1、 光電發射探測器是基于外光電效應的器件，最典型的光電發射探測器是光電倍增管（PMT），本章主要介紹PMT的主要特性。使用要點、常用電路及選擇依據。 當光照射到某種物質時，若入射的光子能量hv足夠大，它和物質中的電子相互作用，致使電子逸出物質表面，這種現象稱為光電發射效應，又稱為外光電效應。能產生光電發射效應的物體，稱為光電發射體，在光電管中稱為光陰極。 光電子發射過程包括以下幾個階段：（1）光電發射體中的電子吸收入射光光子能量后其能量增大；（2）受激電子（得到光子能量的電子）從發射體內向真空界面運動；（3）電子越過發射體表面勢壘向真空（或其它介質）中逸出。但是電子從吸收光子能量到逸出發射體表面

2、的時間是很短的，這個時間約為10-12s。 斯托列托夫定律（光電發射第一定律）：當入射輻射的光譜分布不變時，發射的飽和光電流I與入射的幅通量（或光強）成正比：I=SK 愛因斯坦定理（光電發射第二定律）：發射的光電子的最大動能隨入射光子光頻率的增加而線性地增加，而與入射光地強度無關：WhvVme2max21 一、光電發射材料 分為三類：純金屬材料、表面吸附一層其它元素原子的金屬和半導體材料。 光電發射材料應具備的條件： 1、光吸收系數大； 2、光電子在體內傳輸過程中受到的能量的損失小，使其逸出深度大； 3、表面勢壘低，使表面逸出幾率大。 金屬不能作為光電發射材料原因： 半導體作為光電發射材料；

3、負親和勢光電陰極。(a)金屬光電子發射體 (b)具有正電子親和勢的半導體光電子發射體(c) 具有負電子親和勢的半導體光電子發射體 1、銀氧銫陰極 兩個峰值：可見和紅外，量子效率低，暗電流大； 2、銻銫陰極 量子效率高，光譜響應窄，對紅光和紅外不靈敏； 3、多堿光電陰極（響應度高） (1) 銻鉀鈉陰極 （2）銻鉀鈉銫陰極 4、紫外光電陰極（碲化銫） 表面區域能帶彎曲，真空能級降到導帶之表面區域能帶彎曲，真空能級降到導帶之下，從而使有效的電子親和勢為負值。下，從而使有效的電子親和勢為負值。 與經典的光電發射材料的區別： 參與發射的電子是導帶的“熱化”電子或稱“冷”電子； NEA陰極中導帶的電子逸出

4、真空不需作功； NEA是指在半導體內的有效值。 NEA陰極的特點： 光電管分為真空型和充氣型兩種。 在抽成真空或充以惰性氣體的玻璃泡內，設置陽極和對光敏感的陰極，就構成了真空光電管和充氣光電管。 光電倍增管把微弱入射光轉換成光電子，并獲得倍增的重要的真空光電發射器件。工作原理是建立在光電效應、二次電子發射和電子光學的理論基礎上的。 （一）PMT的基本結構與原理5.3.1 光電倍增管的結構 光電倍增管主要由光入射窗口、光電陰極、電子光學輸入系統、二次發射倍增系統及陽極組成 。側窗式：一般使用反射式光電陰極，大多數用于分光光度和光度測量中。端窗式：光電陰極沉積在入射窗的內側面。為了使各處的靈敏度一

5、致，陰極面做成半球狀。 電子光學輸入系統主要起兩方面作用：一是使光電陰極發射的光電子盡可能全部會聚到第一倍增極上，而將其他部分的雜散熱電子散射掉，提高信噪比；二是使陰極面上各處發射的光電子在電子光學系統中渡越的時間盡可能相等，以保證光電倍增管的快速響應。 倍增系統必須有高的倍增效益，增益A由下式決定： nA)(0 1.靈敏度 光譜響應度 陰極靈敏度 陽極靈敏度 2.放大倍數（電流增益）0為第一倍增極對陰極的電子收集效率，即光學系統的收集率；為倍增極間的傳遞效率；為次級發射系統的平均值；n為倍增極的級數。 0()nA( )( )( )( )( )( )kkIpakiSqPhcISSA 21110

6、( )( )( )kkkPSdISPd0() 1KdKnknnCUUACCUn 3.暗電流Id 光電陰極和第一倍增極的熱電子發射； 極間漏電流； 離子和光的反饋作用； 場致發射； 放射性同位素和宇宙射線的影響 減少暗電流的方法：直流補償、選頻、鎖相放大、制冷、電磁屏蔽和磁場散焦。在低電壓時，暗電流由漏電流決定；電壓較高時，主要是熱電子發射；電壓再高，則導致場致發射和殘余氣體離子發射，使暗電流急劇增加，甚至可能發生自持放電。 暗電流的補償方法：暗電流的補償方法：1、直流補償、直流補償2、選頻和鎖相放大、選頻和鎖相放大3、致冷、致冷4、電磁屏蔽、電磁屏蔽5、磁場散焦、磁場散焦 4.PMT的噪聲（散

