【正文】 電 管的光照特性，光電流 I與光通量成線性關(guān)系。光照特性曲線的斜率（光電流與入射光光通量之間比）稱為光電管的靈敏度。保持光通量和陰極電壓不變，陽極電流與光波長(zhǎng)之間的關(guān)系叫光電管的光譜特性。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，并且強(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。 國(guó)產(chǎn) GD4型的光電管，陰極是用銻銫材料制成的。它對(duì)可見光范圍的入射光靈敏度比較高，轉(zhuǎn)換效率： 25%~30%。對(duì) 紅外光源 ，常用銀氧銫陰極，構(gòu)成紅外傳感器。另外，銻鉀鈉銫陰極的光譜范圍較寬，為 3000~8500197。 一般充氣光電管當(dāng)入射光頻率大于 8000Hz時(shí)，光電流將有下降趨勢(shì)，頻率愈高，下降得愈多。 這時(shí)常用光電倍增管對(duì)電流進(jìn)行放大 ， 下圖為其內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖 。 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)；陽極是最后用來收集電子 入射光 光電陰極 第一倍增極 陽極 第三倍增極 的，收集到的電子數(shù)是陰極發(fā)射電子數(shù)的 105~106倍。光電倍增管的靈敏度就比普通光電管高幾萬倍到幾百萬倍。 （ 1） 倍增系數(shù) M 倍增系數(shù) M等于 n個(gè)倍增電極的二次電子發(fā)射系數(shù) δ的乘積 。 i — 光電陰極的光電流 光電倍增管的電流放大倍數(shù) β為 β= I / i = M與所加電壓有關(guān)， M在 105~108之間，穩(wěn)定性為 1％左右，加速電壓穩(wěn)定性要在 ％以內(nèi)。一般陽極和陰極之間的電壓為 1000~2500V，兩個(gè)相鄰的倍增電極的電位差為 50~100V。 2. 主要參數(shù) ni?ni?ni? 103 104 105 106 25 50 75 100 125 極間電壓 /V 放大倍數(shù) 光電倍增管的特性曲線 （ 2）光電陰極靈敏度和光電倍增管總靈敏度 一個(gè)光子在陰極上能夠打出的平均電子數(shù)叫做光電倍增管的 陰極靈敏度 。 光電倍增管的最大靈敏度可達(dá) 10A/lm，極間電壓越高，靈敏度越高；但極間電壓也不能太高，太高反而會(huì)使陽極電流不穩(wěn)。 （ 3） 暗電流和本底脈沖 一般在使用光電倍增管時(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；但是由于環(huán)境溫度 、 熱輻射和其它因素的影響 ，即使沒有光信號(hào)輸入 ， 加上電壓后陽極仍有電流 ， 這種電流稱為 暗電流 ， 這是熱發(fā)射所致或場(chǎng)致發(fā)射造成的 ， 這種暗電流通?？梢杂醚a(bǔ)償電路消除 。 增加的部分是宇宙射線對(duì)閃爍體的照射而使其激發(fā) ， 被激發(fā)的閃爍體照射在光電倍增管上而造成的 ， 本底電流 具有 脈沖形式 。對(duì)于較好的管子，在很寬的光通量范圍之內(nèi)，這個(gè)關(guān)系是線性的，即入射光通量小于 104lm時(shí)，有較好的線性關(guān)系。 利用物質(zhì)在光的照射下電導(dǎo)性能改變或產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的光電器件 稱 內(nèi)光電效應(yīng)器件，常見的有 光敏電阻光電池和光敏晶體管等。 優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，光譜響應(yīng)范圍寬，體積小、重量輕、機(jī)械強(qiáng)度高，耐沖擊、耐振動(dòng)、抗過載能力強(qiáng)和壽命長(zhǎng)等。 第三節(jié) 內(nèi)光電效應(yīng)器件 1. 光敏電阻的工作原理和結(jié)構(gòu) 當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上時(shí) ， 若光電導(dǎo)體為本征半導(dǎo)體材料 ， 而且光輻射能量又足夠強(qiáng) ， 光導(dǎo)材料價(jià)帶上的電子將激發(fā)到導(dǎo)帶上去 ， 從而使導(dǎo)帶的電子和價(jià)帶的空穴增加 ， 致使光導(dǎo)體的電導(dǎo)率變大 。 一種光電導(dǎo)體 ， 存在一個(gè)照射光的波長(zhǎng)限 λC， 只有波長(zhǎng)小于 λC的光照射在光電導(dǎo)體上 ， 才能產(chǎn)生電子在能級(jí)間的躍遷 ， 從而使光電導(dǎo)體電導(dǎo)率增加 。 