光电探测器光学测试技术光电器件主要分成外光电效应 (光电发射效应，
分表面效应和体效应，金属和金属氧化物 )和内光电效应 (光电导效应和光生伏特效应，半导体 )。
就光电器件而言，最重要的参数是：灵敏度、驰豫时间和光谱分布。其次是温度特性、噪声特性等。
四、各类光电探测器
1,光电子发射器件与 光电倍增管 ；
2,光电导探测器；
3,光伏探测器 (光敏二极管、光敏三极管 )；
1、光电子发射器件与光电倍增管光电发射效应：物质吸收光子后，基态电子被激发到高能态、脱离原子核束缚，在外电场作用下参与导电，形成光电子流。
器件：光电管、光电倍增管等。
好的光电发射材料要求,a、光吸收系数大； b、光电子在体内能量损失小、逸出深度大； c、表面势垒低、逸出几率大。
光电发射效应基本特性
K K KIS
1,斯托列托夫定律 (光电发射第一定律 )：当入射光的频谱成分不变时 (同一波长的单色光或者相同频谱成分的光 )，光电阴极的饱和光电发射电流与阴极接收的光通量成正比。
2,爱因斯坦定律 (光电发射第二定律 )：发射光电子的最大动能随入射光频率的增大线性增大，而与入射光强无关。
3,光电发射延迟时间,<3× 10-13ses
0m a xkhE
光电发射材料
常用经典光电发射材料：银 -氧 -铯 (Ag-O-Cs)阴极、锑铯 (CsSb)阴极、多碱金属阴极 (增大光谱响应范围 )、紫外光电阴极；
半导体负电子亲和势 (NEA)材料：比一般经典材料具备较高的量子效率、较高的光吸收系数、
较低的暗电流、较平坦的光谱响应等特性。
光电倍增管 (PMT)基本结构
基本结构：光电阴极、电子光学系统、二次发射倍增系统 (第 n次倍增极和第 n+1次发射极 )、
阳极；
入射光窗口光电阴极 倍增系统 阳极聚焦极 管脚光电倍增管工作原理
工作原理：入射光照射到光电阴极上，激发出光电子，经电场加速 (聚焦 )打到第一倍增极 (第
2次发射极 )上，光电子数得到放大 δ倍,依次经过后续的倍增极，最后到达阳极，信号被放大 δn倍 。
h?
K A
D1 D2 Dn
R1 R2 Rn
RL
V0
如果每个电子落到某一倍增极上从该倍增极打出 σ个二次电子，那么很明显地：
式中,I— 阳极电流； i0 — 光阴极发出的光电流； n—
光电倍增极的级数。
光电倍增管的电流放大系数 β可用下式表示,
0 nIi
0
nI i
光电倍增管 (PMT)基本特性参数
1、光电特性,在相当宽的范围内为直线。当光通量很大时，
特性曲线开始明显偏离直线。
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。
光电倍增管 (PMT)基本特性参数
2、光谱特性：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
400nm处。同时还要注意环境温度对光电倍增管光谱相应的影响。
光电倍增管 (PMT)基本特性参数
3、伏安特性：阳极伏安特性定义为：当入射光通量一定时，
阳极电流 Ia与最后一级倍增极和阳极之间电压 U的关系。相应于不同光通量值的阳极伏安特性示于图中，它表示阳极电流
Iα对于最后一级倍增极和阳极间的电压 U的关系。作此曲线时，
其余各电极的电压保持恒定。
光电倍增管 (PMT)基本特性参数
4、放大特性：光电倍增管的电流放大系数 β或灵敏度随电源电压 U增大的关系，称为放大特性。
随着电源电压升高，电子在电场中的速度加快，动能增大，
电子在倍增电极中可打出更多的二次发射电子，因而放大系数或灵敏度增大。工程上有时利用这一性质来自动调节光电倍增管的灵敏度。
光电倍增管 (PMT)基本特性参数
5、暗电流：光电倍增管的暗电流是指在施加规定的电压后，
在无光照情况下测定的阳极电流。在测量微弱光强时，其影响特别大。
光电倍增管 (PMT)基本特性参数暗电流的来源：
光电阴极和光电倍增管的热电子发射 (主要因素 )；
光电倍增管的极间漏电流；
场致发射 (电极受高压影响 )；
离子和光的反馈作用 (真空度导致，残余气体电离 )；
放射性同位素和宇宙射线 (窗口材料含有 K离子 )。
减少暗电流的办法：
采用热电子发射能力弱的光电阴极和倍增极；
采用合适的屏蔽减小自然界中辐射线照射；
致冷；
将入射光调制成一定频率的周期信号，而输出电路中加一选频放大器 (或锁相放大器 )。
光电倍增管 (PMT)基本特性参数
6、噪声：光电倍增管的噪声主要有散粒噪声和热噪声，
尤其是散粒噪声。
7、最小可探测功率 (NEP)：取决于散粒噪声和 PMT的放大特性。
光电倍增管 供电高压供电：为了使光电倍增管能正常工作，通常需要在阴极和阳极之间加上近千伏的高压。同时还需要在阴极、聚焦极、
倍增极和阳极之间分配一定的极间电压，保证光电子能被有效收集，光电流通过倍增极系统得到放大。最常用的分压器是采用一组电阻 (电阻链 )跨接在阴极与阳极间。
