光电信息转换器件【可编辑PPT】
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侧窗式
端窗式
原理图
倍增极
D1
D3
阳极 A
D2
D4
K 图3.1.1-2 多级倍增管的工作原理
1．光窗
光窗是入射光的通道，是对光吸收较多的部分。常用 的光窗材料有钠钙玻璃和熔凝石英等。
2．光电阴极
它的作用是接收入射光，向外发射光电子。制作光电 阴极的材料多是化合物半导体。
3．电子光学系统
任务：（1）使前一级发射出来的电子尽可能没有散失 地落到下一个倍增极上，使下一级的收集率接近于1；（2 ）使前一级各部分发射出来的电子，落到后一级上时所经 历的时间尽可能相同。
K
特点：带内响应，带外截止，并有峰值存在(图所示的 光电阴极：锑钾铯Sb-K-Cs）。
3．伏安特性
表示阳极电流 Ia 对于最 后一级倍增极和阳极间的电 压U的关系。作此曲线时， 其余各电极的电压保持恒定。
特点： （1）光通量不变，曲线
由上升至饱和。 （2）电压不变，阳极电
流随光通量增加
4．放大特性
i0 —— 光阴极发出的光电流； n ———光电倍增极的级数。
光电倍增管的电流放大系数β可用下式表示：
I n
i0
倍增系统有聚焦型和非聚焦型两类（根据两极间 的电子运动轨迹是否平行分类）。
5. 阳极
用来收集末级倍增极发射出来的电子。现在普 遍采用金属网来作阳极，靠近末级倍增极附近。
盒
倍增极 结构形式
当入射辐射信号为高速的迅变信号或脉冲时，末3级倍 增极电流变化会引起较大UDD的变化，引起光电倍增管增益 的起伏，将破坏信息的变换。在末3极并联3个电容C1、C2 与C3，通过电容的充放电过程使末3级电压稳定。
五、分析与计算（课本100页）
分压器电流一般应大于阳极电流的20倍。但过分增 大分压器电流，假如分压器又靠近管子，则管子受到分 压器的加热而增大暗电流和噪声。分压器电阻的功率应 为计算功率的2倍，这样可预防由于电阻发热而引起阻 值改变。
热光电探测元件
探测器件
光电探测元件
气体光电探测元件
外光电效应
内光电效应
非放大型
放大型
光电导探测器 光磁电效应探测器 光生伏特探测器
真空光电管 光电倍增管
充气光电管 变像管
本征型
像增强器 摄像管
光敏电阻
掺杂型 红外探测器
非放大 光电池 光电二极管
放大型 光电三极管 光电场效应管 雪崩型光电二极管
光电器件的分类
光电信息转换器件
3．光伏效应。在入射光能量作用下能使物体产生一定 方向的电动势。以PN结为例，由于光线照射PN结而产 生的电子和空穴，在内电场作用下分别移向N和P区，从 而对外形成光生电动势。相应器件：光电池、光敏二极 管（PD、PIN、APD）、光敏三极管等。
4．光电热效应。光照引起材料温度发生变化而产生电 流的现象。相应器件： 热电探测器。
二、光电倍增管的特性
1．光电特性 2．光谱特性 3．伏安特性 4．放大特性 5．频率特性 （可达1MHZ以上） 6．疲乏特性 7．暗电流 Iφ= 0
1．光电特性
+
R5
RL
A
R4
D4
R3
D3
R2
D2
D1
-
R1
K
特点：线性增加，然后偏离直线。
2．光谱特性
+
R5
RL
A
R4
D4
R3
D3
R2
D2
D1
-
R1
• 随阳极电流的增大，灵敏度下降
• 随使用时间的增长，灵敏度下降
7．暗电流
暗 电 流 Iφ=0 的 来 源 ： 光 电阴极和光电倍增极的热电 子发射。温度T越高，热电 子发射越多，则暗电流越大 。如果需要较小的暗电流， 可通过冷却光电倍增管来减 小暗电流。暗电流的另一组 成部分是光电倍增管的漏电 流。
特点
聚
直瓦片式
极间电子渡越时间零散小，但绝缘支架可 能积累电荷而影响电子光学系统的稳定性
焦
型
圆瓦片式
结构紧凑，体积小，但灵敏度的均匀性差 些。
非 聚
来自百度文库
工作面积大，与大面积光电阴极配合可制
百叶窗式
成探测弱光的倍增管，但极间电压高时， 有的电子可能越级穿过，收集率较低，渡
焦
越时间差异较大。
型
盒栅式
收集率较高（可达95%），结构紧凑，但 极间电子渡越时间差异较大。
有时称为IФ=0 6． 灵敏度—— 对于复色光: S(积分灵敏度) =ΔI /ΔФ
