光电管特性的研究
APD光电二极管的特性测试及应用研究1
[5]王庆有.光电传感器应用技术[M].北京:机械工业出版社,2007.10.
[6]其他：可网上搜索查找相关中文和外文文献。
3．进度安排
设计（论文）各阶段名称
起止日期
1
查阅文献资料，确定方案，写文献综述
2014.1.18-3.20
2
学习APD光电二极管的工作原理
2014.3.21-3.30
3
理解APD光电二极管的各项参数指标并测试
因此，拓宽硅基光电探测器件的探测波长范围及探测效率，不仅成为一个较为热点的研究领域，引起了各国科研工作者的兴趣，同时也成为光通信领域迫切需要克服的难题，是市场应用所需迫切解决的问题。最近几年人们尝试了各种方法来提高Si基APD的近红外探测效率，其中有增加Si基APD吸收层的厚度从而提高光子在Si中的吸收，然而随着APD体积的增加，不但提高了近红外处的量子效率，同样增加APD器件的暗电流和噪声，也提高了APD的响应时间，所以用这种方法提高APD近红外的敏感率并不是最好的方法。还有一种方法就是在APD器件表面设计一层防反射层，这层防反射层可以使入射光在APD器件的表面发生多次反射，从而增加了透入到器件内部的光子，也不会增加APD器件的体积，但是这种方法对工艺制作流程要求严格，成本较高，虽然能提高器件的整体效果但依然不能将1064nm处的光探测效率提高到理想的程度。
制约硅基APD在近红外方向特别是1064nm波段发展的原因有两个，第一，硅的禁带宽度是1.12eV，从而导致硅对1100nm处光的吸收截止。Si是间接带隙材料，在300K时硅的禁带宽度是1.12eV。因此硅的吸收截止波长是1100nm。从而导致由间接半导体材料制做的APD器件在截止波长附近吸收效率非常低。为了使硅基APD在1064nm处获得较高的量子效率，人们研发出使用其它半导体材料(锗、铟或者砷化镓)制作光电子器件，但是这些材料的光电子器件暗电流和噪声比较高，价格昂贵，而且与硅的晶格不匹配。或者改变硅基APD的结构设计，还可以使用飞秒激光微构造技术，来改变硅在近红外处的光吸收特性。第二，APD制造工艺过程中必须引入尽可能少的缺陷以减少暗电流，从而保证器件具有较高的信噪比。
光电管的特性
q0
－－电子电量
Voc
KT q0
ln
IL I SO
1
K
－－玻尔兹曼常数
T
－－热力学温度
Voc －－光电池开路输出电压
I L mA
UOC mV
100 80 60
1.0 0.8 0.6
40
20
0.4
0.2
0
2000
4000
Ge光电池光电特性
I L mA
UOC V
300
反向偏压/V 硅光电二极管伏安特性
Ic mA
8 6 500lx 700lx
600lx
4
2
400lx
300lx
0
10
20
30
40
V
硅光电三极管伏安特性
I L A
40 30
20
10
0
200
400
600
800
1000
E / lx
硅光电二级管光照特性
I L A
6
5 4 3 2 1 0 500 1000
0
4000
6000Leabharlann 800010000
波长 A
光电池的光谱特性
100
硅光电池
相 对 光 电 流 / ％
80 60 40 20 硒光电池
0
1500
3000
4500 6000
7500
/Hz
光电池的频率特性
§7－3－3光敏二级管和光敏三级管
一、光敏二级管
P
N
E
I
E
R
100lx 200lx 300lx 400lx
光电效应实验中光电管的选择与使用
光电效应实验中光电管的选择与使用光电效应是物理学中的一项重要实验，通过观察物质受光照射后电子的发射情况，可以研究光和物质之间的相互作用。
而在光电效应实验中，光电管的选择和使用方法对于实验结果的准确性和可靠性起着至关重要的作用。
首先，我们需要选择合适的光电管。
在市场上，有多种型号和类型的光电管可供选择。
常见的有金属光电管和半导体光电管两种。
金属光电管适用于短波长光的实验，例如紫外线实验；而半导体光电管则适用于长波长光的实验，例如红外线实验。
根据实验需要，我们可以选择合适的光电管进行实验。
其次，光电管的特性参数也需要考虑。
光电管的特性参数包括灵敏度、最大电流、最大电压等。
灵敏度是指光电管对光的响应程度，一般用光电流与光照强度之间的关系来表示。
光电管的灵敏度越高，说明它对光的响应越敏感。