供电电压的极性：一般的分压电路中采用阳极接地，负高压供电。这种供电方式的好处是可消除外部信号输出电路与阳极之间的电位差；其缺点是由于靠近管子玻壳的金属支架或磁屏蔽筒接地，它们与阴极和倍增极之间存在较高的电位差，结果使某些光电子打到玻壳上产生噪声。
2、光电导效应与光敏电阻光电导效应：物质吸收光子后，电阻减小。
器件：光敏电阻 利用光电导效应制成。根据半导体材料的分类，将光敏电阻分为两种类型 — 本征型半导体光敏电阻和掺杂型半导体光敏电阻；
材料：半导体或绝缘体 (CdS,PbS),金属无光电导效应。
光敏电阻分类：
A,本征型,只有当入射光子的能量 hν等于或大于半导体材料的禁带宽度 Eg时才能激发电子空穴对，在外加的电场作用下形成光电流。这种本征光电导效应可用来检测可见光和近红外辐射。
B,掺杂型,如 n型半导体，光子的能量只要大于杂质的电离能就能把施主杂质能级上的电子激发到导带而形成导电电子，在外加电场的作用下形成光电流。目前大都使用 n型半导体光敏电阻。为了减少杂质能级上电子的热激发，常需要在低温下工作。这种效应可以检测波长较长的辐射。主要用于超过 5微米的波段。
光敏电阻结构：
光敏电阻是在绝缘材料上装梳状光电导体封闭在金属或塑料外壳内，再在两端连上欧姆接触的电极构成。
为避免外部干扰，入射窗口装有透明保护窗，使起特殊滤光作用 (对所需光透明 )。图为最简单的光敏电阻原理图及符号表示。
光照电极光敏电阻的特点：
优点：
(1) 光谱响应相当宽。
(2) 光强范围宽：既可对强光响应也可对弱光响应。
(3) 无极性之分：使用方便，成本低，寿命长。
(4) 灵敏度高，工作电流大，可达数毫安。
缺点：
强光照射下线性较差，受温度影响大，响应时间长、频率特性差。
光敏电阻的主要特性参数：
1,光照特性,其灵敏度高，光照特性为非线性。 在实用范围内，有如下关系：
I —— 通过光敏电阻的电流；
U —— 加于光敏电阻的电压；
L —— 光敏电阻上的照度；
K —— 材料决定的比例系数；
a —— 电压指数，一般近于 1；
b —— 照度指数，在 0.5-1之间。
abI K U L?
光敏电阻的主要特性参数：
2、光谱 特性,图中曲线 1,2,3分别为硫化镉 (CdS)、硒化镉 (CdSe)、硫化铅 (PbS)光敏电阻的光谱响应。图中可看出，硫化铅在较宽的光谱范围内有较高的灵敏度。光谱特性与光敏电阻的材料、制作工艺有关。
光敏电阻的主要特性参数：
3、伏安 特性,在一定光照下，光电流与所加电压的关系为伏安特性。
图为照度为 0和某值时的伏安特性。
光敏电阻是纯电阻，因此符合欧姆定律，曲线为直线。 电压很大时会偏离线性关系。其最高使用电压由它的耗散功率所决定。因为伏安特性成线性，光敏电阻除用积分灵敏度外，用比灵敏度也很方便。
积分灵敏度 =比灵敏度 × U，即积分灵敏度与电压成正比，这是因为在相同的光通量下，光敏电阻的电流与电压成正比。比灵敏度,Sg=I / U?
光敏电阻的主要特性参数：
4、频率 特性,曲线 1,2分别为硫化镉和硫化铅的频率特性，
可以看出光敏电阻的频率特性较差 (最高数千赫兹 )。有时用时间常数说明频率响应的好坏程度。上升时间常数 (电导率上升到 63%)和下降时间常数 (电导率下降到 37%)。
光敏电阻的主要特性参数：
5、疲乏 特性,图中曲线分别表示型号不同的两种光敏电阻的疲乏特性。初制成的光敏电阻，性能不够稳定。但经过一至两个星期的老化，性能可达到稳定。在密封良好、使用合理的情况下，
光敏电阻的使用寿命几乎是无限长的。
光敏电阻的主要特性参数：
6、温度 特性,光敏电阻的性质受温度的影响较大，随着温度的升高灵敏度要下降。图示硫化镉的光电流与温度的关系。不同的材料其温度特性也不一样。光敏电阻在黑暗时的电流随温度升高而增大，导致在光照时电流增加不多，
灵敏度降低。 温度还影响光谱特性、峰值响应波长等。
光敏电阻的主要特性参数：
7、暗电阻和暗电流,光敏电阻在黑暗时的电阻值一般大于 10兆欧，称为暗电阻。光照使其电阻值显著降低，这时候的电阻称为亮阻。暗阻和亮阻之比在 102-106之间，这一比值越大，灵敏度越高。随着温度增加，暗电阻下降，这对其工作不利。
8,噪声,光敏电阻一般工作在低频区，噪声主要是 1/f噪声。
光敏电阻的应用电路：
图 (a)中的输出电压与入射光通量的变化反相；图 (b)中的输出电压于入射光通量成同相。
在入射光通量变化范围一定的情况下，为了使输出电压 Vo变化范围最大，一般取 RL=RG。
当入射光通量跳跃变化时，取
RG＝ (RG max × RG min )1/2
同时，电源 E也应满足下式
E≤(4Pmax RL)1/2
Pmax:光敏电阻的最大允许功耗。
当入射光通量变化时,I
和 U同时变化，使整个系统线性变坏，噪声增加。