管芯是一塊安裝在絕緣襯底上帶有兩個(gè)歐姆接觸電極的光電導(dǎo)體 。 為了獲得高的靈敏度 ， 光敏電阻的電極一般采用硫狀圖案 ， 結(jié)構(gòu) 見下圖 。 2玻璃窗口 。 4電極 。 6黑色絕緣玻璃 。 RG 1 2 3 4 5 6 7 (a)結(jié)構(gòu) (b)電極 (c)符號(hào) 它是在一定的掩模下向光電導(dǎo)薄膜上蒸鍍金或銦等金屬形成的 。 圖 （ c） 是光敏電阻的代表符號(hào) 。 如果把光敏電阻連接到外電路中 ， 在外加電壓的作用下 ， 用光照射就能改變電路中電流的大小 ， 其連線電路如圖所示 。 而且體積小 、重量輕 、 性能穩(wěn)定 、 價(jià)格便宜 ， 因此應(yīng)用比較廣泛 。 此時(shí)在給定電壓下流過的電流 。 此時(shí)流過的電流 。 光敏電阻的暗電阻越大，而亮電阻越小則性能越好。 實(shí)用的光敏電阻的暗電阻往往超過 1MΩ,甚至高達(dá)100MΩ，而亮電阻則在幾 kΩ以下，暗電阻與亮電阻之比在 102～ 106之間，可見光敏電阻的靈敏度很高。 在一定外加電壓下 ，光敏電阻的光電流和光通量之間的關(guān)系 。因此它不宜作定量檢測(cè)元件 ， 這是光敏電阻的不足之處 。 0 1 2 3 4 5 I/mA L/lx 1000 2022 （ 3）光譜特性 光譜特性與光敏電阻的材料有關(guān)。因此，在選用光敏電阻時(shí)，應(yīng)把光敏電阻的材料和光源的種類結(jié)合起來考慮，才能獲得滿意的效果。 圖中曲線 2分別表示照度為 零 及照度為 某值 時(shí)的伏安特性 。 在一定的光照度下 ， 所加的電壓越大 ， 光電流越大 ， 而且無飽和現(xiàn) 50 100 150 200 1 2 U/V 0 20 40 象 。超過最高工作電壓和最大額定電流 ， 可能導(dǎo)致光敏電阻永久性損壞 。由于不同材料的光敏， 20 40 60 80 100 I / % f / Hz 0 10 102 103 104 電阻 時(shí)延特性不同，所以它們的頻率特性也不同，如圖。 硫化鉛 硫化鎘 （ 6）穩(wěn)定性 圖中曲線 2分別表示兩種型號(hào) CdS光敏電阻的穩(wěn)定性 。 但在人為地加溫 、 光照及加負(fù)載情況下 ， 經(jīng)一至二周的老化 ， 性能可達(dá)穩(wěn)定 。這就是光敏電阻的主要優(yōu)點(diǎn)。 （ 7）溫度特性 其性能 (靈敏度 、 暗電阻 )受溫度的影響較大 。 硫化鎘的光電流 I和溫度 T的關(guān)系如圖所示 。 例如 ， 可利用制冷器使光敏電阻的溫度降低 。C 20 40 60 80 100 0 λ/μm I/mA +20 186。C 二、光電池 光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的器件 。 它是基于光生伏特效應(yīng)制成的 ， 是發(fā)電式有源元件 。 命名方式： 把光電池的半導(dǎo)體材料的名稱冠于光電池 (或太陽能電池 )之前 。 目前 ,應(yīng)用最廣 、 最有發(fā)展前途的是硅光電池 。 ?硒光電池光電轉(zhuǎn)換效率低 (％ )、 壽命短 ， 適于接收可見光 (響應(yīng)峰值波長(zhǎng) )， 最適宜制造照度計(jì) 。 且工作溫度最高 ， 更耐受宇宙射線的輻射 。 光電池的示意圖 硅光電池的結(jié)構(gòu)如圖所示 。 當(dāng)光照到PN結(jié)區(qū)時(shí) ， 如果光子能量足夠大 ， 將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子 空穴對(duì) ， 在 N區(qū)聚積負(fù)電荷 ， P區(qū)聚積正電荷 ，這樣 N區(qū)和 P區(qū)之間出現(xiàn)電位差 。 若將外電路斷開 ， 就可測(cè)出光生電動(dòng)勢(shì) 。 I U Id U I RL IΦ (a) (b) (c) 圖 光電池符號(hào)和基本工作電路 L/klx L/klx 5 4 3 2 1 0 2 4 6 8 10 開路電壓 Uoc /V 0 1 2 3 4 5 Uoc/V Isc /mA Isc/mA (a) 硅光電池 (b)硒光電池 （ 1）光照特性 開路電壓曲線：光生電動(dòng)勢(shì)與照度之間的特性曲線 ，當(dāng)照度為 2022lx時(shí)趨向飽和 。光電池在不同照度下，其內(nèi)阻也不同，因而應(yīng)選取適當(dāng)?shù)耐饨迂?fù)載近似地滿足“短路”條件。從圖中可以看出，負(fù)載電阻 RL越小，光電流與強(qiáng)度的線性關(guān)系越好，且線性范圍越寬。