7、粒噪聲、閃爍噪聲。熱噪聲） 5.時間特性和頻率響應 6. 線性度：不僅與PMT的內部結構有關，很大程度上取決于外部的高電壓供電電路及信號輸出電路。0.35= R50tLrf上7、穩定性（靈敏度的慢漂移，滯后效應）8、最小可探測功率（NEP）9、伏安特性10、磁場特性11、空間均勻性(一些電子偏離設計軌道、加漫射器）12、偏振效應慢漂移主要是由于最后幾級倍增極在大量電子轟擊下受損，引起二次發射系數變化。主要取決于陽極電流的大小。在在PMT加上高壓加上高壓或開始光照的短或開始光照的短時間內，陽極輸時間內，陽極輸出電流存在短暫出電流存在短暫的不穩定，電流的不穩定，電流可能比穩定值大，可能比穩定值大，

8、也可能小。也可能小。5.3.3 PMT的供電和信號輸出電路一、高壓供電1、供電電壓的極性（陽極接地、陰極接地）2、線性供電方式（1）直流信號（2）脈沖信號3、高壓電源 1.分壓電路 電壓不均勻分布時分壓器的設計原則： 光電陰極K與第一倍增極D1間電壓要足夠高； 中間相鄰間采用均勻分壓； 最后三極間通常也加較高電壓。 最后三級并聯電容的選取2123CCC 2.供給電源 （1）對電源的要求 （2）PMT的饋電方法 2、PMT的輸出電路負載電阻輸出 在頻響要求比較高的場合，負載電阻應盡可能小一些。 當輸出信號的線性要求較高時，選擇的負載電阻應使信號電流在它上面產生的壓降在幾伏以下。 負載電阻應比放大

9、器的輸入阻抗小得多。運算放大器輸出 PMT的使用 陽極電流IP隨入射光功率Ps的變化規律是：開始階段是線性增長，當Ps大到一定值時，IP增加緩慢，出現飽和現象。這是由于光陰極受強光照射后發射電子的速率過高，內部來不及重新補充電子，致使靈敏度下降（出現疲勞效應）。在輕度疲勞時，若停止工作一段時間，可以恢復正常工作能力。但是太強的光照射會使光電倍增管損壞。所以，切忌過強的光照射。PMT的應用：的應用：PMT具有極高的靈敏度和快速響應等特點，具有極高的靈敏度和快速響應等特點，在精密測量中，正確使用在精密測量中，正確使用PMT，應注意：，應注意：1、陽極電流不超過、陽極電流不超過1 A，可以減緩疲勞和

10、，可以減緩疲勞和老化效應，減少負載電阻反饋和分壓器電壓老化效應，減少負載電阻反饋和分壓器電壓的再分配效應；的再分配效應；2、電壓分壓器中流過的電流至少應大于期、電壓分壓器中流過的電流至少應大于期望陽極電流的望陽極電流的1000倍，即倍，即1mA；3、陰極和第一倍增極之間，以及末級倍增、陰極和第一倍增極之間，以及末級倍增極和陽極之間的極間電壓應設計得與總電壓極和陽極之間的極間電壓應設計得與總電壓無關；無關；4、高壓電源得穩定性必須為所需測量精度得、高壓電源得穩定性必須為所需測量精度得10倍左右；倍左右；5、輸出信號采用運放作電流電壓變換，以獲得、輸出信號采用運放作電流電壓變換，以獲得高得信噪比和

11、好的線性；高得信噪比和好的線性；6、采取電磁屏蔽，最好使屏蔽筒與陰極處于相、采取電磁屏蔽，最好使屏蔽筒與陰極處于相同的電位；同的電位；7、應貯存在黑暗中，使用前最好先接通高壓電、應貯存在黑暗中，使用前最好先接通高壓電源，在黑暗總存放幾小時；源，在黑暗總存放幾小時；8、最好在光電陰極前放置優質的漫射器；、最好在光電陰極前放置優質的漫射器；10、不應在、不應在He中使用。中使用。應用舉例：光子計數應用舉例：光子計數工作原理：光子計數器一般測量小于10-14W的連續弱輻射。假設為HeNe激光，則發生光子速率Np1014/hv=3.18*104/s討論：PMT為何做成球面？如何選擇倍增極之間的極間電壓

12、？光電發射和二次電子發射兩者有何不同？光電倍增管產生暗電流的原因有哪些？如何減少暗電流？光電倍增管采用負高壓供電或正高壓供電，各有什么優缺點？他們分別使用哪些情況下？現有12級倍增極的光電倍增管，若要求正常工作時放大倍數的穩定度為1，則電源電壓的穩定度是多少？(1)光電倍增管利用光電倍增管利用外光電效應外光電效應制成制成 (2)結構結構(3) 特點特點 靈敏度高，適宜弱光信號；靈敏度高，適宜弱光信號； 響應時間極短；響應時間極短； 頻率特性較好頻率特性較好，頻率可達，頻率可達106赫或更高；赫或更高；(4) 缺點缺點 需高壓直流電源、價貴體積大、經不需高壓直流電源、價貴體積大、經不起機械沖擊等