恒流偏置电路：
由于采用了稳压管 DW，故 Vb
不变，使 Ib 不变,Ic 不变，
达到恒流的目的。这时，入射光通量的变化仅引起电压
Vo 的变化。
恒压偏置电路：
由于采用了稳压管 DW，故 Vb
不变，使 Ve 也不变。入射光通量的变化仅引起 Ic的变化。
恒压偏置的最大特点是光敏电阻的灵敏度与光敏电阻的暗阻值无关，因而互换性好，
调换光敏电阻时不影响仪器的精度。
3、光生伏特效应光生伏特效应：将光能转换成电能的效应。
产生电子 -空穴对 (p-n结 )而造成电势差。
器件：光电池、光电 (光敏 )二极管、光电 (光敏 )三极管、光敏阵列 ；
材料：半导体材料。
(1)、光电池光电池是根据光生伏特效应制成的将光能转变为电能的一种器件。它的基本结构就是一个 p-n结。
可做太阳能电池和光电探测器使用。
光电池的结构：
光电池是在 n(p)型硅基底上扩散 p(n)型杂质并作为受光面，构成 p-n结后，再经过各种工艺处理，分别在基底和光敏面上制作输出电极，涂上二氧化硅作保护膜 (一方面起防潮保护作用，另一方面对入射光起抗反射作用 )，即成光电池。
n
p
二氧化硅电极光电池的工作原理：
P,n材料扩散形成 p-n结，建立内电场。受光照时，
产生电子 -空穴对，他们在内电场作用下作定向运动积聚产生电势差。当外电路闭合时，形成光电流。
光电池的工作原理：
光电池的输出受外接负载电阻大小的影响：当 RL≠0时,U≠0,U↑
,pn结的等效电阻 rD↓，则 ID↑；当 U继续增大到 pn结的导通电压时
(RL非常大时 ),U就不会再增大。此时 pn结的 rD变得很小，光照所产生的光电流 Iφ几乎全部流向二极管，即 Iφ≈ID。 这时，在负载 RL
上除有少量的电流维持 pn结的导通电压 U外，光照产生的光电流几乎都消耗在光电池内部。
光电池的工作原理：
e1
if 0,l n 1
if 0,
qV
kT
D
oc
D
sc
I I I
I S L
IkT
IV
qI
V I I S L
光电池的特性参数：
1、光照 特性,图 (a),(b)分别表示出硅光电池和硒光电池的光生电动势以及光电流与照度的关系。 Uoc表示开路电压,Isc是短路电流。
光电池的特性参数：
1、光照 特性,图为硒光电池的光照特性与负载电阻的关系。
从图中可以看出，负载 RL减小，
光电流与照度的线性越好，而且线性范围也越广。因此光电池作为测量元件时，所用负载的大小应根据照度而定。当照度较大时，为保证测量有线性关系，负载电阻应很小。
光电池的特性参数：
2、光谱 特性,光谱特性与光电池的材料有关，还与制造工艺及温度有关。曲线 1,2分别为硒和硅光电池的光谱特性。可看出硒光电池在可见光谱内有较高的灵敏度，峰值波长在 540nm。硅光电池的光谱范围为 400-1100nm，峰值波长在 850nm左右。
光电池的特性参数：
3、伏安 特性,负载短接或很小时，负载线与伏安特性的交点为等距离，电流正比于照度，数值也较大。负载电阻较大时，负载线与伏安特性的交点相互间距不等，即电流不与照度成正比，光照特性不是直线，电流也减小。
光电池的特性参数：
4、频率 特性,图中曲线 1,2分别表示硒光电池与硅光电池的频率特性。
(1)光电池的 PN结或阻挡层的面积大，
极间电容大，因此频率特性较差。 (2)
负载电阻越大，电容的旁路作用越显著，频率特性高频部分的下降越厉害。
(3)在低照度时光电池的内阻增大导致频率特性变差。 (4)响应速度与结电容和负载电阻的乘积有关。如果要改善频率特性，需减小负载电阻或减小光电池的面积，使它的结电容减小。
光电池的特性参数：
5、温度 特性,如图,硅光电池的开路电压随温度升高降低。短路电流随着温度升高，开始增大，当温度超过
70度左右时，温度升高，电流下降。
硒光电池超过 50℃,硅光电池超过 200℃ 时，它们因晶格受到破坏而导致器件的破坏。因此光电池作为探测器件时，为保证测量精度应考虑温度变化的影响。
光电池的电路：
1,光电池用作太阳能电池光电池的电路：
2,光电池用作检测器件,此电路可实现光电池的线性输出。对光电池而言,RL近似等于 0。
Vo=-2RfIφ=-2RfSφ
光电池的转换效率：
由光照产生的电子和空穴在内电场的作用下才形成光生电动势和光电流,由于内电场是由掺杂的 P区和 n区自由扩散形成的，故内建电场的强度是非常有限的，这就导致了光电池的光电转换效率非常低，最高也只能是百分之十几。
(2)、光电二极管
PD在结构和工作原理上与光电池相似，都是属于 p-n结型光生伏特效应。不同之处：
就制作衬底材料的掺杂浓度而言，光电池较高；光电池在零偏置下工作，而 PD通常在反偏置下工作；光电池的光敏面面积都比 PD的大得多，因此 PD的光电流小得多，
在微安级。
光电二极管的反向偏置：
光敏二极管工作时一般加反相偏压，反偏使外电场的方向与 PN内建电场的方向相同，加强了内建电场，使 p-
