个真空管、一个光电阴极和一个光电阳 极。光电阴极和其它元件都放在真空管中。
什么是光电阴极?
能够产生光电发射效应的物体称为光电发射体，光电 发射体在光电器件中常与阴极相联故称为光电阴极 。
一.光电阴极 (一).光电阴极的主要参数
简述真空型和充气型两 种光电管的工作原理?
工作原理
(二). 光电倍增管(PMT)
GDB-223 1．光光电电倍倍增增管管的是结在构光电管的基础上研制出来的一种真空光 电器件光，电在倍结增构管上主增要加由了入电射子窗光口学、系光统电和阴电极子、倍电增子极光，学因系此统、 极电大子的倍提增高系了统检和测阳灵极敏五度个。主要部分组成。
它表示在某些特定的波长区域，阴极光电流与入射光的 光通量之比。
的透射一比般不用同不，同它的实的又滤际积分光上分别片是灵称来局敏为获部度蓝得波光不长灵同范敏的围度光、谱红范光围灵，敏滤度光及片红 外灵敏。
(3) 光谱灵敏度
波长一定的单色光照射时，光电阴极发出的光电流
与入射的单色光通量之比。
2.量子效率
S() I () e ()
阴极发射的光电子数 Ne(λ)与入射的光子数 Np(λ)之比，
称为量子效率:
() Ne ()
Np ()
可以看出：
量子效率和光谱灵敏度之间的关系:
量子效率和
光谱灵敏度
() I () / q S()hc S()1240
e () / h q
是同一物理 意义的两种 不同描述
● 光谱响应率均匀,且光谱响应延伸到红外；
● 热电子长发波射限小为，表面附近无长自波由限电为子，P-Si禁带宽度大，
真空光电元件
4.1光電陰極一、光電陰極的主要參數1.靈敏度(1)光照靈敏度(2)色光靈敏度(3)光譜靈敏度就是局部光譜區域的積分靈敏度。
它表示在某些特定的波長區，通常用特性已知的濾光片（藍色為QB24、紅色為HB11、紅外為HWB3）插入光路，然後測得的光電流與未插入濾光片時陰極所受光照的光通量之比。
根據插入濾光片的光譜透射比的不同（圖4-1），它又分別稱為藍光靈敏度、紅光靈敏度及紅外靈敏度。
2.量子效率量子效率和光譜靈敏度是一個物理量的兩種表示方法。
它們之間的關係如下(4.1)：式中λ單位為nm；S(λ)為光譜靈敏度，單位為A/W。
3.光譜響應曲線光電陰極的光譜靈敏度或量子效率與入射輻射波長的關係曲線，稱為光譜響應曲線。
真空光電元件中的長波靈敏度極限，主要由光電陰極材料的截止波長決定。
4.熱電子發射光電陰極中有少數電子的熱能大於光電陰極游離能，因而產生熱電子發射。
室溫下典型陰極每秒每平方厘米發射二個數量級的電子，相當於10∼10Acm的電流密度。
這些熱發射電子會引起雜訊，限制著感測器的靈敏度極限。
二、銀氧銫（Ag-O-Cs）光電陰極銀氧銫陰極是最早出現的實用光電陰極。
目前，除了Ⅲ-Ⅴ族的光電陰極外，它仍然是在近紅外區具有使用價值的唯一陰極。
銀氧銫陰極是以Ag為基底，氧化銀為中間層，上面再有一層帶有過剩Cs原子及Ag原子的氧化銫，而表面由Cs原子組成，可用Ag−CsOAgCs-Cs的符號表示，如圖4-2⒜所示。
有一些光電元件也有不用氧化，而是用硫化，或以鹼金屬代替銫原子，目的都是希望得到高的響應率及合適的光譜響應範圍。
Ag-O-Cs光電陰極的光譜響應曲線如圖4-2⒝所示。
銻銫陰極的典型光譜響應曲線如圖4-3所示。
它在可見光的短波區和近紫外區（0.3∼0.45μm）響應度最高，其量子效率可達25%，截止波長在0.65μm附近；它的典型光照靈敏度達60μA/lm，比銀氧銫陰極高得多。
CsSb陰極的熱電子發射（約10A/cm）和疲勞特性均優於銀氧銫陰極，而且製造技術簡單，目前使用比較普遍。