对于单色光: S（λ）(光谱灵敏度)＝ΔI（λ）/ΔФ（λ）
光通量变化量所致的光电流变化量的大小
§3.1.1 光电倍增管
一、结构与原理 光电倍增管由光窗、光电阴极、电子光学系统、
电子倍增系统和阳极等五个主要部分组成，其外形如 图3.1.1-1所示。
一、按工作波段分
紫外光探测器、可见光探测器、红外光探测器
二、按应用分
换能器： 将光信息（光能）转换成电信息（电能）
探测器
非成像型：光信息转换成电信息
变像管
成像型
像增强器 真空摄像管
摄像管 固体成像器件
CCD 、CMOS
§3.1 光电信息转换器件
光电信息转换器件的主要特性和参数如下： 1．光电特性—— IФ [光电流]＝F（Ф）[光通量] 2．光谱特性—— IФ [光电流]＝F（λ）[入射光波长] 3．伏安特性—— IФ [光电流]＝F（Ｕ）[电压] 4．频率特性—— IФ [光电流]＝F（f）[入射光调制频率] —— 导致电子瓶颈的主要原因 5．暗电流—— Ф＝0时光电信息转换器件输出的电流，
三、光电倍增管的供电电路
光电倍增管具有极高的灵敏度和快速响应等特点， 使它在光谱探测和极微弱快速光信息的探测等方面成为 首选的光电探测器。
1．电阻链分压型供电电路
图3.1.1-6所示为典型光电倍增管的电阻分压式供 电电路。电路由11个电阻构成电阻链分压器，分别向 10级倍增极提供电压UDD。
2．末极的并联电容
4．倍增系统
每个倍增极由二次电子倍增材料构成。光电倍增管 是利用二次电子发射（高速电子打到金属表面，由于电 子的动能被金属吸收，改变了金属原子内电子能量的状 态，使有些电子从金属表面逸出）现象制成的。
如果每个电子落到某一倍增极上从该倍增极打出σ个 二次电子，那么很明显地：
I i0 n
式中，
I —— 阳极电流；
放大特性是指电 流放大系数β或灵敏 度随电源电压U增大 的关系。
特点： 随着电源电压升高，放
大系数或灵敏度增大。
5. 频率特性（可达1MHZ以上）
i
6．疲劳特性
+
R5
RL
A
R4
D4
R3
D3
R2
D2
D1
-
R1
K
疲劳指在工作过程中 灵敏度降低。
1-20分钟； 2-40分钟
特点：
阳极电流对灵敏度的影响示意图
端窗式
原理图
倍增极
D1
D3
阳极 A
D2
D4
K 图3.1.1-2 多级倍增管的工作原理
1．光窗
光窗是入射光的通道，是对光吸收较多的部分。常用 的光窗材料有钠钙玻璃和熔凝石英等。
2．光电阴极
它的作用是接收入射光，向外发射光电子。制作光电 阴极的材料多是化合物半导体。
3．电子光学系统
任务：（1）使前一级发射出来的电子尽可能没有散失 地落到下一个倍增极上，使下一级的收集率接近于1；（2 ）使前一级各部分发射出来的电子，落到后一级上时所经 历的时间尽可能相同。
K
特点：带内响应，带外截止，并有峰值存在(图所示的 光电阴极：锑钾铯Sb-K-Cs）。
3．伏安特性
表示阳极电流 Ia 对于最 后一级倍增极和阳极间的电 压U的关系。作此曲线时， 其余各电极的电压保持恒定。
特点： （1）光通量不变，曲线
由上升至饱和。 （2）电压不变，阳极电
流随光通量增加
4．放大特性
i0 —— 光阴极发出的光电流； n ———光电倍增极的级数。
光电倍增管的电流放大系数β可用下式表示：
I n
i0
倍增系统有聚焦型和非聚焦型两类（根据两极间 的电子运动轨迹是否平行分类）。
5. 阳极
用来收集末级倍增极发射出来的电子。现在普 遍采用金属网来作阳极，靠近末级倍增极附近。
盒
倍增极 结构形式
当入射辐射信号为高速的迅变信号或脉冲时，末3级倍 增极电流变化会引起较大UDD的变化，引起光电倍增管增益 的起伏，将破坏信息的变换。在末3极并联3个电容C1、C2 与C3，通过电容的充放电过程使末3级电压稳定。
五、分析与计算（课本100页）
分压器电流一般应大于阳极电流的20倍。但过分增 大分压器电流，假如分压器又靠近管子，则管子受到分 压器的加热而增大暗电流和噪声。分压器电阻的功率应 为计算功率的2倍，这样可预防由于电阻发热而引起阻 值改变。
热光电探测元件
探测器件
光电探测元件
气体光电探测元件
外光电效应
内光电效应
非放大型
放大型
光电导探测器 光磁电效应探测器 光生伏特探测器
