【正文】 60μlm 80μlm 100μlm 120μlm 100 150 200 0 2 4 6 8 10 12 陽極與末級倍增極間的電壓 /V IA/ μA 光電管的伏安特性 在一定的光照射下 ， 光電器件的陰極所加電壓與陽極所產(chǎn)生的電流之間的關系 總增益 G： 若第一打拿極對光電子 收集效率為 f收集到的光電子數(shù)與光照產(chǎn)生光電子數(shù)的比率 n個打拿極的 δ 分別為 δ n、 ?? δ δ δ 1, 若極間 傳遞效益 分別為 gn??g g g1， 則總增益 G為： 如各個打拿極的增益均為 δ ,極間傳遞效益均為 g，總增益 G為： 三、光電倍增管的實例結構 據(jù)工作原理分為兩大類： 聚焦型、非聚焦型 。 光陰極是由半導體光電材料銻銫做成；次陰極是在鎳或銅 鈹?shù)囊r底上涂上銻銫材料而形成的 ， 次陰極多的可達 30級； 入射光 光電陰極 第一倍增極 陽極 第三倍增極 陽極是最后用來收集電子 的，收集到的電子數(shù)是陰極發(fā)射電子數(shù)的 105~106倍。常用光電倍增管對電流進行放大 基本原理： 光照到 陰極 上產(chǎn)生光電子 ,在真空 電場 作用下被加速投射到第一個“打拿極”上，一個光電子可以產(chǎn)生多個電子 ,多次被加速而激發(fā)打拿極后電子數(shù)目得到倍增。 另外，銻鉀鈉銫陰極的光譜范圍較寬，為 3000~8500197。對可見光范圍的入射光靈敏度比較高，轉換效率： 25%~30%。 除此之外 ， 即使照射在陰極上的入射光的頻率高于紅限頻率 υ0， 且強度相同 ， 隨著入射光頻率的不同 ，陰極發(fā)射的光電子的數(shù)量還會不同 ， 即同一光電管對于不同頻率的光的靈敏度不同 ， 這就是光電管的光譜特性 。 半導體 光電材料，逸出功較小，對可見光、紅外光都很敏感， 如 Ge 、 CdSe、 (AgOCs)，（ Cs3Sb）、 Bi Cs、 AgBiOCs、 NaKCsSb、 Na2KSb、 GaAs:CsO、 GaP:Cs和 GaAs:Cs等負電親和勢的材料。 V a 20 I a 40 60 80 100 (V) 0 真空光電二極管 充氣光電二極管 比較 :充氣光電二極管的 靈敏度高，但 其靈敏度 隨電壓而顯著變化 ，使其穩(wěn)定性和頻率特性都比真空光電二極管差，所以在實際應用中應選擇合適的電壓。 由一個陰極和一個陽極構成，且密封在一只真空玻璃管內(nèi)。 真空光電二極管結構示意圖 陽 極陰 極入 射 光不 透 明 陰 極陰 極陽 極入 射 光透 明 陰 極不 產(chǎn) 生 陽 極 投 影陽 極陰 極光 電 管 同一光強下曲線 在 0～ 20V范圍內(nèi) ， 電壓增大 達到陽極的 光電子數(shù)目 也增大，陽極電流急劇增大； 當電壓 大于 20V后，幾乎全部發(fā)射電子都巳到達陽極，電壓再增大，電流幾乎不變，曲線平坦 (飽和區(qū) )。 按照原理可分 真空光電二極管 和 充氣光電二極管 兩類。即光強愈大，意味著入射光子數(shù)目越多，逸出的電子數(shù)也就越多。 )()(400 mcmhcc ?????? ???????光電子能否產(chǎn)生 ， 取決于光電子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功 A0。 檢測裝置： 發(fā)射材料 上放一 電子接收板 連成一光電發(fā)射檢測裝置，測定 逸出電流 隨 光強度和光頻率 的變化。 四、 光纖傳感器 ：是唯一的有光源的光敏傳感器 一、 光電效應傳感器 ：用光敏材料的光電效應制成的光敏器件。 遠紫外 近紫外 可見光 近紅外 遠紅外 極遠紫外 1 10 5 波長 /μ m 波數(shù) /cm1 頻率 /Hz 光子能量 /eV 106 105 104 103 5 105 5 104 5 103 1015 5 1014 1014 5 1013 100 10 1 50 5 5 1015 1016 3 1018 光 的 波 長 與 頻 率 的 關 系 由 光 速 確 定 ， 真 空 中 的 光 速c= 1010cm/s， 通常 c≈3 1010cm/s。