而最大电流和最大电压则决定了光电管的工作范围。
在实验中，我们需要根据实验要求选择具有合适特性参数的光电管，以保证实验结果的准确性。
值得一提的是，为了减小实验误差，我们可以在光电管的前端加装滤光器。
滤光器可以根据实验需要，选择性地吸收或透过特定波长范围的光线，从而降低背景光的影响。
例如，在紫外线实验中，可以使用紫外线滤光器来屏蔽短波长的紫外线背景光。
通过这种方式，可以提高实验的信噪比，从而获得更准确的实验结果。
在实验中，使用光电管需要注意一些使用方法。
首先，要保持光电管表面的清洁。
由于光电管的工作原理是通过光的照射来释放电子，因此光电管表面的污染会影响实验结果。
我们可以使用专用的光学纸轻轻擦拭光电管表面，以确保其干净无尘。
此外，使用光电管时需要注意光源的选择和位置调整。
光源的选择应根据实验所需的波长和光强来确定。
如果光强过弱，可以使用准直透镜或增强器来增大光强。
同时，还要注意调整光源和光电管的位置，使得光射入光电管的光斑尽可能均匀，以获得准确的实验结果。
最后，光电管的信号输出需要经过放大和测量处理。
在实验中，我们可以使用放大器将光电管输出的微弱信号放大到可以测量的范围。
光电管
真空
真空光电管真空光电管（又称电子光电管）由封装于真空管内的光电阴极和阳极构成。当入射光线穿过光窗 照到光阴极上时，由于外光电效应（见光电式传感器），光电子就从极层内发射至真空。在电场的作用下，光电 子在极间作加速运动，最后被高电位的阳极接收，在阳极电路内就可测出光电流，其大小取决于光照强度和光阴 极的灵敏度等因素。按照光阴极和阳极的形状和设置的不同，光电管一般可分为5种类型。①中心阴极型：这种类 型由于阴极面积很小，受照光通量不大，仅适用于低照度探测和光子初速度分布的测量。②中心阳极型：这种类 型由于阴极面积大，对入射聚焦光斑的大小限制不大；又由于光电子从光阴极飞向阳极的路程相同，电子渡越时 间的一致性好;其缺点是光电子接收特性差，需要较高的阳极电压。③半圆柱面阴极型：这种结构有利于增加极间 绝缘性能和减少漏电流。④平行平板极型：这种类型的特点是光电子从阴极飞向阳极基本上保持平行直线的轨迹， 电极对于光线入射的一致性好。⑤带圆筒平板阴极型：它的特点是结构紧凑、体积小、工作稳定。
光电管
用于光电转换的工具
01 产品介绍
03 真空 05 参数及特性
目录
02 原理 04 充气
光电管（phototube）基于外光电效应的基本光电转换器件。光电管可使光信号转换成电信号。光电管分为 真空光电管和充气光电管两种。光电管的典型结构是将球形玻璃壳抽成真空，在内半球面上涂一层光电材料作为 阴极，球心放置小球形或小环形金属作为阳极。若球内充低压惰性气体就成为充气光电管。光电子在飞向阳极的 过程中与气体分子碰撞而使气体电离，可增加光电管的灵敏度。用作光电阴极的金属有碱金属、汞、金、银等， 可适合不同波段的需要。光电管灵敏度低、体积大、易破损，已被固体光电器件所代替。
感谢观性
的光谱特性
光电管的原理及其应用
光电管的原理及其应用1. 光电管的原理光电管，也称为光电倍增管或光电二极管，是一种利用光电效应产生电流的器件。
它由光敏阴极、光阴极表面附近的微小阳极和吸气阴极构成。
光敏阴极是光电管中的关键部分，它能够将入射光转化为电子。
当入射光照射到光敏阴极上时，光子能量将被光敏阴极吸收，使阴极上的电子获得足够的能量，跳出金属表面。
这些逸出的电子将进入微小阳极，由于阳极电压的作用，电子会被加速并以高速击中吸气阴极，产生二次电子。
这些二次电子将进一步被吸气阴极吸引并放大，最终形成一个电流脉冲。
2. 光电管的应用2.1 光电管在光测量中的应用光电管具有高灵敏度和快速响应的特点，使其在光测量中得到广泛应用。
以下是光电管在光测量中的几个主要应用：•光功率测量：光电管能够将入射光转化为电流信号，并通过测量电流的大小来确定光功率的强度。
•光强度测量：光电管能够感知光的强度，并将其转化为电信号。
通过对电信号的测量，可以得到准确的光强度值。
•光谱分析：光电管可以接收不同波长的光，并将其转化为电信号。
通过测量电信号的强度，可以绘制出光的波长分布图谱，用于分析光的成分和性质。
2.2 光电管在光通信中的应用光电管在光通信中广泛用于接收光信号并转换为电信号，实现光与电之间的转换。
以下是光电管在光通信中的几个主要应用：•光接收器：光电管作为光接收器，能够将光信号转化为电信号，并通过电信号进行数码传输。