n结空间电荷区拉宽。在 无光照时，只有少数载流子在反向偏压的作用下渡越阻挡层，形成微小的反向电流，即暗电流。当光敏二极管受光照时,PN结附近受光子轰击吸收其能量而产生电子空穴对，从而使 P区和 N区的少数载流子浓度大大增加。
光电二极管的电路：
图 (a)和图 (b)的差别是输出电压 U是反相的。
a
b
U I R
U E I R
IS
光电二极管的分类：
点接触光敏二极管；
扩散型 PN结光敏二极管；
耗尽层型光敏二极管；
扩散型 P-i-N硅光敏二极管；
雪崩光敏二极管；
PIN管 (快速光敏二极管 )
1、频带宽；
2、线性输出范围宽；
3、输出电流小：零点几微安至数微安。
ADP管
1,在加很高的反向偏压后,P-N结内形成了很强的电场区。
光照后初始载流子在强电场下获得很大的动能，因此在其高速运动过程中要与晶体中的晶格发生碰撞作用，于是产生新的电子 -空穴对。经过多次碰撞电离后，便使载流子迅速增加，
从而反向电流也迅速增大形成雪崩倍增效应。
2,APD是利用雪崩倍增效应使光生电流达到很高的数值，电流增益可达 106。
因此，雪崩光电二极管是灵敏度很高的光电信息转换器件。
影响 ADP管工作的因素：
(a)雪崩过程伴有一定的噪声，并受温度的影响较大；
(b)由于材料本身 (特别是表面部分 )具有一定的缺陷，使
PN结的各区域电场分布不均匀，局部的高电场区首先发生击穿，使漏电流变大，这相当于增强了噪声。为避免这一情况发生，在选择材料和工艺上应加以注意。
雪崩光敏二极管的工作偏压必须适当。过小时，增益太小；过大时，噪声大，而且电压过高可能使管子被击穿烧毁。由于击穿电压会随温度漂移，必须根据环境温度变化相应调整工作电压。
(3)、光电三极管光敏三极管是在光敏二极管的基础上发展起来的,它和普通晶体三极管相似,具有电流放大的作用，只是它的集电极电流是受光照的控制。所以光敏三极管的外形有光窗、集电极和发射极的引出线等组成。
光电三极管的结构：
图为光敏三极管的结构。图中以 n型硅片作为衬底，
扩散硼而形成 p型，再扩散磷而形成重掺杂 n+层，并涂以
SiO2作为保护层，在重掺杂的 n+侧开窗，引出一个电极并称作“集电极 c”，由中间的 P型层引出一个基极 b，而在 n
型硅片的衬底上引出一个发射极 e，这就构成了一个光敏三极管。
光
n p n
RLIe
Vc
光电三极管的工作原理：
各电极所加的电压与普通晶体管相同。由于集电极反偏，
在结区内有很强的内建电场，内建电场的方向由 c到 b，与光敏二极管的工作原理相同。可见，光敏三极管的光电转换部分是在集基结区内进行的，而三个电极又构成一个有放大作用的晶体管。原理上可把它看作一个由光敏二极管与普通晶体管结合而成的组合件。
光电三极管的参数特性：
1、光照特性：光敏三极管的集电极电流 Ic=βIφ。由于硅光敏三极管的电流放大倍数在小电流或大电流时都要下降。光敏三极管的光电流在弱光照时有弯曲，强光照射时又趋于饱和，只有在某一段光照范围内线性较好。
光电三极管的参数特性：
2、伏安特性,伏安特性表示为当入射光的照度（或光通量）一定时，
光敏管的输出的光电流与偏压的关系。图分别为硅光敏二极管和硅光敏三极管的伏安特性曲线。从图中可以看出两者的伏安特性稍有不同。
①在相同的照度下，三极管比二极管的电流大得多；②在零偏压时，
硅光敏二极管仍然有光电流输出，
而硅光敏三极管没有。 (对于光敏三极管，偏压为 Vce)
光电三极管的参数特性：
3、频率特性：光敏二极管的频率特性较好。主要决定于光生载流子的渡越时间、负载电阻和结电容的乘积。 光敏三极管的频率响应除与光敏二极管相同外，还受硅光敏三极管基区渡越时间和发射结电容的限制。
3、温度特性,光敏三极管因为有电流放大作用，所以光敏三极管的光电流受温度影响比光敏二极管大得多。
4、暗电流：硅器件的暗电流及其温度系数都比锗器件要小，光敏三极管的暗电流受温度的影响比光敏二极管要大。由于暗电流的增加，使输出信噪比变差，不利于弱光信号的检测。因此在弱信号检测时要考虑温度的影响。采用恒温或补偿措施。
光电达林顿管和场效应管：
把光敏三极管和普通三极管按达林顿联接方法接在一起，封装在一个管壳内制成的，如图将场效应管的栅级与沟道之间的
PN结做成光电结，当有光照时,PN结产生光电流 IP，相当于场效应管的 IG，去控制 ID，从而达到光通量控制场效应管输出电流的目的。如图
(4)、光敏管阵列光敏二极管阵列是将光敏二极管以线列或面阵形式集合在一起，用来同时探测被测物体各部位提供的不同光信息，
并将这些信息转换为电信号的器件。光敏三极管阵列与其类似。
与光敏二极管 (三极管 )阵列类似，还有象限探测器。当被测体位置发生变化时，来自目标的辐射量使象限间产生差异，这种差异会引起象限间信号输出变化，从而确定目标方位，同时可起制导、跟踪、搜索、定位等作用。
