與光電管相比。陰極K、陽極A以及管殼外，多了若干中間電極，倍增極或打拿極。每相鄰兩個電極稱為一級。Vi為各級電壓，總電壓約為千伏量級，從陰極K經打拿極Di，到陽極A，形成逐級遞增的加速電場。光電發射探測器——光電倍增管讓光探測變得容易，即使是非常微弱的信號，也將成為可能。逐級倍增使電子數目大量增加，被陽極收集形成陽極電流。當光信號變化時，陰極發射的光電子數目發生相應變化．由于各倍增極的倍增因子基本上是常數．陽極電流隨光信號而變化．陰極在光照下發射光電子，光電子被極間電場加速聚焦，轟擊倍增極，倍增極在高速電子轟擊下產生更多的電子，電子數目增大若干倍。光電倍增管的性能主要由光陰極和倍增極以及極間電壓決定。負電子親合勢材料是目前最好的光陰極材料：二次電子發射特性用二次發射系數來描述，即如果倍增極的總級數為n，且各級性能相同，考慮到電子的傳輸損失，則光電倍增管的電流增益為MM=IA/Ik=f（g）n良好的電子光學設計可使f、g值在0．9以上。式中n為倍增極級數，N為發射的電子數，σn表示第n級倍增極每一個入射電子所能產生的二次電子的倍數，即該級的電流增益。式中IA為陽極電流，Ik為陰極電流。f為第一倍增極對陰極發射電子的收集效率，g為各倍增極之間的電子傳遞效率。

例如，銻化銫材料，σ＝0．2V0.7，銀鎂合金的σ≈V／40，V(伏特)．若取n＝10，則前面的電流增益為M＝σ10＝(0．2)l0V7，后者的M＝(V／40)10。

理論和實驗表明，倍增極的電流增益σ值主要取決于倍增極材料和極間電壓，可見，材料一定，總電流增益與極間電壓的關系十分密切，工作電壓微小變化將使M值有明顯的波動，這將使光電倍增管的工作不穩定。但過多的倍增級數將使光電倍增管的管長加長，體積加大，同時還將使電子渡越效應變得嚴重，影響光電倍增管的頻率特性和噪聲性能。M=IA/Ik=f（g）n從上述討論可知，n和σ愈大，M值就愈高。通常σ值為3--6，n取9--14級，M為105--107。負電子親合勢打拿極σ的值可高達20--25，這可使級數n大為減少．又可得到良好的頻率特性。綜合上述諸因素，一般選用較大的σ值和較少的級數。實驗發現，隨著工作電壓增大，σ趨于一最大飽和值，過此值后．電壓V再增大時σ反而變小。因為倍增作用，最后三級倍增極的電流較大。在脈沖信號情況下，將突然使這幾級極間電壓下降，造成空間電荷堆積，反而使陽極電流下降。所以在脈沖光信號的情況下，必須采用穩壓電容C1，C2，C3來防止這幾級極間電壓的突變。它適用于高速光脈沖或強度調制的激光信號的探測，若光信號為平穩的連續光波．則圖中的電容C1，C2，C3可以不用。它們分別取值為C3