•光探测器：光电管能够检测光的强度和频率等参数，并对光信号进行放大和转换，起到光探测的作用。
•光电转换模块：将光电管与其他电子元件集成在一起，形成光电转换模块，用于实现光通信系统的接收和发送功能。
2.3 光电管在科研实验中的应用光电管在科研实验中也有广泛的应用，用于测量和检测光信号。
以下是光电管在科研实验中的几个主要应用：•光谱测量：利用光电管的高灵敏度和快速响应特性，可以进行光谱测量实验，用于研究光的性质和物质的组成。
•光敏实验：利用光电管对光信号的敏感性，可以进行光敏实验，研究光对物质的影响和相应的物理过程。
2019年光电管特性的研究.doc
课题光电管特性的研究1．了解光电效应实验的基本规律和光的量子性；教学目的 2．测定光电管的伏安特性，研究光电流强度与加在光电管两极间电压的关系；3．测定光电管的光电特性，研究光电流强度与照在光电管阴极上光通量的关系。
重难点 1．光电管的伏安特性和光电特性；2．最小二乘法处理数据。
教学方法讲授、讨论、实验演示相结合。
学时 3个学时一、前言光电效应是指在光的作用下，从物体表面释放电子的现象，所逸出的电子称为光电子。
这种现象是1887年赫兹研究电磁波时发现的。
在光电效应中，光不仅在被吸收或发射时以能量h 的微粒出现，而且以微粒形式在空间传播，充分显示了光的粒子性。
1905年爱因斯坦引入光量子理论，给出了光电效应方程，成功地解释了光电效应的全部实验规律。
1916年密立根用光电效应实验验证了爱因斯坦的光电效应方程，并测定了普朗克常量。
爱因斯坦和密立根都因为光电效应方面的杰出贡献，分别获得1921年和1923年诺贝尔物理学奖。
而今光电效应已经广泛地应用于各科技领域，例如利用光电效应制成的光电管、光电倍增管等光电转换其间，把光学量转换成电学量来测量。
光电元件已成为石油钻井、传真电报、自动控制等生产和科研中不可缺少的元件。
二、实验仪器暗匣（内装光电管及小灯泡及米尺）；光电效应实验仪（包括24V稳压电源、12V可调稳压电源、13位数子电压表和电流表，分别指示光电管电压、光源电流和光电2流、调节光电管电压的电位器、调小灯电流的可变电阻）。
三、实验原理金属或金属化合物在光的照射下有电子逸出的现象，称为光电效应，或称为光电发射。
产生光电发射的物体表面通常接电源负极，所以又称为光电阴极，光电阴极往往不由纯金属制成，而常用锑钯或银氧钯的复杂化合物制成，因为这些金属化合物阴极的电子逸出功远较纯金属小，这样就能在较小光照下得到较大的光电流。
把光电阴极和另一个金属电极－阳极仪器封装在抽成真空的玻璃壳里就成了光电管。
光电管在现代科学技术中如自动控制、有声电影、电视、以及光讯号测量等方面都有重要的应用。
光电管特性实验报告
一、实验目的1. 了解光电管的基本结构和工作原理。
2. 研究光电管的伏安特性，分析不同电压对光电流的影响。
3. 探究光电管的截止电压与入射光频率的关系。
4. 验证光电效应方程，并测定普朗克常量。
二、实验原理光电效应是指当光照射到金属表面时，金属表面会发射出电子的现象。
光电效应的实验原理如图1所示。
入射光照射到光电管阴极K上，产生的光电子在电场的作用下向阳极A迁移形成光电流。
改变外加电压，测量出光电流I的大小，即可得出光电管的伏安特性曲线。
光电效应的基本实验事实如下：1. 对应于某一频率，光电效应的I-U关系如图2所示。
从图中可见，对一定的频率，有一电压U0，当时，电流为零，这个相对于阴极的负值的阳极电压U0，被称为截止电压。
2. 当U>U0后，I迅速增加，然后趋于饱和，饱和光电流IM的大小与入射光的强度P成正比。
3. 对于不同频率的光，其截止电压的值不同，如图3所示。
4. 截止电压U0与频率v的关系如图4所示，与v成正比。
当入射光频率低于某极限值（随不同金属而异）时，不论光的强度如何，照射时间多长，都没有光电流产生。
5. 光电效应是瞬时效应。
即使入射光的强度非常微弱，只要频率大于v0，在开始照射后立即有光电子产生，所经过的时间至多为10^-9秒的数量级。
根据爱因斯坦的光量子理论，光子能量E与频率v的关系为E=hv，其中h为普朗克常量。
光电效应方程为E=hf=φ+KEmax，其中φ为金属的逸出功，KEmax为光电子的最大动能。
当光电子的最大动能KEmax为0时，对应的截止电压U0为U0=φ/hv。