光电检测技术复习
第四章 光电导器件
• 工作原理 • 主要特性参数 • 偏置电路和噪声 • 特点与应用
工作原理
• 基于内光电效应（光电导效应） • 暗电流、亮电流、光电流及三者的关系
IP
U L
A
U L
q( nn
p p
)A
qUN L2
(
n
p
)
主要特性参数
• 光电灵敏度 g p Sg E
• 用负载电阻实现电流电压转换
• 用运算放大器实现电流电压转换
光电倍增管的应用
– 负电子亲合势及其特点
光电管与光电倍增管
• 光电管
– 玻壳、光电阴极和阳极组成，真空型和充气型
• 光电倍增管
– 基于外光电效应和二次电子发射效应 – 结构上与光电管的区别：电子光学系统和倍增
级
光电倍增管
• 工作原理 • 典型参数
阴极K
D2
D4
D1
D3
D5
U1 U2 U3
U4 U5
U6
A阳极 μA
I p I0 (e kT 1)
硅光电池
• 特性参数
– 光照特性——开路时、短路时、有限负载时
线性区
IL
Uoc1 Uoc2 Uoc3 Uoc4
Isc1 Isc2
Isc3
E1
U
E2
E3 E4
RL2
Isc4
RL1
硅光电二极管和三极管
• 一般在反向偏压下工作
I
E=0
U
E1
E2 光导工作区
qU
IL I p I0( e kT 1) IP I0 IP SEE
第4章 光电发射器件
光电发射器件是基于外光电效应的器件，它包括真空光电 光电发射器件是基于外光电效应的器件，它包括真空光电 二极管、光电倍增管、变像管、像增强器和 二极管、光电倍增管、变像管、像增强器和真空电子束摄像管 等器件。 等器件。 真空光电发射器件具有极高的灵敏度、快速响应等特点， 真空光电发射器件具有极高的灵敏度、快速响应等特点，它 极高的灵敏度 等特点 在微弱辐射的探测和快速弱辐射脉冲信息的捕捉等方面仍具有相 微弱辐射的探测和快速弱辐射脉冲信息的捕捉等方面仍具有相 脉冲信息的捕捉 当大的应用领地。 当大的应用领地。
13
36
4.3 光电倍增管的基本特性
1. 灵敏度 (1) 阴极灵敏度 光电倍增管阴极电流I 与入射光谱辐射通量之比, 光电倍增管阴极电流 k与入射光谱辐射通量之比, 称为阴极的光谱灵敏度， 称为阴极的光谱灵敏度，即：
Sk ,λ Ik = Φe,λ
(4-2)
若入射辐射为白光，则以阴极积分灵敏度， 若入射辐射为白光，则以阴极积分灵敏度，Ik与光 谱辐射通量的积分之比，记作S 谱辐射通量的积分之比，记作 k
Sk =
∫
∞
Ik Φ e,λ dλ
(4-3)
14
0
(2) 阳极灵敏度 光电倍增管阳极输出电流Ia与入射光谱辐射通量之 比称为阳极的光谱灵敏度， 比称为阳极的光谱灵敏度，即：
Sa ,λ
Ia = Φe, λ
(4-4)
若入射辐射为白光，则定义为阳极积分灵敏度，记为 若入射辐射为白光，则定义为阳极积分灵敏度，记为Sa
9
(1) 真空型光电管的工作原理 当入射光透过真空型光电管的入射窗照射到光电阴 极面上时，光电子就从阴极发射出去， 极面上时，光电子就从阴极发射出去，在阴极和阳极之 间形成的电场作用下，光电子在极间作加速运动， 间形成的电场作用下，光电子在极间作加速运动，被高 电位的阳极收集， 电位的阳极收集，其光电流的大小主要由阴极灵敏度和 入射辐射的强度决定。 入射辐射的强度决定。 (2) 充气型光电管的工作原理 光照产生的光电子在电场作用下运动， 光照产生的光电子在电场作用下运动，途中与惰性 气体原子碰撞而电离，电离又产生新电子， 气体原子碰撞而电离，电离又产生新电子，它与光电子 一起被阳极收集， 一起被阳极收集，形成数倍于真空型光电管的光电流 .