分表面效应和体效应，金属和金属氧化物 )和内光电效应 (光电导效应和光生伏特效应，半导体 )。
就光电器件而言，最重要的参数是：灵敏度、驰豫时间和光谱分布。其次是温度特性、噪声特性等。
四、各类光电探测器
1,光电子发射器件与 光电倍增管 ；
2,光电导探测器；
3,光伏探测器 (光敏二极管、光敏三极管 )；
1、光电子发射器件与光电倍增管光电发射效应：物质吸收光子后，基态电子被激发到高能态、脱离原子核束缚，在外电场作用下参与导电，形成光电子流。
器件：光电管、光电倍增管等。
好的光电发射材料要求,a、光吸收系数大； b、光电子在体内能量损失小、逸出深度大； c、表面势垒低、逸出几率大。
光电发射效应基本特性
K K KIS
1,斯托列托夫定律 (光电发射第一定律 )：当入射光的频谱成分不变时 (同一波长的单色光或者相同频谱成分的光 )，光电阴极的饱和光电发射电流与阴极接收的光通量成正比。
2,爱因斯坦定律 (光电发射第二定律 )：发射光电子的最大动能随入射光频率的增大线性增大，而与入射光强无关。
3,光电发射延迟时间,<3× 10-13ses
0m a xkhE
光电发射材料
常用经典光电发射材料：银 -氧 -铯 (Ag-O-Cs)阴极、锑铯 (CsSb)阴极、多碱金属阴极 (增大光谱响应范围 )、紫外光电阴极；
半导体负电子亲和势 (NEA)材料：比一般经典材料具备较高的量子效率、较高的光吸收系数、
较低的暗电流、较平坦的光谱响应等特性。
光电倍增管 (PMT)基本结构
基本结构：光电阴极、电子光学系统、二次发射倍增系统 (第 n次倍增极和第 n+1次发射极 )、
阳极；
入射光窗口光电阴极 倍增系统 阳极聚焦极 管脚光电倍增管工作原理
工作原理：入射光照射到光电阴极上，激发出光电子，经电场加速 (聚焦 )打到第一倍增极 (第
2次发射极 )上，光电子数得到放大 δ倍,依次经过后续的倍增极，最后到达阳极，信号被放大 δn倍 。
h?
K A
D1 D2 Dn
R1 R2 Rn
RL
V0
如果每个电子落到某一倍增极上从该倍增极打出 σ个二次电子，那么很明显地：
式中,I— 阳极电流； i0 — 光阴极发出的光电流； n—
光电倍增极的级数。
光电倍增管的电流放大系数 β可用下式表示,
0 nIi
0
nI i
光电倍增管 (PMT)基本特性参数
1、光电特性,在相当宽的范围内为直线。当光通量很大时，
特性曲线开始明显偏离直线。
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。
光电倍增管 (PMT)基本特性参数
2、光谱特性：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
400nm处。同时还要注意环境温度对光电倍增管光谱相应的影响。
光电倍增管 (PMT)基本特性参数
3、伏安特性：阳极伏安特性定义为：当入射光通量一定时，
阳极电流 Ia与最后一级倍增极和阳极之间电压 U的关系。相应于不同光通量值的阳极伏安特性示于图中，它表示阳极电流
Iα对于最后一级倍增极和阳极间的电压 U的关系。作此曲线时，
其余各电极的电压保持恒定。
光电倍增管 (PMT)基本特性参数
4、放大特性：光电倍增管的电流放大系数 β或灵敏度随电源电压 U增大的关系，称为放大特性。
随着电源电压升高，电子在电场中的速度加快，动能增大，
电子在倍增电极中可打出更多的二次发射电子，因而放大系数或灵敏度增大。工程上有时利用这一性质来自动调节光电倍增管的灵敏度。
光电倍增管 (PMT)基本特性参数
5、暗电流：光电倍增管的暗电流是指在施加规定的电压后，
在无光照情况下测定的阳极电流。在测量微弱光强时，其影响特别大。
光电倍增管 (PMT)基本特性参数暗电流的来源：
光电阴极和光电倍增管的热电子发射 (主要因素 )；
光电倍增管的极间漏电流；
场致发射 (电极受高压影响 )；
离子和光的反馈作用 (真空度导致，残余气体电离 )；
放射性同位素和宇宙射线 (窗口材料含有 K离子 )。
减少暗电流的办法：
采用热电子发射能力弱的光电阴极和倍增极；
采用合适的屏蔽减小自然界中辐射线照射；
致冷；
将入射光调制成一定频率的周期信号，而输出电路中加一选频放大器 (或锁相放大器 )。
光电倍增管 (PMT)基本特性参数
6、噪声：光电倍增管的噪声主要有散粒噪声和热噪声，
尤其是散粒噪声。
7、最小可探测功率 (NEP)：取决于散粒噪声和 PMT的放大特性。
光电倍增管 供电高压供电：为了使光电倍增管能正常工作，通常需要在阴极和阳极之间加上近千伏的高压。同时还需要在阴极、聚焦极、
倍增极和阳极之间分配一定的极间电压，保证光电子能被有效收集，光电流通过倍增极系统得到放大。最常用的分压器是采用一组电阻 (电阻链 )跨接在阴极与阳极间。