三、实验仪器与材料1. 光电管2. 汞灯3. 光栅单色仪4. 电压表5. 微电流计6. 滑线变阻器7. 电阻箱8. 信号发生器9. 数据采集器10. 计算机及实验软件四、实验步骤1. 将光电管接入电路，调节滑线变阻器，使电压表显示为零。
2. 调节汞灯，使光栅单色仪的出射光垂直照射到光电管阴极上。
3. 调节电压表，使电压逐渐增加，同时观察微电流计的读数。
光电特性综合实验报告
一、实验目的1. 理解光电效应的基本原理。
2. 掌握光敏电阻和光电管的光电特性。
3. 通过实验，分析光敏电阻和光电管在不同光照条件下的电阻和电流变化。
4. 学习使用光电效应实验装置，测定普朗克常量。
二、实验原理光电效应是指当光照射到某些物质表面时，物质表面的电子吸收光子的能量而逸出，形成电流的现象。
根据爱因斯坦的光电效应方程，光电子的最大动能与光子的能量成正比，与光的频率有关，而与光的强度无关。
光敏电阻是一种利用光电效应原理工作的传感器，其电阻值随光照强度的变化而变化。
光电管是一种利用光电效应将光信号转换为电信号的器件，其输出电流与入射光的强度成正比。
三、实验仪器与材料1. 光电效应实验装置2. 光敏电阻3. 光电管4. 可调光源5. 电流表6. 电压表7. 数据采集系统8. DataStudio软件四、实验内容及步骤1. 光敏电阻光电特性测试(1) 将光敏电阻接入电路，测量其在不同光照强度下的电阻值。
(2) 使用数据采集系统记录光敏电阻在不同光照强度下的电阻值。
(3) 分析光敏电阻的光电特性曲线，研究电阻值与光照强度的关系。
2. 光电管光电特性测试(1) 将光电管接入电路，调整光源的强度，测量不同光照强度下的光电流。
(2) 使用数据采集系统记录光电管在不同光照强度下的光电流。
(3) 分析光电管的光电特性曲线，研究光电流与光照强度的关系。
3. 普朗克常量测定(1) 调整光源的频率，测量光电管在不同频率下的光电流。
(2) 使用数据采集系统记录光电管在不同频率下的光电流。
(3) 根据光电效应方程，计算普朗克常量。
五、实验结果与分析1. 光敏电阻的光电特性曲线显示，随着光照强度的增加，光敏电阻的电阻值逐渐减小，呈现出线性关系。
2. 光电管的光电特性曲线显示，随着光照强度的增加，光电流逐渐增大，呈现出线性关系。
3. 通过实验测定的普朗克常量与理论值相符，验证了光电效应方程的正确性。
六、实验结论1. 光敏电阻的光电特性曲线表明，其电阻值与光照强度呈线性关系。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
光电效应实 验仪
光电管
小灯泡
标尺
光电效应实验仪
四、实验内容
1、正确连接线路 按下图接好线路，使光电管阳极为高电势，
检查正负极插线无误后，打开光电效应仪的电源 开关，并预热10分钟。
注意旋至最小！
四、实验内容
2、测光电管的伏安特性 (1) 测量前先测出小灯泡与光电管阴极间的初始
间距r0，并记录。
eU a
1 2
mvm2 ax
h eUa W
二、实验原理
（二）光电流与阴极表面光通量的关系
设光电管的阴极面积 为 S ，阴极与发光强度为
r 的点光源间的距离为，
由光度学理论可知，点光 源到达的光通量为
S i r2 验证了光电流与入射 光光通量的线性关系。
三、实验仪器
暗匣（内装光电管及小灯泡及米尺）；光电效应 实验仪（包括稳压电源、可调稳压电源、位数子 电压表和电流表）。
i1 310mA r1 5.00cm
16.00
B(18.00,16.00)
14.00
12.00
10.00
8.00
6.00
4.00 A(0.00,V)
2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.0014.00 16.00 18.00 20.00
光电管伏安特性曲线
改变距 离,r2=7cm
四、实验内容
3、测光电管的光电特性 (1)根据光电管伏安特性的实验结果，在产生饱和
光电流的电压区域中取一电压值（注意不要取拐点，取 饱和区域中间点），加在光电管的两极上并保持不变。
饱和电 压
光源电流
光电流
四、实验内容
3、测光电管的光电特性 (2)将光源放在离光电管较近的位置，通过拖动
(xi x)2 ( yi y)2
IH
b(
1 r2
)
a
?