4.1真空成像器件解析
南京理工大学 何勇
光电成像器件 －－真空光电器件
(三)、主要参数
1．光电特性
摄象管输出的光电流与入射的光照度之间的 函数关系常表示为
Ip=kEγ
Ip：光电流 γ：光照指数 E：照度 k：比例系数
由图可见，在光电转换特性中最重要的参量是γ。γ＝1表示Ip与E成正比例关系， 这时，电视信号的灰度等级均匀。γ＜1，电视信号有均匀的灰度畸变，但此时 在低照度下的灵敏度有相对的增加，高照度下的光电特性呈一定的饱和状态。γ ＝1有利于提高暗场时的信噪比，γ＜l有利于扩展动态范围，γ＞1是不适用的。
光电成像器件 －－真空光电器件
2. 内光电变换型（光电导型）
把没有移象区的摄象管称为光 电导式摄象管或视象管，它的 两部分功能全由一个靶来完成。 电子枪部分二者基本相同。这两类管子比 较，光电发射式摄象管历史最早，信号质 量也最高，但体积大，结构复杂，调整麻 烦，所以目前除特殊场合（微光摄象领域） 外一般用得较少。光电导式摄象管比前者 体积小，结构简单，信号质量有的也接近 于前者，所以电视领域中用得较为普遍。
南京理工大学 何勇
光电成像器件 －－真空光电器件
（二）基本原理
摄象管的工作原理是：先将输入的光学图象转 换成电荷图象，然后通过电荷的 积累和储存构成电 位图象，最后通过电子束扫描把电位图象读出，形成 视频信号输出。
南京理工大学 何勇
光电成像器件 －－真空光电器件
摄象管具有三个基本功能：光电变换、光电信息的积累、储存及 扫描输出。当被摄景物的光学图象通过物镜投射到摄象管上时， 由于摄象管受照面的材料具有光导或光电发射作用，在摄象管的 靶面上(或光电阴极面上)就建立起与入射照度分布相对应的电位 起伏，这就完成了光电变换的功能，从电子枪发射出来的电子束 依次沿着靶面扫描，扫描线经过某一点(称为象素)的时间只占扫 描整个光敏面所需周期的极小部分(0.062μs)，为了提高检测灵 敏度，每个象素在扫描周期内应不间断地对转换后的电量进行积 累，这时靶又起到了积累存储光电信息的功能，当电子束依次沿 着靶面扫描，将靶面的电位起伏顺序地转变成视频信号输出，就 完成了扫描输出的功能。
《真空光电器》课件
与气体光电器件相比，真空光电器件 具有更高的光电转换效率和能量利用 率，能够实现高效的光电转换和能量 转换。
与液体光电器件相比，真空光电器件 具有更长的使用寿命和更高的稳定性 ，能够在各种环境下稳定工作。
PART 04
真空光电器的制造工艺和 材料
REPORTING
真空光电器制造工艺流程
清洗与切割
如金、银、铜等，用于电极和导线的制作，提供良好的导电性能。
陶瓷材料
如氧化铝、氮化硅等，用于绝缘和支撑结构，提供良好的机械稳定 性。
真空光电器制造中的关键技术
真空技术
在制造过程中维持真空环境，确保光电器件的正常工作。
薄膜技术
通过物理或化学方法在材料表面形成均匀、连续的薄膜，是制造 光电器件的关键步骤。
对未来研究的建议
加强基础研究 深入研究真空光电器件的物理机 制、材料特性、工艺技术等方面 的知识，为器件性能的提升提供 理论支持。
加强国际合作与交流 积极参与国际学术交流与合作， 引进先进技术，提高我国在真空 光电器件领域的国际竞争力。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
创新材料与工艺 探索新型材料和工艺，以提高真 空光电器件的性能和稳定性，降 低制造成本，提高生产效率。
特点
高速度、低噪声、高可靠性、长寿命 等。
真空光电器的重要性
01
02
03
信息传输
真空光电器在高速光纤通 信网络中扮演着关键角色 ，能够实现高速、大容量 的信息传输。
信息处理