13、。起機械沖擊等。(1) 結構結構(2) 優點優點 光譜響應相當寬光譜響應相當寬; 光敏電阻的靈敏域可在紫外光區，可見光區，光敏電阻的靈敏域可在紫外光區，可見光區，也可在紅外區和遠紅外區。也可在紅外區和遠紅外區。 所測的光強范圍寬所測的光強范圍寬; 使用方便，成本低，穩定性高，壽命長使用方便，成本低，穩定性高，壽命長; 靈敏度高，工作電流大，可達數毫安靈敏度高，工作電流大，可達數毫安。 (3) 不足不足 在強光照射下線性較差，頻率特性也較差在強光照射下線性較差，頻率特性也較差。 (1)基本原理基本原理 由半導體能帶理論可知，當圖像由半導體能帶理論可知，當圖像的光子大量入射到半導體光電導材的光子大

14、量入射到半導體光電導材料上時，使大量的電子吸收能量進料上時，使大量的電子吸收能量進入導帶，從而使其導電性能改善，入導帶，從而使其導電性能改善，電導率增加或電阻下降，形成了電電導率增加或電阻下降，形成了電子圖像信號。子圖像信號。（1）原理與結構）原理與結構 （2）特性：）特性：波長范圍波長范圍: 硅光電池為硅光電池為400 1100 nm，峰值波長在峰值波長在 850 nm 附近；附近；靈敏度：靈敏度：硅光電池為硅光電池為 6-8 毫安流明；毫安流明； 可靠性好，壽命也較長；可靠性好，壽命也較長； 體積小。體積小。 (1) 結構結構 (2) 特性特性 體積小，穩定性好；體積小，穩定性好； 靈敏度

15、高，響應速度快；靈敏度高，響應速度快； 易于獲得定向性；易于獲得定向性； 光譜響應在可見和紅外區。光譜響應在可見和紅外區。 雪崩光敏二極管雪崩光敏二極管 頻率響應很高，帶寬可達頻率響應很高，帶寬可達100GHz。是目前。是目前響應最快的一種光敏二極管。適用于光纖通信、響應最快的一種光敏二極管。適用于光纖通信、激光測距及其他微弱光的探測等。激光測距及其他微弱光的探測等。 光敏二極管陣列光敏二極管陣列 將光敏二極管以線列或面陣形式集合在一起，將光敏二極管以線列或面陣形式集合在一起，用來同時探測被測物體各部位提供的不同光信用來同時探測被測物體各部位提供的不同光信息，并將這些信息轉換為電信號的器件。息

16、，并將這些信息轉換為電信號的器件。 象限探測器有二象限和四象限探測器，象限探測器有二象限和四象限探測器，又分光電二極管象限探測器和硅光電池象又分光電二極管象限探測器和硅光電池象限探測器。象限探測器是在同一塊芯片上限探測器。象限探測器是在同一塊芯片上制成兩或四個探測器，中間有溝道將它們制成兩或四個探測器，中間有溝道將它們隔開，因而這兩或四個探測器有完全相同隔開，因而這兩或四個探測器有完全相同性能參數。當被測體位置發生變化時，來性能參數。當被測體位置發生變化時，來自目標的輻射量使象限間產生差異，這種自目標的輻射量使象限間產生差異，這種差異會引起象限間信號輸出變化，從而差異會引起象限間信號輸出變化，

17、從而確確定目標方位，同時可起制導、跟蹤、搜索、定目標方位，同時可起制導、跟蹤、搜索、定位等作用定位等作用。 結構結構 靈敏度比光敏二極管高，是光敏二極管靈敏度比光敏二極管高，是光敏二極管的數十倍，故輸出電流要比光敏二極管大的數十倍，故輸出電流要比光敏二極管大得多，一般為毫安級。但其它特性不如光得多，一般為毫安級。但其它特性不如光敏二極管好，在較強的光照下，光電流與敏二極管好，在較強的光照下，光電流與照度不成線性關系。頻率特性和溫度特性照度不成線性關系。頻率特性和溫度特性也變差，故也變差，故光敏三極管多用作光電開關或光敏三極管多用作光電開關或光電邏輯元件光電邏輯元件。 一、接收光信號的方式 光信

18、號的有無：即被測對象造成投射到光電器件上的光信號截斷或通過。 光信號按一定頻率交替變化：光信號的輸入有一定的頻率，必須使所選器件的上限截止頻率大于輸入信號頻率。 光信號的幅度大小：被測對象因對光的反射率、投射率變化或被測對象本身光輻射強度變化，光信號的幅度改變。 光信號的色度差異 二、各種光電檢測器件的性能比較 在動態特性方面（響應）：在動態特性方面（響應）：PMT，PIN，APD； 線性（光電特性）：線性（光電特性）：PMT，光電二極管，光電池；，光電二極管，光電池； 靈敏度：靈敏度：PMT，APD，光敏二極管，光敏三極管；，光敏二極管，光敏三極管； 輸出電流：大面積光電池，光敏電阻，輸出電流：大面積光電池，光敏電阻