從曲線可看出，硒光電池在可見光譜范圍內(nèi)有較高的靈敏度，峰值波長(zhǎng)在 540nm附近，適宜測(cè)可見光。 1—— 硒光電池 2—— 硅光電池 (3) 頻率特性 光電池作為測(cè)量 、 計(jì)數(shù) 、 接收元件時(shí)常用調(diào)制光輸入 。 由于光電池 PN結(jié)面積較大 ， 極間電容大 ， 故頻率特性較差 。 由圖可知 ， 硅光電池具有較高的頻率響應(yīng) ， 如曲線 2， 而硒光電池則較差 ， 如曲線 1。由圖可見，開路電壓與短路電流均隨溫度而變化，它將關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器設(shè)備的溫度漂移，影響到測(cè)量或控制精度等主要指標(biāo)，因此，當(dāng)光電池作為測(cè)量元件時(shí)，最好能保持溫度恒定，或采取溫度補(bǔ)償措施。C ISC UOC ISC / μA 600 400 200 UOC—— 開路電壓 ISC —— 短路電流 硅光電池在 1000lx照度下的溫度特性曲線 三、光敏二極管和光敏三極管 光電二極管和光電池一樣 ， 其 基本結(jié)構(gòu)也是一個(gè) PN結(jié) 。 光生電勢(shì)與光電池相同 ， 但輸出電流普遍比光電池小 ， 一般為幾 μA到幾十 μA。 按結(jié)構(gòu)分 ， 有同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)之分 。 國(guó)產(chǎn)硅光電二極管按襯底材料的導(dǎo)電類型不同，分為 2CU和 2DU兩種系列。 2CU系列的光電二極管只有兩條引線，而 2DU系列光電二極管有三條引線。 鍺光敏二極管有 A， B， C， D四類；硅光敏二極管有 2CU1A～ D系列 、 2DU1～ 4系列 。光敏二極管在電路中一般是處于 反向工作狀態(tài) ， 如圖所示 。反向電流也叫做 暗電流 ．當(dāng)光照射時(shí)，光敏二極管的工作原理與光電池的工作原理很相似。光敏二極管的光電流 I 與照度之間呈線性關(guān)系。 （ 1） PIN管結(jié)光電二極管 PIN管是光電二極管中的一種。這樣， PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)就基本上全集中于 I 層中，從而使 PN結(jié)雙電層的間距加寬，結(jié)電容變小。 PSi NSi ISi PIN管結(jié)構(gòu)示意圖 最大特點(diǎn)：頻帶寬，可達(dá) 10GHz。由耗盡層寬度與外加電壓的關(guān)系可知，增加反向偏壓會(huì)使耗盡層寬度增加，從而結(jié)電容要進(jìn)一步減小，使頻帶寬度變寬。目前有將 PIN管與前置運(yùn)算放大器集成在同一硅片上并封裝于一個(gè)管殼內(nèi)的商品出售。 這種管子 工作電壓很高 ， 約 100～ 200V， 接近于反向擊穿電壓 。 因此 ， 這種管子有很高的內(nèi)增益 ， 可達(dá)到幾百 。 這種管子響應(yīng)速度特別快 ， 帶寬可達(dá)100GHz， 是目前響應(yīng)速度最快的一種光電二極管 。由于雪崩反應(yīng)是隨機(jī)的，所以它的噪聲較大，特別是工作電壓接近或等于反向擊穿電壓時(shí)，噪聲可增大到放大器的噪聲水平，以至無法使用。 2. 光敏三極管 光敏三極管有 PNP型和 NPN型兩種，如圖。當(dāng)集電極加上正電壓 ,基極開路時(shí) ,集電極處于反向偏置狀態(tài)。 P P N N N P e b b c RL E e c 光敏三極管的主要特性： 光敏三極管存在一個(gè)最佳靈敏度的峰值波長(zhǎng) 。 因?yàn)楣庾幽芰刻?， 不足以激發(fā)電子空穴對(duì) 。 （ 1）光譜特性 相對(duì)靈敏度/% 硅 鍺 入射光 λ/197。鍺的峰值波長(zhǎng)為 15000197。故在可見光或探測(cè)赤熱狀態(tài)物體時(shí) ， 一般選用硅管；但對(duì)紅外線進(jìn)行探測(cè)時(shí) ,則采用鍺管較合適 。 光敏三極管在不同的照度下的伏安特性 ， 就像一般晶體管在不同的基極電流時(shí)的輸出特性一樣 。 光敏三極管能把光信號(hào)變成電信號(hào) ， 而且輸出的電信號(hào)較大 。它給出了光敏三極管的輸出電流 I 和照度之間的關(guān)系。當(dāng)光照足夠大 (幾 klx)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，從而使光敏三極管既可作線性轉(zhuǎn)換元件，也可作開關(guān)元件。C 25 0 50 100 0 200 300 400 10 20 30 40 50