真空光电器具有高速并行 处理能力，能够用于高性 能计算、图像处理等领域 。
存储技术
真空光电器可以实现高密 度、快速读写的信息存储 ，对未来信息技术的发展 具有重要意义。
智能化与自动化
第4章真空光电器件
光电倍增管中的二次电子发射材料要求： ①在低的工作电压下具有大的二发射系数值； ②热电子发射小， ③在较高温度和较大的一次电子密度条件下， 发射系数保持稳定。 常用的倍增极材料有： ①复杂的半导体型②合金型③负电子亲和势型
(2)倍增极结构 根据电子轨迹的型式可分为两大类，即聚 焦型和非聚焦型。 凡是由前一倍增极来的电子被加速和会聚 在下一倍增极上，在两个倍增极之间可能发生 电子束交叉的结构休为聚焦型。 非聚焦型形成的电场只能使电子加速，电 子轨迹都是平行的。
4．阳极 它的作用是接收从末级倍增极发射出的二次 电子，通过引线向外输出电流。对于阳极 的结构要求具有较高的电子收集率，能承 受较大的电流密度，并且在阳极附近的空 间不致产生空间电荷效应。此外，阳极的 输出电容要小，即阳极与末级倍增极及与 其它倍增极间的电容要很小．因此目前阳 极广泛采用栅网状结构。
根据电子倍增极的结构形式，目前光电倍增管 分成六种形式， ①鼠笼式：适宜与光谱仪器的狭缝匹配，特点 是结构紧凑，时间响应快 ②直线聚焦式：是一种聚焦式结构，用于端窗 式光电倍增管，特点是时间响应很快，线性 好。 ③盒栅式：用于端窗式光电倍增管。其主要特 点是均匀性和稳定性较好，但时间响应稍慢 一些。
二次发射过程可以分三步来描述： ①材料吸收一次电子的能量，激发体内电子到 高能态，这些被激电子称为内二次电子。 ②内二次电子中初速指向表面的那一部分向表 面运动，在运动过程中因散射而损失能量； ③如果到达界面的内二次电子仍有足以克服表 面势垒的能量，即逸出表面成为二次电子。
当一次电子能量过大， 电子穿透材料的有效深度 增加；尽管激发的内二次 电子数有所增加，但许多 深层的内二次电子在逸出 过程中，由于碰撞散射面 损失能量，结果不能逸出， 反而使二次发射系数 减 少。
光电技术习题及总复习
(2).该激光束投射在10m远的白色漫反射屏上,漫反射屏的 反射比为0.85,求屏上的光亮度
本题1问的关键: 辐射通量和光通量的转换关系要清楚；立体角
概念要清楚；立体角与平面角的关系？
1）光通量
v CVe 683 0.175 2103 0.239lm
第三和第四代像增强器？
28.光源的光谱功率分为哪几种情况？画出每种情况对应的
分布图？
29.光电测量系统中的噪声可分为三类，简述这三类噪声？ 等效噪声功率的表达式（两个）？
30.光和物质相互作用的三个过程是什么?产生激光的三个必要 条件是什么？激光器的类型和激光的特性是什么？
31.硅光电池最大的开路电压是多少？为什么它随温度升高
5.变像管是一种能把各种（ ）辐射图像转换成为（ ）图 像的真空光电成像器件。
第十六页，编辑于星期六：十六点 三十四分。
6. 电荷耦合器（CCD）电荷转移的沟道主要有两大类，一 类是（ ）, 另一类是（ ）。 7. 光电子技术是（ ）和（ ）相结合而形成的一门技术
8. 光源的颜色，包括两方面含义（ ）和（ ）。
而降低？
I0 4.22 1014 e0.1539t
32.什么是光纤的V归一 化2频a率参n1数2 ？n判22 断单2模a与n非1 单2模光纤的条件？
33.什么是“胖0”电荷？什么是“胖0”工作模式？“胖0”电荷的数 量是多少？引入“胖0”电荷的优缺点？
第二十页，编辑于星期六：十六点 三十四分。
34.光电探测器的特性参数有？为什么光敏电阻随光照增
πr102
r10=θR=10-3×10=10-2