100iA/Vn+1C2C3/nC1C2/n-1由于陰極到第一打拿極之間，電子的聚焦、收集的好壞對陽極電流的影響最大，故其極間電壓V比其它倍增極的極間電壓要取得高些，即分壓電阻要取得大些，中間各倍增極一般均勻分壓。末級極間電壓Vn+1—般取得低些，即Rn+1，值取得小些。(Rn的量級為100—500千歐姆)。iA為陽極電流．τ是脈沖信號的脈寬，vn+l為末級電壓，σn和σn－1分別為第n級和n―l級打拿極的二次電子發射系數正高壓負高壓供電方式負高壓供電方式是指電源正極接地，使陽極輸出直接接入放大器輸入端而無需隔直流電容。優點是便于用直流法測量陽極輸出電流，能響應變化非常緩慢的光信號。缺點是地處于高電位，易受外界電磁干擾，噪聲大。正高壓供電方式是指電源負極接地。這時陽極輸出必須經過一耐高壓低噪聲的隔直流電容接入放大器輸入端。由于陰極電位與地電位接近，因而暗電流小，噪聲低，適用于低噪聲要求嚴格的光脈沖信號探測。光電倍增管的光電特性曲線在相當寬的范圍內為直線。如圖(a)所示。當光功率接近20微瓦時，特性曲線開始偏離直線，出現飽和效應。原因是最后幾級打拿極的疲勞和電荷積累效應，使增益系數大大降低。倍增管的顯著特點是適于微弱光信號的探測。在使用時要切忌過度光照。由于光電子從陰極到陽極要渡越較長的距離，所以在使用時對光電倍增管進行良好的電磁屏蔽也是十分重要的.光電倍增管的伏安特性曲線與真空光電管的伏安特性十分相似。在一些弱光直流測量中，信號電流小到與暗電流可以比擬的程度，這時在陽極輸出電路中，可采用暗電流補償的方法。圖(a)是一種最簡單的補償電路。在檢流計上并聯可變電阻且與電池串聯的支路，調節可變電阻，產生一個反方向的電流。正好抵消暗電流，即所謂調零。經補償之后，測出的就是信號電流。由于暗電流經常變化，所以使用時要隨時調零。光電倍增管的響應頻率為上式，可見，為獲得足夠寬的頻率響應，必須降低負載電阻RL，并相應地提高管子增益，保證有足夠的信號輸出幅度。對于交流信號和脈沖信號，陽極對地電容不可忽略，它已是輸出電路的組成部分。輸出電路及其等效電路，如圖(b)所示。其中Ca正是陽極對其他所有電極的電容、引線寄生電容、后繼電子線路輸入電容三者之和。輸出電路的時間常數

c＝RLCa。光電倍增管的噪聲特性。因為是一個非常靈敏的微弱信號探測器，它的噪聲特性很重要。對電磁屏蔽良好的光電倍增管來說，其噪聲主要來源是暗電流、光信號電流、背景光電流以及負載電阻的熱噪聲。如果光信號變化緩慢，還應考慮1/f噪聲。光陰極的熱電子發射所產生的暗電流iT的大小由理查遜（Richardson）方程決定，即式中為光陰級量子效率，Ps和Pb為信號和背景光功率。決定的散粒噪聲為光電流ik為對純金屬，其值為1.2×106安/（米2·開2），A、T、Eψ分別為光陰極的面積、溫度和功函數（eV），K為玻爾茲曼常數。所以總電流iA為式中表示倍增過程的噪聲貢獻，式中是第一打拿極的增益系數，為其余極的增益系數，通常F=1.2左右。所以光電倍增管的總噪聲為另外，負載電阻RL有熱噪聲在光照下會改變自身的電阻率，光照愈強，器件電阻愈小——光敏電阻。

光電導探測器本征型光敏電阻:可見光和近紅外輻射探測非本征型光敏電阻：必須在低溫下工作中、遠紅外輻射探測。由于光敏電阻沒有極性，可把它當作阻值隨光照強度變化而變化的可變電阻來對待。光電導探測器的光譜響應，主要由材料和工藝過程決定。CdS、CdSe和PbS三種光敏電阻的光譜響應特性曲線

光電導材料的響應截止波長和工作溫度利用半導體材料的摻雜以及用兩種半導體材料按一定比例混合并燒結形成固溶體的技術，可使光敏電阻的光譜響應范圍、峰值響應波長獲得一定程度的改善。在一定的偏壓條件下，光敏電阻的光照特性呈非線性關系，回路電流有式中u是光敏電阻兩端的電壓，見圖所示，

、

、k均為常數。K與器件的材料、尺寸、形狀以及載流子壽命有關，

值一般在1.0～1.2之間，

值約在0.5－1.0之間.在低偏壓（幾伏到幾十伏）、弱光照（10－1－103勒克斯）條件下，通常取

=1，

=1。于是上式變為這樣無論是光照特性（I-P關系）還是伏安特性（i～u關系）都認為是線性特性。CdS的光照特性如圖所示，可見有明顯的非線性。光敏電阻的暗電阻在10兆歐以上，光照后．電阻值顯著降低，亮阻和暗阻之比在10－2-l0－6。這一比值越?。饷綦娮璧撵`敏度越高，光敏電阻是具有電流內增益的探測器．內增益M為式中可見，為了得到較大的電流增益M，總是設法減小極間距離L。M=