供电电压的极性：一般的分压电路中采用阳极接地，负高压供电。这种供电方式的好处是可消除外部信号输出电路与阳极之间的电位差；其缺点是由于靠近管子玻壳的金属支架或磁屏蔽筒接地，它们与阴极和倍增极之间存在较高的电位差，结果使某些光电子打到玻壳上产生噪声。
2、光电导效应与光敏电阻光电导效应：物质吸收光子后，电阻减小。
器件：光敏电阻 利用光电导效应制成。根据半导体材料的分类，将光敏电阻分为两种类型 — 本征型半导体光敏电阻和掺杂型半导体光敏电阻；
材料：半导体或绝缘体 (CdS,PbS),金属无光电导效应。
光敏电阻分类：
A,本征型,只有当入射光子的能量 hν等于或大于半导体材料的禁带宽度 Eg时才能激发电子空穴对，在外加的电场作用下形成光电流。这种本征光电导效应可用来检测可见光和近红外辐射。
B,掺杂型,如 n型半导体，光子的能量只要大于杂质的电离能就能把施主杂质能级上的电子激发到导带而形成导电电子，在外加电场的作用下形成光电流。目前大都使用 n型半导体光敏电阻。为了减少杂质能级上电子的热激发，常需要在低温下工作。这种效应可以检测波长较长的辐射。主要用于超过 5微米的波段。
光敏电阻结构：
光敏电阻是在绝缘材料上装梳状光电导体封闭在金属或塑料外壳内，再在两端连上欧姆接触的电极构成。
为避免外部干扰，入射窗口装有透明保护窗，使起特殊滤光作用 (对所需光透明 )。图为最简单的光敏电阻原理图及符号表示。
光照电极光敏电阻的特点：
优点：
(1) 光谱响应相当宽。
(2) 光强范围宽：既可对强光响应也可对弱光响应。
(3) 无极性之分：使用方便，成本低，寿命长。
(4) 灵敏度高，工作电流大，可达数毫安。
缺点：
强光照射下线性较差，受温度影响大，响应时间长、频率特性差。
光敏电阻的主要特性参数：
1,光照特性,其灵敏度高，光照特性为非线性。 在实用范围内，有如下关系：
I —— 通过光敏电阻的电流；
U —— 加于光敏电阻的电压；
L —— 光敏电阻上的照度；
K —— 材料决定的比例系数；
a —— 电压指数，一般近于 1；
b —— 照度指数，在 0.5-1之间。
abI K U L?
光敏电阻的主要特性参数：
2、光谱 特性,图中曲线 1,2,3分别为硫化镉 (CdS)、硒化镉 (CdSe)、硫化铅 (PbS)光敏电阻的光谱响应。图中可看出，硫化铅在较宽的光谱范围内有较高的灵敏度。光谱特性与光敏电阻的材料、制作工艺有关。
光敏电阻的主要特性参数：
3、伏安 特性,在一定光照下，光电流与所加电压的关系为伏安特性。
图为照度为 0和某值时的伏安特性。
光敏电阻是纯电阻，因此符合欧姆定律，曲线为直线。 电压很大时会偏离线性关系。其最高使用电压由它的耗散功率所决定。因为伏安特性成线性，光敏电阻除用积分灵敏度外，用比灵敏度也很方便。
积分灵敏度 =比灵敏度 × U，即积分灵敏度与电压成正比，这是因为在相同的光通量下，光敏电阻的电流与电压成正比。比灵敏度,Sg=I / U?
光敏电阻的主要特性参数：
4、频率 特性,曲线 1,2分别为硫化镉和硫化铅的频率特性，
可以看出光敏电阻的频率特性较差 (最高数千赫兹 )。有时用时间常数说明频率响应的好坏程度。上升时间常数 (电导率上升到 63%)和下降时间常数 (电导率下降到 37%)。
光敏电阻的主要特性参数：
5、疲乏 特性,图中曲线分别表示型号不同的两种光敏电阻的疲乏特性。初制成的光敏电阻，性能不够稳定。但经过一至两个星期的老化，性能可达到稳定。在密封良好、使用合理的情况下，
光敏电阻的使用寿命几乎是无限长的。
光敏电阻的主要特性参数：
6、温度 特性,光敏电阻的性质受温度的影响较大，随着温度的升高灵敏度要下降。图示硫化镉的光电流与温度的关系。不同的材料其温度特性也不一样。光敏电阻在黑暗时的电流随温度升高而增大，导致在光照时电流增加不多，
灵敏度降低。 温度还影响光谱特性、峰值响应波长等。
光敏电阻的主要特性参数：
7、暗电阻和暗电流,光敏电阻在黑暗时的电阻值一般大于 10兆欧，称为暗电阻。光照使其电阻值显著降低，这时候的电阻称为亮阻。暗阻和亮阻之比在 102-106之间，这一比值越大，灵敏度越高。随着温度增加，暗电阻下降，这对其工作不利。
8,噪声,光敏电阻一般工作在低频区，噪声主要是 1/f噪声。
光敏电阻的应用电路：
图 (a)中的输出电压与入射光通量的变化反相；图 (b)中的输出电压于入射光通量成同相。
在入射光通量变化范围一定的情况下，为了使输出电压 Vo变化范围最大，一般取 RL=RG。
当入射光通量跳跃变化时，取
RG＝ (RG max × RG min )1/2
同时，电源 E也应满足下式
E≤(4Pmax RL)1/2
Pmax:光敏电阻的最大允许功耗。
当入射光通量变化时,I
和 U同时变化，使整个系统线性变坏，噪声增加。
恒流偏置电路：
由于采用了稳压管 DW，故 Vb