该白色漫反射屏是不透明的, 其上的光斑是一个漫反射 源, 因漫反射光源的视亮度与θ无关,各方向都相同,因此该漫反 射源以π的立体角出射光通量0.85Фv ,故视亮度
《真空光电器件》课件
真空紫外光谱仪
真空紫外光谱仪利用真空光电器 件测量样品的紫外光谱特性，用 于化学和生物领域。
核辐射探测器
真空光电器件可以用于测量和监 测核辐射，保护人类免受辐射危 害。
六、真空光电器件的发展趋势
1
微型化
追求更小、更轻巧的器件，以适应不断缩小的电子设备。
2
多功能化
发展出具备多种功能的器件，实现多种工作模式和应用。
二次发射效应
二次发射效应使器件能够在光源暗时仍能产生电流。
热电发射效应
热电发射效应能够将热能转化为电能，实现电子的发射。
三、主要种类
1 光电倍增管
通过光电效应和二次发射效应实现强电流放 大。
2 光电倍增板
将光能转化为电子，然后通过二次发射效应 实现放大。
3 光电二极管
通过光电效应实现光电转换，产生电流。
《真空光电器件》PPT课 件
探索《真空光电器件》的神秘世界，了解其在现代科技中的应用以及未来的 发展趋势。
一、概述
真空光电器件是一类利用光电效应、二次发射效应和热电发射效应等原理运作的电子器件，在各个领域有着广 泛的应用。
二、真空光电器件的工作原理
光电效应
通过光电效应，光能转换为电能，产生电流。
4 光电导管
利用光电效应和二次发射效应实现光电转换 和放大。
四、真空光电器件的性能特点
灵敏度
真空光电器件具有高灵敏度， 能够在低光强条件下正常工 作。
稳定性
性能稳定，能够长时间稳定 工作。
可靠性
具有较高的可靠性和耐用性， 适用于各种极端环境。
五、应用案例
图像增强
真空光电器件广泛应用于夜视仪 器，提供清晰的图像增强效果。
第四章 光电成像器件
电荷耦合器件（CCD）
CCD类型： 表面沟道CCD（SCCD）：电荷包存储在半导体与 绝缘体之间的界面，并沿界面传输； 体沟道CCD（BCCD）：电荷包存储在离半导体表 面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向传 输——用离子注入方法改变转移沟道的结构，从而 使势能极小值脱离界面而进入衬底内部，形成体内 的转移沟道，避免了表面态的影响，使得该种器件 的转移效率高达99.999％以上，工作频率可高达 100MHz，且能做成大规模器件。 下面以表面沟道CCD为例介绍CCD基本原理
电荷耦合器件（Charge Coupled Device，即CCD） 互补金属氧化物半导体图像传感器（即CMOS） 电荷注入器件（Charge Injection Device，即CID）
4.3 电荷耦合器件
CCD(Charge Coupled Devices)
CCD图像传感器主要特点：
双列两相线阵CCD结构
光敏区:光敏二极管阵列，每个光敏元是一个像素。
转移栅:MOS电容构成,蔽光;控制光生电荷向移位寄存器转移。
移位寄存器:MOS电容构成,蔽光;控制光生电荷扫描移向输出端。
输出端:将光生电荷包转换为视频信号输出。
在Al电极上加驱动信号，MOS阵列使光生电荷包 自扫描输出。
输出端：输出栅OG；
进一步说明：
栅电极G
氧化层
P型半导体
耗尽区 浅势阱
反型层 深势阱
uG=0
uG<uth（MOS晶体管的开启电压）
uG>uth
电荷耦合器件工作在瞬态和深度耗尽状态
4.1真空成像器件
南京理工大学 何勇
光电成像器件 －－真空光电器件
(三)、主要参数
1．光电特性
摄象管输出的光电流与入射的光照度之间的 函数关系常表示为
Ip=kEγ
Ip：光电流 γ：光照指数 E：照度 k：比例系数