nV/L2μn為電子的遷移率。V為外加偏壓，τ為電子的平均壽命。L是半導體在外加電壓方向的長度。光電導探測器的實際結構，如圖所示。摻雜半導體薄膜淀積在絕緣基底上，然后在薄膜面上蒸鍍金或銅等金屬，形成梳狀電極結構。這種結構使得間距很近(即L小，M大)的電極之間，具有較大的光敏面積，從而獲得高的靈敏度。為防止潮濕對靈敏度的影響，整個管子采用密封結構。由圖可知，光敏電阻兩端電壓u為u=V－iRL=iRg由負載電阻RL決定的負載線為圖上的NT直線。Rg為PO光照時的亮電阻，當光照發生變化時，Rg變為Rg+Rg，電流變化式中負號表示光照增大時，Rg減小(＜0，增大。

電流的變化，將引起電壓u的變化，即有由上式可見，輸出電壓△u并不隨負載電阻線性變化，要使△u最大的條件為RL=RgRg是工作點Q處的亮電阻。這種狀態稱匹配工作狀態。顯然，當入射光功率在較大的動態范圍內變化時，要始終保持匹配狀態工作是困難的。這是光敏電阻的不利因素之一。圖中省略了極間電容，這在入射光功率變化頻率較高時，是不能忽略的。為得到較大的電流增益M，總設法減小極間距離，這使極間電容增大，導致器件的響應頻率減小。是光敏電阻的不利因素。每一光敏電阻都有額定的最大耗散功率Pmax，工作時如果超過這一值，光敏電阻會很快損壞。因此。可得出偏置電壓必須滿足條件式中Pmax由圖所示的功率線示出。為光電導探測器的溫度系數，式中R1和R2分別為在某光照下，溫度為T1和T2時的亮阻值，顯然TC值越小越好。不同材料制作的光電導探測器有不同的溫度系數，而且有正的也有負的。定義光敏電阻的噪聲來源主要有三個，即產生一復合噪聲、熱噪聲和1／f噪聲。

光電導探測器的光學和電學性能受溫度的影響較大，而且較為復雜。主要光敏電阻的分類、用途及特點

按光譜特性和最佳工作波長范圍，

光敏電阻分三大類；

1．對紫外光(0.3～0.41μm)敏感ZnO、ZnS、Sn02、CdS、CdSe材料制成。CdS對x射線α、β、γ射線也很敏感。

可制作探測上述各種射線強度的劑量計或計數管。

2．對(0.4～0.76μm)敏感的光敏電阻CdS、CdSe等半導體化合物材料。主要用于制造自動控制元件，如產品計數器、路燈控制、照相曝光控制、電影拾音及激光測距等。

CdS光敏電阻分為單晶型和多晶型兩種。可用來探測穿透深度較大的x、α、β、γ射線，做成上述的高能射線探測器。(1)CdS光敏電阻在可見光范圍內，CdS的光譜靈敏區在0.3—0.5μm之間，不同照度下有不同的伏安特性都是直線。說明光敏電阻的阻值取決于光照度大小照度大，阻值?。?/p>

照度小，阻值大。

中等照度下，光敏電阻功耗最大。CdS光敏電阻的伏安特性(光電流—電壓曲線)如圖所示。注：照度表示被照明物體的單位面積所接受的總光通量，照度的單位是勒克斯。一勒克斯為一平方米面積上接受一流明的光通量，單位是Lm／m2

CdS光敏電阻的響應時間曲線如圖所示。它的光電流上升與下降時間與光照度有關，照度越大，響應時間越短。在500勒克斯照度下，典型的響應時間為0．1秒。多晶型CdS光敏電阻由于感光面積大，可以得到較大的光電流。在10伏工作電壓和50勒克斯的照度下，可得到7～10mA的光電流。不同照度下有不同的曲線，但是隨工作溫度降低，平衡載流子濃度下降，引起暗電導率下降，使相對光電導率上升。CdS光敏電阻的光電導率一溫度曲線如圖所示。

光譜響應峰值在0.67μm左右,對紅光也很靈敏.如果引進適當雜質，它的光譜響應峰值還可以向長波長移動,達到0.8μm左右。（2）CdSe光敏電阻CdSe比CdS更快的響應速度。CdSe比CdS光敏電阻的衰減速度快10倍左右。CdSe光敏電阻在高照度下的靈敏度大致與CdS相同，但是低照度下，CdSe光敏電阻的靈敏度低于CdS。這是因為CdSe中空穴電離能(0．68eV)比CdS的1．0eV)低，在CdSe中被陷阱俘獲的空穴可較快放出，使其電荷倍增效應較差。