其原理是基于一些物質(zhì)的光電效應。第二章 光敏傳感器 PHOTOSENSORS 光敏傳感器 用光照射 材料 后材料本身的 電學 性質(zhì)發(fā)生變化制成的器件。 是各種光電檢測系統(tǒng)中實現(xiàn)光電轉換的關鍵元件，它是把 光信號（紅外、可見及紫外光輻射）轉變成為電信號的器件 。 光的波長 λ和頻率 ν的關系為 ν的單位為 Hz， λ的單位為 cm。 分為外光電效應和內(nèi)光電效應器件 按工作原理將光敏傳感器 分為四類 ： CCD傳感器 光敏傳感器 反射式光敏傳感器 光敏傳感器 (Photosensors) 外光電效應及器件 photoemissive effect and its devices 光電導效應器件及其應用 Photoconductor and its apllication 光生伏特效應器件 Photovoltaic effect device 紅外熱釋電器件 Infrared discharge device 固態(tài)圖像傳感器 Solid image sensors 光纖傳感器 Fiber optic sensors 新型光傳感器 Newtyple photosensors 外光電效應及器件 photoemissive effect and its devices 外光電效應 photoemissive effect 光電發(fā)射二極管 photoemissive cell 光電倍增管 photoemissive multiplier 光電倍增管在閃爍計數(shù)器中的 應用 Application of photoemissive multiplier to scintillation countor 外光電效應 一、原理： 在光照下某些材料中的電子逸出表面而產(chǎn)生光電子發(fā)射的現(xiàn)象 稱為 外光電效應（光電發(fā)射效應） 。 存在一個極限頻率 γ 0 ： 若入射光子能量 hγ 小于 hγ 0，即 λ λ 0時，無論光強多大都無光電子發(fā)射，光電流為 0。 不同的物質(zhì)逸出功不同 ， 即每一個物體都有一個對應的光頻閾值 ， 稱為紅限頻率或波長限 。 ?光電子逸出物體表面具有初始動能 mv02 /2 ，因此外光電效應器件（如光電管）即使沒有加陽極電壓，也會有光電子產(chǎn)生。 一、真空光電二極管 將陽極和陰極 同裝于一真空玻璃殼內(nèi)，兩個電極。 一般工作電壓 選擇 在飽和區(qū)但要盡可能小一些，而隨著光強的增加，產(chǎn)生的光電子數(shù)就增多，所以 光電流與光強成正比。 陰極裝在玻璃管內(nèi)壁上，其上涂有光電發(fā)射材料。 光線照到陰極上 產(chǎn)生光電子 ,陽極電壓使其加速 ,加速的電子使氣體分子電離 ,形成更多的電子和離子，又被加速與另外氣體分子碰撞使其電離產(chǎn)生更多電子 ,即發(fā)生了 倍增效應 , 此外 ,氣體電離的正離子又與陰極碰撞產(chǎn)生光電子 ,因此達到陽極的電子數(shù)目增大很多，相當于具有一定的放大倍數(shù)，可達 10倍左右。 光電管光譜特性： 由于光陰極對光譜有選擇性 ， 因此光電管對光譜也有選擇性 。 對各種不同波長區(qū)域的光 ， 應選用不同材料的光電陰極 。適用于 白光光源 ，被廣泛用于各種光電式自動檢測儀表中。靈敏度也較高，與人的視覺光譜特性很接近，是一種新型的光電陰極； 但有些光電管的光譜特性和人的視覺光譜特性有很大差異，在測量和控制技術中可以擔負人眼所不能勝任的工作，如坦克和裝甲車的夜視鏡等。 一、工作原理 工作電壓： 一般有 11個左右的打拿極，工作時，電極電位從陰極到陽極經(jīng)過各個打拿極逐級升高，即每個打拿極電壓應滿足：V11…… V3V2V1， 二次電子發(fā)射 當具有 足夠動能的電子 轟擊打拿極時，該打拿極表面將有電子發(fā)射出來的現(xiàn)象。 