第二章_光电探测器件

光电探测器件光电探测器件是光辐射探测器件中的一大类，它利用各种光电效应，使入射辐射强度转换成电学信息或电能。本章将主要介绍真空光电器件、光电导器件及光伏器件三大类光电探测器。真空光电管光电倍增管一、结构和原理二、光电倍增管的主要参量与特性三、光电倍增管的使用光电导器件光敏电阻的主要特性光敏电阻的使用光伏器件光电池光电二极管PIN管雪崩光电二极管光电晶体管阵列式或象限式结型光电器件光电位置探测器光电开关与光电耦合器各种结型光电器件的类似特性及使用要点真空光电管真空光电管由玻壳、光电阴极和阳极三部分组成。为了防止氧化，将管内抽成真空。光电阴极即半导体光电发射材料，涂于玻壳内壁，受光照时，可向外发射光电子。阳极是金属环或金属网，置于光电阴极的对面，加正的高电压，用来收集从阴极发射出来的电子。真空光电管构造示意图优点：光电阴极面积大，灵敏度较高，一般积分灵敏度可达20～200μA/lm；暗电流小，最低可达10-14A；光电发射弛豫过程极短。缺点：真空光电管一般体积都比较大、工作电压高达百伏到数百伏、玻壳容易破碎等。光电倍增管一、结构和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五个主要部分组成，其外形如图侧窗式端窗式1．光窗光窗分侧窗式和端窗式两种，它是入射光的通道。一般常用的光窗材料有钠钙玻璃、硼硅玻璃、紫外玻璃、熔凝石英和氟镁玻璃等。由于光窗对光的吸收与波长有关，波长越短吸收越多，所以倍增管光谱特性的短波阈值决定于光窗材料。2．光电阴极光电阴极多是由化合物半导体材料制作，它接收入射光，向外发射光电子。所以倍增管光谱特性的长波阈值决定于光电阴极材料，同时对整管灵敏度也起着决定性作用。3．电子光学系统电子光学系统是适当设计的电极结构，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，也就是使下一级的收集率接近于1；并使前一级各部分发射出来的电子，落到后一级上所经历的时间尽可能相同，即渡越时间零散最小。4．倍增系统倍增系统是由许多倍增极组成的综合体，每个倍增极都是由二次电子倍增材料构成，具有使一次电子倍增的能力。因此倍增系统是决定整管灵敏度最关键的部分。为了表征不同材料的二次电子发射能力，通常将二次发射电子数N2与入射的一次电子数N1的比值定义为该材料的二次发射系数：12NN显然，阳极电流可表示为：i0——光阴极发出的光电流n——光电倍增级的级数niI0倍增极材料大致可分以下四类：1）含碱复杂面主要是银氧铯和锑铯两种，它们既是灵敏的光电发射体，也是良好的二次电子发射体。2）氧化物型，主要是氧化镁。3）合金型，主要是银镁、铝镁、铜镁、镍镁、铜铍等合金。4）负电子亲合势发射体。这几类材料在低电压下有大的二次电子发射系数，以便整管工作电压不致于过高；热发射小，以便整管的暗电流和噪声小；二次电子发射稳定，以便温度较高或一次电流较大时，长时间工作σ不下降；而且容易制备。根据电子轨迹的形式可将倍增系统分为两大类，即聚焦型和非聚焦型。聚焦型是指电子从前一级倍增极飞向后一级倍增极时，在两电极间的电子运动轨迹，可能有交叉。非聚焦则是指在两电极间的电子运动轨迹是平行的。倍增极结构形式特点聚焦型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。圆瓦片式结构紧凑，体积小，但灵敏度的均匀性差些。非聚焦型百叶窗式工作面积大，与大面积光电阴极配合可制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，渡越时间零散较大。盒栅式收集率较高（可达95%），结构紧凑，但极间电子渡越时间零散较大。各种倍增极的结构形式a)百叶窗式b)盒栅式c)直瓦片式d)圆瓦片式5．阳极阳极是采用金属网作的栅网状结构，把它置于靠近最末一级倍增极附近，用来收集最末一级倍增极发射出来的电子。二、光电倍增管的主要参量与特性光电倍增管的主要参量与特性是区分管子质量好坏的基本依据。