由图可见，在光电转换特性中最重要的参量是γ。γ＝1表示Ip与E成正比例关系， 这时，电视信号的灰度等级均匀。γ＜1，电视信号有均匀的灰度畸变，但此时 在低照度下的灵敏度有相对的增加，高照度下的光电特性呈一定的饱和状态。γ ＝1有利于提高暗场时的信噪比，γ＜l有利于扩展动态范围，γ＞1是不适用的。
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光电成像器件 －－真空光电器件
２．各部分的作用：
（1）光学物镜：把景物所反射的光成像到靶面上
（2）光电阴极：光电转换
（3）电子枪：产生热电子，并使它聚焦成很 细的电子射线，按着一定的轨迹扫描靶面。
南京理工大学 何勇
３．几种常见的视象管： （１）硅靶摄象管
光电成像器件 －－真空光电器件
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光电成像器件 －－真空光电器件
（二）基本原理
摄象管的工作原理是：先将输入的光学图象转 换成电荷图象，然后通过电荷的 积累和储存构成电 位图象，最后通过电子束扫描把电位图象读出，形成 视频信号输出。
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光电成像器件 －－真空光电器件
摄象管具有三个基本功能：光电变换、光电信息的积累、储存及 扫描输出。当被摄景物的光学图象通过物镜投射到摄象管上时， 由于摄象管受照面的材料具有光导或光电发射作用，在摄象管的 靶面上(或光电阴极面上)就建立起与入射照度分布相对应的电位 起伏，这就完成了光电变换的功能，从电子枪发射出来的电子束 依次沿着靶面扫描，扫描线经过某一点(称为象素)的时间只占扫 描整个光敏面所需周期的极小部分(0.062μs)，为了提高检测灵 敏度，每个象素在扫描周期内应不间断地对转换后的电量进行积 累，这时靶又起到了积累存储光电信息的功能，当电子束依次沿 着靶面扫描，将靶面的电位起伏顺序地转变成视频信号输出，就 完成了扫描输出的功能。
真空光电器件 [兼容模式]
![真空光电器件 [兼容模式]](https://img.taocdn.com/s3/m/2a37ef0c55270722192ef74b.png)
0.15 (lm)
时，所有的光电子都能到达 10
0.1
阳极，电压再增高，光电流
0.05
不再增大，光电流开始出现 5
0
饱和现象。
0 50 100 150 200 250
u/V
在饱和区，当电压u一定时，光电流与入射光功率成 线性变化。这种线性变化关系，保证了光电信息之 间的转换。
光电管通常都是工作在饱和区内，也就是说，偏置 电压要高于50-100伏。
5
4.5 在室温300K时，已知2CR21型硅光电池 （光敏面积5mm*5mm）辐射照度为 100mW/cm2时的开路电压为Voc=550mV， 短路电流Isc=6mA。试问：
（1）室温情况下，辐射度降到50mW/cm2时 的开路电压Voc和短路电流Isc。
（2）当将该硅光电池安装在如图所示的偏置 电路中时，若测得输出电压Vo=1V，求此 时光敏面的照度。
2014/5/26
第三章 真空光电器件
6
4.6 已知2CR44型硅光电池的光敏面积为 10mm*10mm，在室温为300K，辐射照度 为100mW/cm2时的开路电路Voc为550mV， 短路电流Isc=28mA。试问：辐照度为 200mW/cm2时的开路电压Voc、短路电流 Isc、获得最大功率的最佳负载电阻RL、最 大输出功率Pm和转换效率。
当需要定量测量光源的发光强度时，选用光电二 极管比选用光电三极管要好些，因为光度测量时， 对光电转换的新型和动态范围的要求比对灵敏度 的要求高。
但是在要求对弱辐进行探测时（发火点的探测）， 对微弱光的探测本领的要求高，这时，必须考虑 灵敏度、光谱响应和噪声等特性，对器件的响应
