7.2 外光电效应光电器件

7.2 外光电效应光电器件

利用物质在光照下发射电子即外光电效应制成的光电器件，如光电管和光电倍增管，一般都是真空或充气的光电器件。

7.2.1 光电管

1结构与原理

光电管的结构如图7.2.1所示，它由一个阴极和一个阳极构成，分别叫光阴极和光阳极，并密封在一只真空玻璃管内。阳极是位于光电管中心的环形金属丝，或是置于柱面中心轴位置的金属丝柱；阴极的形式有多种，可以在玻璃管内装入柱面形金属板，再将板内壁涂上阴极涂料（铯氧银或锑化铯等），也可直接在玻璃管内壁涂一层阴极涂料，这种最简单。

当光照在阴极上时，阴极发射出光电子，被具有一定电位的中央阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流。在外电场作用下将形成电流I，叫光电流。如图7.2.2所示，电阻

R上的电压降正比于光电流。光

L

电流的大小与光强度成正比关系，故外电路电阻上的电压正比于光强。

图7.2.1 光电管的结构图7.2.2 光电管电路在光电管内充入少量的惰性气体（如氩、氖等），构成充气光电管。当充气光电管的阴极被光照射后，光电子在飞向阳极的途中，和惰性气体的原子发生碰撞而使气体电离，因此增大了光电流，从而使光电管的灵敏度增加。可见充气光电管比真空光电管灵敏度高。

2特性

1) 伏安特性

当入射光的频率和光通量不变时，阳、阴两极的电压与光电流之间的关系叫伏安特性。如图7.2.3所示。

当阳极电压较低时，阴极发射的电子只有一部分能到达阳极，其余部分又回到阴极，故这时，光电流的大小正比于电压的大小。随着阳极电压的增大，光电流随着增大。再继续增大电压，当阴极发射的电子全部达到阳极时，光电流趋于恒定，称为饱和状态。

图7.2.3（a）真空光电管的伏安特性图7.2.3（b）充气光电管的伏安特性2）光照特性

光照特性是指当光电管的阳极和阴极之间电压一定时，光电流I与光通量φ之间的关系。

图7.2.4曲线1是氧铯阴极光电管的特性，光电流I与光通量呈线性关系；曲线2是锑铯阴极光电管的光照特性，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。由图中可以看出：当阳极电压一定时，光电流与光通量成线性关系，转换灵敏度为常数；转换灵敏度随阳极电压的增大而增大；充气光电管的灵敏度比真空光电管的灵敏度高一个量级。但是由于由于惰性气体的存在，当射入交变的光通量时，灵敏度会出现非线性。充气光电管的许多参数与温度有关，且易于老化等缺点，使得目前真空光电管比充气光电管更受欢迎。

3）光谱特性

一般对于阴极材料不同的光电管，有不同的红限频率

γ，因此可用于不同的光谱范围。并且，对于同

一光电管，随着入射光频率的不同，阴极发射的光电子数目也不同，即同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性。所以，对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。

图7.2.4 光电管的光照特性

7.2.2 光电倍增管

当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只有零点几个微安，很不容易探测。这时常用光电倍增管，它可对电流进行放大。

1 结构与原理

光电倍增管由光电阴极K、倍增电极D以及阳极A组成，如图7.2.5所示，倍增电极上涂有电子轰击下能发射更多电子的材料Sb C s

-或M g合金，其形状和位置设计得正好使前一级发射的电子继续轰击下一级，倍增级多的可达30级，通常为12~14级。阳极是最后用来收集电子的，输出电压脉冲。

图7.2.5 光电倍增管的结构及工作原理

工作时，各个倍增级上均加有电位，阴极电位最低，各倍增级的电位依次升高，阳极电位最高。由于相邻两倍增电极间有电位差，因此存在加速电场，对电子加速。从阴极发射出的光电子，在电场加速下，打到第一个倍增电极D1上，引起二次电子发射，每个电子能从倍增极上打出3~6个次级电子，被打出的次级电子再经电场加速后，打在第二个倍增电级D2上，电子数又增加3~6倍，如此不断倍增，阳极最后收集到的电子数将达到阴极发射电子数的105~106倍，即光电倍增管的放大倍数可达到几万倍到几百万倍，光电倍增管的灵敏度比普通光电管高几万到几百万倍，因此，在很微弱的光照时，光电倍增管都能产生很大的光电流。

2参数

1）倍增系数M

倍增系数M 等于各倍增电极的二次电子发射系数i δ的乘积。如果n 个倍增电极的i δδ=相等，则

n M c δ=⋅

其中c 为收集系数，它表示倍增管收集电子的效率。一般地，光电倍增管的收集系数在5710~10之间，稳定性在1%左右。加速电压（阳极电压）的稳定性要在0.1%以内。倍增极数n 一般为4~14，倍增率δ一般为3~6。

阳极电流I 为

n

I ic δ= 其中i 是光阴极的光电流。

2）灵敏度

一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光电阴极的灵敏度。而一个光子在阳极上产生的平均电子数叫光电倍增管的总灵敏度。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。

3）暗电流、本底电流

一般在使用光电倍增管时，必须将其放在暗室里避光使用，只对入射光起作用。但由于环境温度、热辐射等因素的影响，即使没有光信号输入，加上电压后仍有电流，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。

如果光电倍增管与闪烁体放在一起，在完全避光的情况下，出现的电流叫本底电流。本底电流值大于暗电流。大于暗电流的部分，是由宇宙射线照射到闪烁体上，使其激发，闪烁体的激发光照射在光电倍增管上所引起。本底电流具有脉冲形式。

4）飞行时间及其涨落

飞行时间是指从光阴极发射出电子开始，到阳极收集到电子为止所经历的时间。飞行时间的数量级一般810s -。飞行时间不恒定，其波动值用时间涨落表示，量级一般为81010~10s s --。

5）光谱特性

光电倍增管的光谱特性与相同材料的光电管的光谱特性很相似。