分为基本参数（静态参数）、应用参数（动态参数）、运行特性（例行特性）。基本参数与管子工作原理、结构特征、材料性质、制造工艺有关。它包括灵敏度、量子效率、增益、暗电流、光谱响应等。应用参数与管子应用方法和探测对象有关，反映某种应用的特殊要求。它包括闪烁计数中的脉冲幅度分辨率、噪声能当量、计数坪特性；光子计数中的暗噪声计数、单电子分辨率、峰谷比；快速光脉冲测量中的上升时间、半高宽、渡越时间、时间分辨率等。运行特性与管子运行条件、运行环境有关。它表征管子承受的外部条件和使用极限，包括稳定性、温度特性、最大线性电流、抗电磁干扰特性、抗冲击振动特性等。1.灵敏度倍增管灵敏度有阴极灵敏度与阳极灵敏度之分。每一种灵敏度对于入射光，又都有光谱灵敏度（对于单色光）与积分灵敏度（对于多色光或全色光）之分。测试阴极灵敏度时，以阴极为一极，其它倍增极和阳极都连到一起为另一极，相对于阴极加100～300V直流电压，照射到光电阴极上的光通量约为10-2～10-5lm。测试阳极灵敏度时，各倍增极和阳极都加上适当电压，因为阳极灵敏度是整管参量，与整管所加电压有关，所以必须注明整管所加电压。积分灵敏度与测试光源的色温有关，一般用色温为2856K的白炽钨丝灯（A光源）。(色温：辐射源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温。)色温不同时即使测试光源的波长范围相同，各单色光在光谱分布中的组分不同时，所得的积分灵敏度也不同。灵敏度公式说明阴极灵敏度阴极光谱灵敏度SK(λ)=IKλ/ΦλS：灵敏度λ：波长I：光电流Φ：光通量下标K：阴极下标A：阳极阴极积分灵敏度SK=IK/Φ阳极灵敏度阳极光谱灵敏度SA(λ)=IAλ/Φλ阳极积分灵敏度SA=IA/Φ2.电流增益M阳极电流与阴极电流之比，或阳极灵敏度与阴极灵敏度之比，即M=IA/IK=SA/SK若倍增管有n个倍增极，并且每个倍增极的倍增系数均相等，则M＝σn因为σ是电压的函数，所以M也是电压的函数。3.光电特性阳极光电流与入射于光电阴极的光通量之间的函数关系，称为倍增管的光电特性。对于模拟量测量，必须选取能保证光电流与光照在大范围内保持线性关系的那些型号的光电倍增管（工程上一般取特性偏离于直线3%作为线性区的界限）。光电特性图当光通量很大时，特性曲线开始明显偏离直线。因此，在工作时阴极不能有强光照射，否则易损坏管子。因它的灵敏度高，光电倍增管允许测量非常小的光通量，或所需放大器的级数可以较少。4.伏安特性光电倍增管的伏安特性曲线分为阴极伏安特性曲线（阴极电流与阴极电压之间的关系）与阳极伏安特性曲线（阳极电流与阳极和最末一级倍增极之间电压的关系）。在电路设计时，一般使用阳极伏安特性曲线来进行负载电阻、输出电流、输出电压的计算。阳极伏安特性曲线5.暗电流在各电极都加上正常工作电压并且阴极无光照情况下阳极的输出电流。它限制了可测直流光通量的最小值，同时也是产生噪声的重要因素，是鉴别管子质量的重要参量。应选取暗电流较小的管子。光电倍增管中产生暗电流的因素较多，其中较为重要的是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，如图所示。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。6.噪声与噪声等效功率光电倍增管噪声主要是指由倍增管本身引起的输出偏离于平均值的起伏，主要来源是光电阴极、光电发射的随机性和各倍增极二次电子发射的随机性，同时也与背景光或信号光中的直流分量有关。噪声等效功率（NEP）表述倍增管阳极信号与噪声有效值之比等于1时，入射于倍增管光电阴极的光功率（通量）的有效值。即IA/InA=1时，NEP=InA/SA它是倍增管可能探测到的信号光功率（通量）的最小值。7、光谱响应光电倍增管的光谱响应，在较长的波长取决于所用光电发射材料的性能，而较短的波长则主要取决于窗材料的透射特性。图中示出了锑钾铯（Sb-K-Cs）光电阴极的光谱特性，最灵敏的光谱波长约在4000埃处。