不变，使 Ib 不变,Ic 不变，
达到恒流的目的。这时，入射光通量的变化仅引起电压
Vo 的变化。
恒压偏置电路：
由于采用了稳压管 DW，故 Vb
不变，使 Ve 也不变。入射光通量的变化仅引起 Ic的变化。
恒压偏置的最大特点是光敏电阻的灵敏度与光敏电阻的暗阻值无关，因而互换性好，
调换光敏电阻时不影响仪器的精度。
3、光生伏特效应光生伏特效应：将光能转换成电能的效应。
产生电子 -空穴对 (p-n结 )而造成电势差。
器件：光电池、光电 (光敏 )二极管、光电 (光敏 )三极管、光敏阵列 ；
材料：半导体材料。
(1)、光电池光电池是根据光生伏特效应制成的将光能转变为电能的一种器件。它的基本结构就是一个 p-n结。
可做太阳能电池和光电探测器使用。
光电池的结构：
光电池是在 n(p)型硅基底上扩散 p(n)型杂质并作为受光面，构成 p-n结后，再经过各种工艺处理，分别在基底和光敏面上制作输出电极，涂上二氧化硅作保护膜 (一方面起防潮保护作用，另一方面对入射光起抗反射作用 )，即成光电池。
n
p
二氧化硅电极光电池的工作原理：
P,n材料扩散形成 p-n结，建立内电场。受光照时，
产生电子 -空穴对，他们在内电场作用下作定向运动积聚产生电势差。当外电路闭合时，形成光电流。
光电池的工作原理：
光电池的输出受外接负载电阻大小的影响：当 RL≠0时,U≠0,U↑
,pn结的等效电阻 rD↓，则 ID↑；当 U继续增大到 pn结的导通电压时
(RL非常大时 ),U就不会再增大。此时 pn结的 rD变得很小，光照所产生的光电流 Iφ几乎全部流向二极管，即 Iφ≈ID。 这时，在负载 RL
上除有少量的电流维持 pn结的导通电压 U外，光照产生的光电流几乎都消耗在光电池内部。
光电池的工作原理：
e1
if 0,l n 1
if 0,
qV
kT
D
oc
D
sc
I I I
I S L
IkT
IV
qI
V I I S L
光电池的特性参数：
1、光照 特性,图 (a),(b)分别表示出硅光电池和硒光电池的光生电动势以及光电流与照度的关系。 Uoc表示开路电压,Isc是短路电流。
光电池的特性参数：
1、光照 特性,图为硒光电池的光照特性与负载电阻的关系。
从图中可以看出，负载 RL减小，
光电流与照度的线性越好，而且线性范围也越广。因此光电池作为测量元件时，所用负载的大小应根据照度而定。当照度较大时，为保证测量有线性关系，负载电阻应很小。
光电池的特性参数：
2、光谱 特性,光谱特性与光电池的材料有关，还与制造工艺及温度有关。曲线 1,2分别为硒和硅光电池的光谱特性。可看出硒光电池在可见光谱内有较高的灵敏度，峰值波长在 540nm。硅光电池的光谱范围为 400-1100nm，峰值波长在 850nm左右。
光电池的特性参数：
3、伏安 特性,负载短接或很小时，负载线与伏安特性的交点为等距离，电流正比于照度，数值也较大。负载电阻较大时，负载线与伏安特性的交点相互间距不等，即电流不与照度成正比，光照特性不是直线，电流也减小。
光电池的特性参数：
4、频率 特性,图中曲线 1,2分别表示硒光电池与硅光电池的频率特性。
(1)光电池的 PN结或阻挡层的面积大，
极间电容大，因此频率特性较差。 (2)
负载电阻越大，电容的旁路作用越显著，频率特性高频部分的下降越厉害。
(3)在低照度时光电池的内阻增大导致频率特性变差。 (4)响应速度与结电容和负载电阻的乘积有关。如果要改善频率特性，需减小负载电阻或减小光电池的面积，使它的结电容减小。
光电池的特性参数：
5、温度 特性,如图,硅光电池的开路电压随温度升高降低。短路电流随着温度升高，开始增大，当温度超过
70度左右时，温度升高，电流下降。
硒光电池超过 50℃,硅光电池超过 200℃ 时，它们因晶格受到破坏而导致器件的破坏。因此光电池作为探测器件时，为保证测量精度应考虑温度变化的影响。
光电池的电路：
1,光电池用作太阳能电池光电池的电路：
2,光电池用作检测器件,此电路可实现光电池的线性输出。对光电池而言,RL近似等于 0。
Vo=-2RfIφ=-2RfSφ
光电池的转换效率：
由光照产生的电子和空穴在内电场的作用下才形成光生电动势和光电流,由于内电场是由掺杂的 P区和 n区自由扩散形成的，故内建电场的强度是非常有限的，这就导致了光电池的光电转换效率非常低，最高也只能是百分之十几。
(2)、光电二极管
PD在结构和工作原理上与光电池相似，都是属于 p-n结型光生伏特效应。不同之处：
就制作衬底材料的掺杂浓度而言，光电池较高；光电池在零偏置下工作，而 PD通常在反偏置下工作；光电池的光敏面面积都比 PD的大得多，因此 PD的光电流小得多，
在微安级。
光电二极管的反向偏置：
光敏二极管工作时一般加反相偏压，反偏使外电场的方向与 PN内建电场的方向相同，加强了内建电场，使 p-
