【正文】 60μlm 80μlm 100μlm 120μlm 100 150 200 0 2 4 6 8 10 12 陽(yáng)極與末級(jí)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(yáng)極所產(chǎn)生的電流之間的關(guān)系 總增益 G： 若第一打拿極對(duì)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(gè)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(gè)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(shí)例結(jié)構(gòu) 據(jù)工作原理分為兩大類(lèi)： 聚焦型、非聚焦型 。 光陰極是由半導(dǎo)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(dá) 30級(jí)； 入射光 光電陰極 第一倍增極 陽(yáng)極 第三倍增極 陽(yáng)極是最后用來(lái)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(duì)電流進(jìn)行放大 基本原理： 光照到 陰極 上產(chǎn)生光電子 ,在真空 電場(chǎng) 作用下被加速投射到第一個(gè)“打拿極”上，一個(gè)光電子可以產(chǎn)生多個(gè)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(duì)可見(jiàn)光范圍的入射光靈敏度比較高，轉(zhuǎn)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(qiáng)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(huì)不同 ， 即同一光電管對(duì)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(dǎo)體 光電材料，逸出功較小，對(duì)可見(jiàn)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(fù)電親和勢(shì)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(shí)際應(yīng)用中應(yīng)選擇合適的電壓。 由一個(gè)陰極和一個(gè)陽(yáng)極構(gòu)成，且密封在一只真空玻璃管內(nèi)。 真空光電二極管結(jié)構(gòu)示意圖 陽(yáng) 極陰 極入 射 光不 透 明 陰 極陰 極陽(yáng) 極入 射 光透 明 陰 極不 產(chǎn) 生 陽(yáng) 極 投 影陽(yáng) 極陰 極光 電 管 同一光強(qiáng)下曲線 在 0～ 20V范圍內(nèi) ， 電壓增大 達(dá)到陽(yáng)極的 光電子數(shù)目 也增大，陽(yáng)極電流急劇增大； 當(dāng)電壓 大于 20V后，幾乎全部發(fā)射電子都巳到達(dá)陽(yáng)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(lèi)。即光強(qiáng)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(cè)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(cè)裝置，測(cè)定 逸出電流 隨 光強(qiáng)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(yīng)傳感器 ：用光敏材料的光電效應(yīng)制成的光敏器件。 遠(yuǎn)紫外 近紫外 可見(jiàn)光 近紅外 遠(yuǎn)紅外 極遠(yuǎn)紫外 1 10 5 波長(zhǎng) /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(zhǎng) 與 頻 率 的 關(guān) 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(yīng)。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(xué) 性質(zhì)發(fā)生變化制成的器件。 是各種光電檢測(cè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是把 光信號(hào)（紅外、可見(jiàn)及紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)的器件 。 光的波長(zhǎng) λ和頻率 ν的關(guān)系為 ν的單位為 Hz， λ的單位為 cm。 分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)器件 按工作原理將光敏傳感器 分為四類(lèi) ： 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(yīng)及器件 photoemissive effect and its devices 光電導(dǎo)效應(yīng)器件及其應(yīng)用 Photoconductor and its apllication 光生伏特效應(yīng)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(yīng)及器件 photoemissive effect and its devices 外光電效應(yīng) 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(jì)數(shù)器中的 應(yīng)用 Application of photoemissive multiplier to scintillation countor 外光電效應(yīng) 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(chēng)為 外光電效應(yīng)（光電發(fā)射效應(yīng)） 。 存在一個(gè)極限頻率 γ 0 ： 若入射光子能量 hγ 小于 hγ 0，即 λ λ 0時(shí)，無(wú)論光強(qiáng)多大都無(wú)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(gè)物體都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的光頻閾值 ， 稱(chēng)為紅限頻率或波長(zhǎng)限 。 ?光電子逸出物體表面具有初始動(dòng)能 mv02 /2 ，因此外光電效應(yīng)器件（如光電管）即使沒(méi)有加陽(yáng)極電壓，也會(huì)有光電子產(chǎn)生。 一、真空光電二極管 將陽(yáng)極和陰極 同裝于一真空玻璃殼內(nèi)，兩個(gè)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(qiáng)的增加，產(chǎn)生的光電子數(shù)就增多，所以 光電流與光強(qiáng)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(yáng)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(yīng) , 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(dá)到陽(yáng)極的電子數(shù)目增大很多，相當(dāng)于具有一定的放大倍數(shù)，可達(dá) 10倍左右。 光電管光譜特性： 由于光陰極對(duì)光譜有選擇性 ， 因此光電管對(duì)光譜也有選擇性 。 對(duì)各種不同波長(zhǎng)區(qū)域的光 ， 應(yīng)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(dòng)檢測(cè)儀表中。靈敏度也較高，與人的視覺(jué)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(jué)光譜特性有很大差異，在測(cè)量和控制技術(shù)中可以擔(dān)負(fù)人眼所不能勝任的工作，如坦克和裝甲車(chē)的夜視鏡等。 一、工作原理 工作電壓： 一般有 11個(gè)左右的打拿極，工作時(shí)，電極電位從陰極到陽(yáng)極經(jīng)過(guò)各個(gè)打拿極逐級(jí)升高，即每個(gè)打拿極電壓應(yīng)滿(mǎn)足：V11…… V3V2V1， 二次電子發(fā)射 當(dāng)具有 足夠動(dòng)能的電子 轟擊打拿極時(shí)，該打拿極表面將有電子發(fā)射出來(lái)的現(xiàn)象。 光電倍增管的放大倍數(shù)可達(dá)幾萬(wàn)倍到幾百萬(wàn)倍。 所謂 聚焦 不是指電子束聚焦成一點(diǎn)，而是指由 前一級(jí)倍增極的電子 被加速后 會(huì)聚在下一級(jí)倍增極上 ，在兩個(gè)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(diǎn)是收集效率高可達(dá) 95%結(jié)構(gòu)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(yáng)極和陰極間電壓為 1000~2500V，兩個(gè)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(yīng) ④ 場(chǎng)致發(fā)射 ⑤ 其它因素 所以 ， 一般在使用時(shí)必須把管子放在暗室里避光使用 ， 使其只對(duì)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(bǔ)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(yáng)極電流 / A 4. 光電倍增管的光譜特性 反應(yīng)了光電倍增管的陽(yáng)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(guān)系。 總陽(yáng)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(dāng)工作時(shí)，各 打拿級(jí)之間的內(nèi)阻 隨信號(hào)電流的增加而減小，對(duì) 分壓電阻鏈 RL有分流作用，會(huì)引起極間電壓變小，電流放大倍數(shù)降低。 優(yōu)點(diǎn)： 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(yáng)極的正電壓 必須通過(guò)耐高壓的隔直電容才能與 前放耦合，只能輸出交流信號(hào)。 只要探測(cè)出脈沖信號(hào)的數(shù)目及幅度，可測(cè)出射線的強(qiáng)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(dǎo)帶 價(jià)帶 禁帶 自由電子所占能帶 不存在電子所占能帶 價(jià)電子所占能帶 Eg gEhc??gEch ??gEh ?? ??? ??? hch為了實(shí)現(xiàn)能級(jí)的躍遷，入射光的能量必須大于光電導(dǎo)材料的禁帶寬度 Eg，即 ? 光照 摻雜的半導(dǎo)體材料 時(shí)， 除 本征價(jià)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(dá)導(dǎo)帶形成電子和離子，使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率發(fā)生改變。由光照而產(chǎn)生的附加電導(dǎo)又稱(chēng)為 光電導(dǎo) 。 令 I為照射到物體某一位置 x的單位面積的光強(qiáng)， α 是吸收系數(shù)， 光吸收公式為： I＝ I0eαx 說(shuō)明在樣品的不同深度，光強(qiáng)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(dǎo)效應(yīng) 制成的光電元件。 電極光電材料半 導(dǎo) 體電極塑料殼玻 璃 底 板電極電極光導(dǎo)管的整體 折線式光敏電阻 梳狀電極結(jié)構(gòu) 工藝： 在 玻璃（或陶瓷）基片 上均勻地涂敷一薄層 光電導(dǎo)多晶材料 ，經(jīng) 燒結(jié) 后 光刻 ，放上 掩蔽膜 ， 蒸鍍 上兩個(gè)金（或銦）電極，再在電阻表面 覆蓋 一層漆保護(hù)膜。 暗電流 在給定的工作電壓下， 沒(méi)有光照時(shí)測(cè)得電路的電流 亮電流 有光照時(shí)電流 光電流 亮電流與暗電流之差 即 所增加的電流 因 當(dāng)光強(qiáng)增大光電導(dǎo)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(shí) 峰值波長(zhǎng) λ max向短波長(zhǎng)方向移動(dòng) ；下降時(shí) λ max向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng) 。 + 2 0 ℃ 2 0 ℃I（μA）λ （ nm ） 0 2 0