五、实验注意事项
1、实验仪器在打开后要预热10分钟。 2、光源电流不得超过400mA，光源电流过大，容易烧
坏灯泡。 3、在研究光电特性中，选取饱和光电流的电压值最
好不要选取拐点，因为拐点不稳定，一般选取饱和 区域中间值，以确保能够获得饱和光电流。 4、开启关闭实验仪器时，将电压旋钮和光源电流都 应顺时针调至最小，以免启动仪器时，电流过大烧 坏灯泡！
光源发光点
阴极
四、实验内容
2、测光电管的伏安特性 (2) 研究光电管正向伏安特性。
r1=5.00cm
四、实验内容
2、测光电管的伏安特性
(2) 研究光电管正向伏安特性。
光电管 电压
光源电 流
光电流
四、实验内容
2、测光电管的伏安特性
(2) 研究光电管正向伏安特性。
光电管 电压
光源电 流
光电流
四、实验内容
光
的转换。
如：光控继电器、 自动控制、自动计 数、自动报警等.
光控继电器示意图
放大器 接控件机构
2、光电倍增管
光电倍增管可使光电阴极
发出的光电子增至 104 ~ 108
倍，在探测弱光方面得到广 泛的应用。
3、光电成像器件
光电导摄像管等，可以将 辐射图像转换成或增强为可 观察、记录、传输、存储和 进行处理的图像，广泛地应 用于天文学、空间科学、电 视等领域。
大学物理实验
光电管特性的研究
一、实验目的
1、了解光电效应实验的基本规律和光的量子性。 2、测定光电管的伏安特性，研究光电流强度与 加在光电管两极间电压的关系。 3、测定光电管的光电特性，研究光电流强度与 照在光电管阴极上光通量的关系。
重点：通过光电管的伏安特性和光电特性，掌握 光电效应的实验原理
难点：最小二乘法处理数据
光电倍增管
2、测光电管的伏安特性 (3) 测临界截止电压。
截止电 压
注意这 里！
光电流
四、实验内容
2、测光电管的伏安特性
(4)研究光电管在不同光强照射下的伏安特性，
采用两种方法:改变光源电流和改变光源到光电管阴
极的距离。
改变光源电流 降低10mA
四、实验内容
2、测光电管的伏安特性
(4)研究光电管在不同光强照射下的伏安特性， 采用两种方法:改变光源电流和改变光源到光电管阴 极的距离。
暗箱滑板，使光电管阴极逐渐远离光电管，记下暗箱
滑板读数 ri （每次改变0.5cm或1.0cm）及对应的饱和
光电流值 IH。至少测读组数据。
改变距离
四、实验内容
4、描点画图
用所测数 据描点画出伏 安特性曲线和 光电特性曲线 （光电特性曲 线需用最小二 乘法拟合）。
I (μA)
标实验点
20.00
+
18.00
六、思考题
1、用所学过的知识解释本次实验所测得的曲线。 2、研究光电管的光电特性时，如果加在光电管两极 的电压不是产生饱和光电流的电压值，对实验结果有 无影响？ 3、分析实验误差产生的原因，实验中如何减少误差？ 你有何建议？
七、光电效应在近代技术中的应用
1、光电管
利用饱和电流与照
射光强的线性关系，实 现光信号和电信号之间
四、实验内容
5、数据处理
最小二乘法
设有直线方程
IH
b( 1 ) a，根据所测数据用最小二乘法求
r2
出该直线的斜率b、截距a以及相关系数γ，由拟合的方程
在坐标纸上绘制光电管的 IH 1/ r2曲线，并作曲线分析。
b (xi x)( yi x) (xi x)2
a ybx
(xi x)( yi x)
二、实验原理
按照光子理论，光电
效应是光子与电子碰撞，
光子把全部能量（h）传
给电子，电子获得的能量， 一部分用来克服金属表面 对它的束缚，另一部分成 为该电子（光电子）逸出 金属表面后的动能。根据 能量守恒有
h
1 2
mvm2 ax
W
二、实验原理
（一）光电流与加速电压的关系
保持光源与光电管的
距离一定，如果阳极为高 电势，则电子将加速飞向 阳极，光电流随两极间的 加速电压改变而改变。