n结空间电荷区拉宽。在 无光照时，只有少数载流子在反向偏压的作用下渡越阻挡层，形成微小的反向电流，即暗电流。当光敏二极管受光照时,PN结附近受光子轰击吸收其能量而产生电子空穴对，从而使 P区和 N区的少数载流子浓度大大增加。
光电二极管的电路：
图 (a)和图 (b)的差别是输出电压 U是反相的。
a
b
U I R
U E I R
IS
光电二极管的分类：
点接触光敏二极管；
扩散型 PN结光敏二极管；
耗尽层型光敏二极管；
扩散型 P-i-N硅光敏二极管；
雪崩光敏二极管；
PIN管 (快速光敏二极管 )
1、频带宽；
2、线性输出范围宽；
3、输出电流小：零点几微安至数微安。
ADP管
1,在加很高的反向偏压后,P-N结内形成了很强的电场区。
光照后初始载流子在强电场下获得很大的动能，因此在其高速运动过程中要与晶体中的晶格发生碰撞作用，于是产生新的电子 -空穴对。经过多次碰撞电离后，便使载流子迅速增加，
从而反向电流也迅速增大形成雪崩倍增效应。
2,APD是利用雪崩倍增效应使光生电流达到很高的数值，电流增益可达 106。
因此，雪崩光电二极管是灵敏度很高的光电信息转换器件。
影响 ADP管工作的因素：
(a)雪崩过程伴有一定的噪声，并受温度的影响较大；
(b)由于材料本身 (特别是表面部分 )具有一定的缺陷，使
PN结的各区域电场分布不均匀，局部的高电场区首先发生击穿，使漏电流变大，这相当于增强了噪声。为避免这一情况发生，在选择材料和工艺上应加以注意。
雪崩光敏二极管的工作偏压必须适当。过小时，增益太小；过大时，噪声大，而且电压过高可能使管子被击穿烧毁。由于击穿电压会随温度漂移，必须根据环境温度变化相应调整工作电压。
(3)、光电三极管光敏三极管是在光敏二极管的基础上发展起来的,它和普通晶体三极管相似,具有电流放大的作用，只是它的集电极电流是受光照的控制。所以光敏三极管的外形有光窗、集电极和发射极的引出线等组成。
光电三极管的结构：
图为光敏三极管的结构。图中以 n型硅片作为衬底，
扩散硼而形成 p型，再扩散磷而形成重掺杂 n+层，并涂以
SiO2作为保护层，在重掺杂的 n+侧开窗，引出一个电极并称作“集电极 c”，由中间的 P型层引出一个基极 b，而在 n
型硅片的衬底上引出一个发射极 e，这就构成了一个光敏三极管。
光
n p n
RLIe
Vc
光电三极管的工作原理：
各电极所加的电压与普通晶体管相同。由于集电极反偏，
在结区内有很强的内建电场，内建电场的方向由 c到 b，与光敏二极管的工作原理相同。可见，光敏三极管的光电转换部分是在集基结区内进行的，而三个电极又构成一个有放大作用的晶体管。原理上可把它看作一个由光敏二极管与普通晶体管结合而成的组合件。
光电三极管的参数特性：
1、光照特性：光敏三极管的集电极电流 Ic=βIφ。由于硅光敏三极管的电流放大倍数在小电流或大电流时都要下降。光敏三极管的光电流在弱光照时有弯曲，强光照射时又趋于饱和，只有在某一段光照范围内线性较好。
光电三极管的参数特性：
2、伏安特性,伏安特性表示为当入射光的照度（或光通量）一定时，
光敏管的输出的光电流与偏压的关系。图分别为硅光敏二极管和硅光敏三极管的伏安特性曲线。从图中可以看出两者的伏安特性稍有不同。
①在相同的照度下，三极管比二极管的电流大得多；②在零偏压时，
硅光敏二极管仍然有光电流输出，
而硅光敏三极管没有。 (对于光敏三极管，偏压为 Vce)
光电三极管的参数特性：
3、频率特性：光敏二极管的频率特性较好。主要决定于光生载流子的渡越时间、负载电阻和结电容的乘积。 光敏三极管的频率响应除与光敏二极管相同外，还受硅光敏三极管基区渡越时间和发射结电容的限制。
3、温度特性,光敏三极管因为有电流放大作用，所以光敏三极管的光电流受温度影响比光敏二极管大得多。
4、暗电流：硅器件的暗电流及其温度系数都比锗器件要小，光敏三极管的暗电流受温度的影响比光敏二极管要大。由于暗电流的增加，使输出信噪比变差，不利于弱光信号的检测。因此在弱信号检测时要考虑温度的影响。采用恒温或补偿措施。
光电达林顿管和场效应管：
把光敏三极管和普通三极管按达林顿联接方法接在一起，封装在一个管壳内制成的，如图将场效应管的栅级与沟道之间的
PN结做成光电结，当有光照时,PN结产生光电流 IP，相当于场效应管的 IG，去控制 ID，从而达到光通量控制场效应管输出电流的目的。如图
(4)、光敏管阵列光敏二极管阵列是将光敏二极管以线列或面阵形式集合在一起，用来同时探测被测物体各部位提供的不同光信息，
并将这些信息转换为电信号的器件。光敏三极管阵列与其类似。
与光敏二极管 (三极管 )阵列类似，还有象限探测器。当被测体位置发生变化时，来自目标的辐射量使象限间产生差异，这种差异会引起象限间信号输出变化，从而确定目标方位，同时可起制导、跟踪、搜索、定位等作用。