2
速度则不必过多地考虑。因此，光敏电阻是首选。
第四章光电发射器件
§4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理
二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tube）
2、光电倍增管的结构 （3）电子倍增极 ②倍增极结构 根据电子倍增极的结构形式，目前光电倍增管的倍增极分为 六种形式：鼠笼式、瓦片静电聚焦型、盒栅式、百叶窗式、近贴 栅式和微通道板式。
§4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理
真空光电器件
光电管→被半导体器件取代 光电倍增管
特点：灵敏度高、稳定性好、响应速度快和噪声小
在探测微弱光信号及快速脉冲光信号方面应用很多。
缺点：结构复杂，工作电压高，体积大
本章内容
4.1 光电阴极 4.2 光电管和光电倍增管结构原理 4.3 光电倍增管的主要特性参数 4.4 光电倍增管的工作电路
二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tube）
2、光电倍增管的结构 （3）电子倍增极 ②倍增极结构
A
鼠笼式
K
D8
D7
D6
D1
D2
D5
D4
D3
§4.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理
二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tube）
2、光电倍增管的结构 （3）电子倍增极
§4.1 光电发射阴极
光电发射阴极的主要作用是吸收光子能量发射光 电子，是我们光电效应发生的区域。 常将半导体发射材料涂于玻壳 内壁，构成光电阴极； 而阳极是金属环或者金属网， 在其对面。 光电阴极是完成光电转换的重要部件，其性能
好坏直接影响整个光电发射器件的性能！！！
§4.1 光电发射阴极
一、光电发射阴极的主要特性参数 1、灵敏度 光电发射阴极的灵敏度包括光谱灵敏度与积分灵敏度两类。
第四章 光电导器件wyzh
s UA q( P n ) L hvLA 光电导 U 结论:光敏电阻的光电流Ip与L的平方成反比 2 q ( P n ) s L hv
光电流
IP
U A U L
gP
三种量之间的关系-------I U U U A 0 A A I d I P L L L
18.7V U
umax
0.66 （mV）
2.光电导增益M
U A qAU nn pp qNU Ip 2 ( n n + p p ) L L L
n g ' n g为单位时间单位体积内电子空穴对的产生率
M
它表示长度为L的光电导体两端加上电压以后,由光照产生的光 生载流子在电场作用下所形成的外部光电流与光电子形成的 内部电流(qN)之间的比值。 光敏电阻电子增益系数、空穴增益系数 L vt I U U U
光敏电阻实物图
三种结构形式
梳型结构 在玻璃基底上面蚀刻成互相交叉的梳状槽，在 槽内填入黄金或石墨等导电物质，在表面再敷上一层 光敏材料。即两个梳型电极之间为光敏电阻材料。如 图所示。由于两个梳型电极靠的很近，电极间距很小
三种结构形式 蛇形结构 如图，光敏面（光电导材料）制成蛇形，光电 导两侧为金属导电材料，并在其上设置电极。这种光 敏电阻的电极间距（为蛇形材料的宽度）也很小。
三种结构形式 刻线结构 在玻璃基片上镀制一层薄的金属箔，将其刻划 成栅状槽，然后在槽内填入光敏电阻材料层后制成。 其结构如下图所示（侧向图）。
4.2 光敏电阻的主要的特性参数