光電倍增管的放大倍數(shù)可達幾萬倍到幾百萬倍。 所謂 聚焦 不是指電子束聚焦成一點，而是指由 前一級倍增極的電子 被加速后 會聚在下一級倍增極上 ，在兩個倍增極之間可能發(fā)生電子束軌跡的交叉。 其幾乎能使全部二次電子得到利用，放大倍率很高。 優(yōu)點是收集效率高可達 95%結構緊湊，多用于噪聲較低、增益較高的光電倍增管中。 式中 iK為陰極電流， θ K為 到陰極上的光通量， 單位取 μA／ lm。主要由倍增系統(tǒng)的能力決定。 一般陽極和陰極間電壓為 1000~2500V，兩個相鄰的倍增電極的電位差為 50~100V。 形成主要原因： ① 歐姆漏電 ② 熱電子發(fā)射 ③ 反饋效應 ④ 場致發(fā)射 ⑤ 其它因素 所以 ， 一般在使用時必須把管子放在暗室里避光使用 ， 使其只對入射光起作用； 但由于環(huán)境溫度 、 熱輻射和其它因素的影響 ， 造成的這種暗電流通?？梢杂醚a償電路消除 。 光電倍增管的光照特性 與直線最大偏離是 3% 10－ 13 10－ 10 10－ 9 10－ 7 10－ 5 10－ 3 10－ 1 在 45mA處飽和 10－ 14 10－ 10 10－ 6 10－ 2 光通量 /1m 陽極電流 / A 4. 光電倍增管的光譜特性 反應了光電倍增管的陽極輸出電流與照射在光電陰極上的光通量之間的函數(shù)關系。 總陽極電壓一般在 900～2022V間，打拿極間電壓在 80～ 150V間 光電倍增管的電路圖 RL的確定 當工作時，各 打拿級之間的內(nèi)阻 隨信號電流的增加而減小，對 分壓電阻鏈 RL有分流作用，會引起極間電壓變小，電流放大倍數(shù)降低。 優(yōu)點： 光、磁和電的屏蔽罩電壓很低 ,可直接接近管子外殼，暗電流和噪聲較低，但因陽極的正電壓 必須通過耐高壓的隔直電容才能與 前放耦合，只能輸出交流信號。 只要探測出脈沖信號的數(shù)目及幅度，可測出射線的強弱與能量的大小。 高輸入阻抗的電壓放大器電路圖 低輸入阻抗的電流放大器電路圖 G D B1 8 0 K0 .0 2 27 . 5 K3 0 K3 . 3 K1 5181。181。 導帶 價帶 禁帶 自由電子所占能帶 不存在電子所占能帶 價電子所占能帶 Eg gEhc??gEch ??gEh ?? ??? ??? hch為了實現(xiàn)能級的躍遷，入射光的能量必須大于光電導材料的禁帶寬度 Eg，即 ? 光照 摻雜的半導體材料 時， 除 本征價帶電子激發(fā) 外 ，雜質(zhì)能帶中的電子受光子激發(fā) 也 到達導帶形成電子和離子，使半導體的電導率發(fā)生改變。由光照而產(chǎn)生的附加電導又稱為 光電導 。 令 I為照射到物體某一位置 x的單位面積的光強， α 是吸收系數(shù)， 光吸收公式為： I＝ I0eαx 說明在樣品的不同深度，光強不同。 若材料中 不存在 電子或空穴的陷阱，非平衡載流子 Δ n和 Δ P壽命 η相同， 光敏電阻 Photoresistor 是利用光敏材料的 光電導效應 制成的光電元件。 電極光電材料半 導 體電極塑料殼玻 璃 底 板電極電極光導管的整體 折線式光敏電阻 梳狀電極結構 工藝： 在 玻璃（或陶瓷）基片 上均勻地涂敷一薄層 光電導多晶材料 ，經(jīng) 燒結 后 光刻 ，放上 掩蔽膜 ， 蒸鍍 上兩個金（或銦）電極，再在電阻表面 覆蓋 一層漆保護膜。 暗電流 在給定的工作電壓下， 沒有光照時測得電路的電流 亮電流 有光照時電流 光電流 亮電流與暗電流之差 即 所增加的電流 因 當光強增大光電導增大，光電流 就成比例增大。暗電阻與亮電阻之比一般在 102～ 106之間。 圖中 T升高 時 峰值波長 λ max向短波長方向移動 ；下降時 λ max向長波長方向移動 。 + 2 0 ℃ 2 0 ℃I（μA）λ （ nm ） 0 2 0