真空光电管 光电倍增管
充气光电管 变像管
本征型
像增强器 摄像管
光敏电阻
掺杂型 红外探测器
非放大 光电池 光电二极管
放大型 光电三极管 光电场效应管 雪崩型光电二极管
光电器件的分类
光电信息转换器件
3．光伏效应。在入射光能量作用下能使物体产生一定 方向的电动势。以PN结为例，由于光线照射PN结而产 生的电子和空穴，在内电场作用下分别移向N和P区，从 而对外形成光生电动势。相应器件：光电池、光敏二极 管（PD、PIN、APD）、光敏三极管等。
4．光电热效应。光照引起材料温度发生变化而产生电 流的现象。相应器件： 热电探测器。
二、光电倍增管的特性
1．光电特性 2．光谱特性 3．伏安特性 4．放大特性 5．频率特性 （可达1MHZ以上） 6．疲乏特性 7．暗电流 Iφ= 0
1．光电特性
+
R5
RL
A
R4
D4
R3
D3
R2
D2
D1
-
R1
K
特点：线性增加，然后偏离直线。
2．光谱特性
+
R5
RL
A
R4
D4
R3
D3
R2
D2
D1
-
R1
• 随阳极电流的增大，灵敏度下降
• 随使用时间的增长，灵敏度下降
7．暗电流
暗 电 流 Iφ=0 的 来 源 ： 光 电阴极和光电倍增极的热电 子发射。温度T越高，热电 子发射越多，则暗电流越大 。如果需要较小的暗电流， 可通过冷却光电倍增管来减 小暗电流。暗电流的另一组 成部分是光电倍增管的漏电 流。
特点
聚
直瓦片式
极间电子渡越时间零散小，但绝缘支架可 能积累电荷而影响电子光学系统的稳定性
焦
型
圆瓦片式
结构紧凑，体积小，但灵敏度的均匀性差 些。
非 聚
来自百度文库
工作面积大，与大面积光电阴极配合可制
百叶窗式
成探测弱光的倍增管，但极间电压高时， 有的电子可能越级穿过，收集率较低，渡
焦
越时间差异较大。
型
盒栅式
收集率较高（可达95%），结构紧凑，但 极间电子渡越时间差异较大。
有时称为IФ=0 6． 灵敏度—— 对于复色光: S(积分灵敏度) =ΔI /ΔФ
对于单色光: S（λ）(光谱灵敏度)＝ΔI（λ）/ΔФ（λ）
光通量变化量所致的光电流变化量的大小
§3.1.1 光电倍增管
一、结构与原理 光电倍增管由光窗、光电阴极、电子光学系统、
电子倍增系统和阳极等五个主要部分组成，其外形如 图3.1.1-1所示。
一、按工作波段分
紫外光探测器、可见光探测器、红外光探测器
二、按应用分
换能器： 将光信息（光能）转换成电信息（电能）
探测器
非成像型：光信息转换成电信息
变像管
成像型
像增强器 真空摄像管
摄像管 固体成像器件
CCD 、CMOS
§3.1 光电信息转换器件
光电信息转换器件的主要特性和参数如下： 1．光电特性—— IФ [光电流]＝F（Ф）[光通量] 2．光谱特性—— IФ [光电流]＝F（λ）[入射光波长] 3．伏安特性—— IФ [光电流]＝F（Ｕ）[电压] 4．频率特性—— IФ [光电流]＝F（f）[入射光调制频率] —— 导致电子瓶颈的主要原因 5．暗电流—— Ф＝0时光电信息转换器件输出的电流，
三、光电倍增管的供电电路
光电倍增管具有极高的灵敏度和快速响应等特点， 使它在光谱探测和极微弱快速光信息的探测等方面成为 首选的光电探测器。
1．电阻链分压型供电电路
图3.1.1-6所示为典型光电倍增管的电阻分压式供 电电路。电路由11个电阻构成电阻链分压器，分别向 10级倍增极提供电压UDD。
2．末极的并联电容
4．倍增系统
每个倍增极由二次电子倍增材料构成。光电倍增管 是利用二次电子发射（高速电子打到金属表面，由于电 子的动能被金属吸收，改变了金属原子内电子能量的状 态，使有些电子从金属表面逸出）现象制成的。
如果每个电子落到某一倍增极上从该倍增极打出σ个 二次电子，那么很明显地：
I i0 n
式中，
I —— 阳极电流；
放大特性是指电 流放大系数β或灵敏 度随电源电压U增大 的关系。
特点： 随着电源电压升高，放
大系数或灵敏度增大。
5. 频率特性（可达1MHZ以上）
i
6．疲劳特性
+
R5
RL
A
R4
D4
R3
D3
R2
D2
D1
-
R1
K
疲劳指在工作过程中 灵敏度降低。
1-20分钟； 2-40分钟
特点：
阳极电流对灵敏度的影响示意图