常用“0LX”表示 暗电阻：光敏电阻在室温条件下，在全暗时的电阻值 暗电导：光敏电阻在室温条件下，在全暗时的电导
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光电效应
第四章真空光电器件
4.1 光电阴极
4.2 光电管和光电倍增管结构原理4.3 光电倍增管的主要特性参数4.4 光电倍增管的工作电路
E A1=E0-E C1>0E A2=E0-E C2>0
～命 （寿热电子（导带底以上）价带上电子吸收光子
101014−−⎯⎯⎯→⎯光电发射过程分析：
NEA量子效率比常规发射体高得多！
第四章真空光电器件
4.1 光电阴极
4.2 光电管和光电倍增管结构原理4.3 光电倍增管的主要特性参数4.4 光电倍增管的工作电路
这类管子体积较大，工作电压高达百伏到数百伏，玻璃外壳容易破碎，它的一般应用目前已基本被半导体光电器件代替。
4.2.2 光电倍增管
Photomultiplier, 简称PMT
结构：光窗光电阴极电子光学系统电子倍增系统阳极
(a)侧窗式；(b)端窗式
2. 光电阴极
作用:
1) 光电转换能力
2) 长波波长阈值
3) 对整管灵敏度起决定性作用
3.
电子光学系统图4-12
作用:
1）收集率接近于1 2）渡越时间离散性Δt 最小
－－通过电场加速和控制电子运动路线
－－由许多倍增极组成，决定整管灵敏度最关键部分作用－－倍增10-15级倍增极
P74 图4-13
入射光照射到光电阴极K上，发射光电子，经电子光学系统加速，聚焦到倍增极上，发射出多个二次电子；电子经级倍增极，形成放大的阳极电流，在负载R L上产生放大的信号输出。
作用：－－收集最末一级倍增极发射出来的二次电子，向外电路输出电流。
结构：－－具有较高电子收集率，能承受较大电流密度，在阳极附近空间不产生空间电荷效应。
输出电容小。
阳极广泛采用栅网状结构。
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4.1 光电阴极
4.2 光电管和光电倍增管结构原理4.3 光电倍增管的主要特性参数4.4 光电倍增管的工作电路
S K (?)=I
K?
/?
?λλΦ
I
S/
)
(
KλK
=
3．暗电流
•在施加规定的电压后，在无光照情况下测得的阳极电流。
•决定光电倍增管的极限灵敏度。
•限制可测的最小直流光通量，产生噪声的重要原因
•减小的方法包括：合理确定PMT的极间电压；直流补偿；选频或锁相放大器；致冷等。
恒流源－－计算和分析方法相同
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4.1 光电阴极
4.2 光电管和光电倍增管结构原理4.3 光电倍增管的主要特性参数4.4 光电倍增管的工作电路
缺点：阴极负高压，屏蔽优点：屏蔽罩靠近阴极，效果好；暗电流小，噪声低
阴极接地(正高压接法)
优点：便于与后面放大器
相连，操作安全
缺点：高压不利于安全操作；
接耐压很高的隔直电容器。
()max A 20~10I
总电压U AK 在1000～1500 V 间，倍增极极间电压U D 在80100V 之间－－可以确定分压电阻
I R
I Amax
实例：
i. 第一级对阴极电流形成影响最大,高出
ii. 中间级均匀分配
iii. 最后一级,要高,克服空间电荷区的影响
探测光脉冲，最后几级脉冲电流很大，极间电压不稳－－最后几级并联旁路电容C1、C2、C3。
内有保护电路，在电源过载或短路时起作用
利用伏安特性：
负载电阻设计
输出电流
较大的负载电阻
1.频率响应变差
2.饱和引起非线性
1. 良好的线性
2. 良好频率响应特性
3. 转换效率高。