三、光电倍增管的使用微变等效电路从倍增管阳极伏安特性曲线来看，最大光通量所对应的曲线拐点以右，基本上是平直均匀分布的，一般使用倍增管也都是利用这一区域的特性，因此在交流微变电路中可以把倍增管看成是电流源，并考虑阳极电路的电容效应。iA-阳极电流C0-等效电容R1-直流负载R2-下一级放大器的输入电阻光电倍增管的交流微变等效电路1.供电电路倍增管各电极要求直流供电，从阴极开始至各级的电压要依次升高，一般多采用电阻链分压办法来供电。一般情况下，各级电压均相等，约80～100V，总电压约1000～1300V光电倍增管供电电路图1)电源电压稳定性的要求电源电压稳定性要求较高。如果电源电压不稳，会引起许多参量的变化，特别是电流增益变化，从而直接影响输出特性。目前已有光电倍增管专用的电源稳压块。2)电阻链分压电阻的确定若电阻链为均匀分压，则每个分压电阻的阻值应相等。因倍增管中的电流与电阻链中的电流是并联关系，要保证阳极电流最大时流过电阻链的电流基本不变，这就要求流过电阻链的电流IR至少要比阳极最大的平均电流IAm大10倍以上。一般说，IR越大（即R=UD/IR越小）对稳定极间电压UD越有利。但IR也不能太大，因为IR太大会增大电阻的功耗，加重电源负担。当UD给定后，分压电阻R的最大值应取决于阳极的最大平均电流，R最小值应取决于高压电源输出的功率。以上讨论的是均匀分压情形，实际各倍增极间电压也可以不相等，这样，有可能使某单项指标得到提高。例如，要提高管子的时间特性，可适当增大靠近于阴极的几级倍增极间的电压。因为电压高，可以提高收集率，减小极间电子渡越时间零散。如果第一级倍增极对阴极的收集率提高一点，整管的时间特性就会有较大改善，这点对于测量脉冲光是很重要的。但是，在选定的工作状态下，阳极灵敏度往往要降低，这是因为要使整管工作稳定，总电压不宜过高，在总电压基本保持不变的情况下，前几级电压高了，后几级电压就得相应降低，因此将导致阳极灵敏度下降。同理，要使阳极输出的线性范围宽一些，可适当增大阳极与最末一级倍增极的电压，但这时阳极灵敏度也要下降。3)并联电容的确定倍增管的输出电流主要是来自于最后几级，探测脉冲光时，为了不使阳极脉动电流引起极间电压发生大的变化，常在最后几级的分压电阻上并联电容器。4)接地方式倍增管供电电路与其后续信号处理电路必须要有一个共用的参考电位，即接地点。倍增管的接地方式有两种，即阴极接地或阳极接地。阴极接地的特点是，便于屏蔽，光、磁、电的屏蔽罩可以跟阴极靠得近些，屏蔽效果好；暗电流小，噪声低。但这时阳极要处于正高压，会导致寄生电容大，匹配电缆连接复杂，特别是后面若接直流放大器，整个放大器都处于高电压，不利于安全操作；如果后面接交流放大器，则必须接一个耐压很高的隔直电容器，而一般耐压很高的电容器体积大而且价格高。阳极接地的特点是，便于跟后面的放大器相接，操作安全，后面不仅可以通过一个低压耦合电容与交流放大器相接，也可以直接与直流放大器相接。但这时阴极要处于负高压，屏蔽罩不能踉阴极靠得很近，至少要间隔1～2cm，因此屏蔽效果差一些，暗电流和噪声都比阳极接地时大，而且整个倍增管装置的体积也要大些。2.使用注意事项1)使用前应了解器件的特性。真空光电器件的共同特点是灵敏度高、惰性小、供电电压高、采用玻璃外壳、抗震性差。2)使用时不宜用强光照。光照过强时，光电线性会变差而且容易使光电阴极疲劳（轻度疲劳经一段时间可恢复，重度疲劳不能恢复），缩短寿命。3)工作电流不宜过大。工作电流大时会烧毁阴极面，或使倍增级二次电子发射系数下降，增益降低，光电线性变差，缩短寿命。4)用来测量交变光时，负载电阻不宜很大，因为负载电阻和管子的等效电容一起构成电路的时间常数，若负载电阻较大，时间常数就变大，频带将变窄。P102,第10题：(b)、(c);第12题。光电导器件半导体光电导器件是利用半导体光电导效应制成的器件，所谓光电导效应是指受到光辐射后材料的电导率发生变化。典型的光电导器件为光敏电阻。只有能量（hν）大于材料禁带宽度（Eg）的光子，才能使材料产生光电导效