CdSe光敏電阻的主要缺點是其靈敏度隨工作溫度變化較大(見圖)，低照度下靈敏度低。三類材料紅外光敏電阻第1類窄帶隙材料，PbS、PbTe、PbSe、

InSb。第2類帶隙可隨組份調變的三元材料，如HgCdTe、

PbSnTe等。第3類分別摻有Au、Ni、Cu、Zn、Ga、P、B等雜質的Ge、Si、GaAs的雜質光電導材料。

使用時注意，在中紅外以上波段(4um以上應用時，光敏電阻需降低工作溫度到77K或4．2K，以減小熱激發，增大光電導增益，提高探測率。3．對紅外光(0．77～1．5μm近紅外區，

1．5～6．0μm中紅外區，

6～40μm遠紅外區，

40～100μm極遠紅外區)靈敏的光敏電阻本征光電導材料。

(2)薄膜型PbSe光敏電阻中紅外光探測器。室溫下峰值響應在3．8μm，

77K時為5．1μm。室溫下峰值探測率，響應時間2us。溫度77K，響應時間延長到40us左右。紅外光敏電阻(1)薄膜型PbS光敏電阻(適用小于3μm)探測器。在室溫(20℃)時，峰值響應在2．1μm，

195K時2．8μm用于3～5um波段。采用高頻氧反應濺射PbTe薄膜工藝，制成高質量的光敏電阻。(3)薄膜型PbTe光敏電阻使用溫度下降時，長波限朝長波長方向移動，響應時間也隨溫度下降而變長。目前的PbSe和PbTe光敏電阻都已由InSb光敏電阻代替了。在3～5μm波段上室溫下，它的截止波長7．5μm。

77K下峰值波長約5μm，截止波長為5．5μm，恰好位于大氣窗口光導型的InSb光敏電阻，響應時間≈6μs。(4)InSb探測器鍺摻金光敏電阻的峰值波長在5μm左右鍺摻汞的在10．5μm，鍺摻鎘的在16μm，鍺摻銅的在23μm，鍺摻鋅的在36μm，鍺摻鎵、硼的截止波長可達150μm。深低溫下工作有較高的探測率和較快的響應速度，限制了實際的使用

(5)鍺摻雜光敏電阻非本征紅外光探測器。探測波長在100～400μm的極遠紅外區。采用這種光敏電阻有很高的探測率。必須在深低溫4．2K下才能工作。(6)砷化鎵摻雜光敏電阻

Hg1－xCdxTe是二元化合物CdTe和

HgTe的連續固溶體。CdTe是寬帶隙(約1．6eV)的半導體，而HgTe是禁帶寬度約為0．3eV(能帶交迭)的半金屬。調節該材料中鎘的組份，可以改變其禁帶寬度，可改變其響應波長。

(7)HgCdTe探測器目前已能設計響應在0．8～40μm波長范圍內不同工作波段的各種HgCdTe探測器。

電子有效質量小，本征載流子濃度低，故制成pn結的反向飽和電流小，探測器噪聲低，探測率高。電子遷移率高，故渡越時間短、響應頻帶寬。光伏型探測器的τ=1ns，光導型τ=1μs。HgCdTe材料具有許多可貴性質，適于制備高速高性能的探測器。本征躍遷，故吸收系數大，量子效率高在8～14μm這個常用的大氣窗口內，HgCdTe探測器只須冷卻到77K就可工作。目前已研制成高性能、77K下工作、8～14μm大氣窗口的光伏型和光導型的探測器，也制成了探測器的陣列。HgCdTe探測器的另一個發展方向是制備室溫、快速、高性能的1～3和3～5μm兩個大氣窗口的探測器，目前已達到了很高的水平。光伏探測器響應時間可小于1ns，適用于激光通訊和測距系統。由于PbSnTe的折射率高，反射損失將達50％，所以可通過蒸發減反射膜，減小反射損失，提高量子效率。和HgCdTe探測器一起，成為77K下使用的兩種重要的8～14μm波段的探測器。PbSnTe的組份和電學性質較HgCdTe容易控制。

Pb1－xSnxTe組