第三讲 光电器件性能
参数和真空光电管
李 孝 禄
光电器件的分类
? 一, 按工作波段分 紫外光探测器
可见光探测器
红外光探测器
? 二, 按应用分
换能器 将光信息 （ 光能 ） 转换成电信息 （ 电能 ）
非成像型 光信息转换成电信息
探测器 变像管
成像型 像增强器
摄像管 真空摄像管
固体成像器件 CCD
探测器件
热光电探测元件 光电探测元件 气体光电探测元件
外光电效应 内光电效应
非放大型 放 大 型 光电导探测
器
光磁电效应探测器 光生伏特探测
器
本征型 掺杂型 非放大 放大型
真空光电管
充气光电管
光电倍增管
变像管
摄像管
像增强器
光敏电阻 红外探测器 光电池
光电二极管
光电三极管
光电场效应管
雪崩型光电二极管
? 光电系统的光电器件包括光电探测器件和
光电成像器件, 其相应的性能参数也有两
类：
? 1,光电探测器件主要应说明其响应特性
和噪声特性 。
? 2,光电成像器件, 除了上述参数外, 为
了说明其成像特性, 还引入了反映亮度空
间分布失真程度的量, 比如分辨率, 空间
频率特性以及空间抽样特性等 。
? 光电探测器和其它器件一样，有一套根据实
际需要而制定的特性参数。
? 它是在不断总结各种光电探测器的共同基础
上而给以科学定义的，所以这一套性能参数
科学地反映了各种探测器的共同因素。
? 依据这套参数，人们就可以评价探测器性能
的优劣，比较不同探测器之间的差异，从而
达到根据需要合理选择和正确使用光电探测
器的目的。
? 显然，了解各种性能参数的物理意义是十分
重要的。
一、积分灵敏度 R
? 灵敏度也常称作 响应度,它是光电探测器
光电转换特性，光电转换的光谱特性以及
频率特性的量度。
? 光电流 i(或光电压 u)和入射光功率 P之间的关
系 i＝ f (p)，称为探测器的 光电特性 。
? 灵敏度 R定义为这个曲线的斜率，即
? (线性区内 ) (安 /瓦 )
? 或
? (线性区内 ) (安 /瓦 )
dp
diR
i ? p
i?
dp
duR
u ? p
u?
? R i和 R u分别称为电流和电压灵敏度,i和 u称
为电表测量的电流、电压有效值。
? 式中的光功率 P是指分布在某一光谱范围内
的总功率，因此，这里的 R i和 R u又分别称
为 积分电流灵敏度 和 积分电压灵敏度 。
?二、光谱灵敏度 R λ
? 如果我们把光功率 P换成波长可变的光功率
谱密度 P λ，由于光电探测器的光谱选择性，
在其它条件下不变的情况下，光电流将是
光波长的函数，记为 iλ(或 uλ)，于是光谱灵敏
度 Rλ定义为
? ?1
?
?
? dp
di
R ?
? 如果 R λ是常数，则相应的探测器称为 无选择
性探测器 (如光热探测器 )，光子探测器则是选
择性探测器。
? 上式的定义在测量上是困难的，通常给出的
是 相对光谱灵敏度 S λ定义为
? 式中 R λm是指 R λ的最大值，相应的波长称为
峰值波长,S λ是无量纲的百分数,Sλ随 λ变化
的曲线称为探测器的 光谱灵敏度曲线。
? R和 Rλ以及 Sλ的关系说明如下 。
)2(/ mRRS ??? ?
? 引入相对光谱功率密度函数，它的定义为
? 把 (2)和 (3)式代入 (1)式，只要注意到
? 和
? 就有
? 积分上式，有
)3(
'
'
'
mP
Pf
?
?
? ?
''' ??? dPdP ?
?? didi ?
?????? ddfPRSdi mm ?? '''
???????? ?? ???
0 ''0
]'[ ddfPRSdii mm
?
?
? ?
?
?
?
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?
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0
'
0
'
0
''
'
'
'
?
?
??
?
?
????
df
df
dfSPdR mm
? 式中
? 并注意到
? 由此便得
? 式中
? 称为 光谱利用率系数,它表示入射光功率能
被响应的百分比。
? 光谱匹配系数 K的说明 如图
?? ?? ? 0 '
'
0 '
'1' ?? ?
?
? dPPdf
m
mPP '/ ??
?? dRR mim ??
KRKdR
P
iR
imm ??? ??
?
?
?
?
?
0 '
0 '
'
'
?
?
?
??
df
dfs
K
0.1 ?S '?f''0
??? dfS??
??0 ' '?? df
三、频率灵敏度 Rf(响应频率 fc和响应时间 t)
? 如果入射光是强度调制的，在其它条件不变下，
光电流 if将随调制频率 f的升高而下降，这时的
灵敏度称为 频率灵敏度 Rf，
? 定义为
? 式中 if是光电流时变函数的付里叶变换，通常
? 式中 τ称为探测器的响应时间或时间常数，由
材料、结构和外电路决定。
P
iR f
f ?
2)2(1
)0(
?? f
fii
f ?
??
? 频率灵敏度
? 这就是探测器的 频率特性, R f随 f 升高而下
降的速度与 τ值大小关系很大。
? 一般规定,R f下降到 时的频率
fc为探测器的 截止响应频率 和 响应频率 。
? 从上式可见：
? 当 f<fc时，认为光电流能线性再现光功率 P的
变化。
? 如果是脉冲形式的入射光，则更常用响应
时间来描述。
2
0
)2(1 ?? f
R
R f
?
?
00 7 0 7.02/ RR ?
??2
1?
cf
? 探测器对突然光照的输出电流，要经过一定
时间才能上升到与这一幅射功率相应的稳定
值 i。
? 当辐射突然降去后，输出电流也需要经过一
定时间才能下降到零。
? 一般而论，上升和下降时间相等，时间常数
近似地由
? 决定。
? 综上所述，光电流是两端电压 u，光功率 P，
光波长 λ、光强调制频率 f的函数，即
??2
1?
cf
),,,( fPuFi ??
? 以 u,p,λ为参变量,i＝ F (f)的关系称为 光电
频率特性,相应的曲线称为 频率特性曲线 。
? 同样,i=F (p)及曲线称为 光电特性曲线 。
? i＝ F (λ)及其曲线称为 光谱特性曲线 。
? 而 i＝ F (u)及其曲线称为 伏安特性曲线 。
? 当这些曲线给出时，灵敏度 R的值就可以从曲
线中求出，而且还可以利用这些曲线，尤其是
伏安特性曲线来设计探测器的使用电路。
? 这一点，在实际应用中往住是十分重要的。
四、量子效率 η
? 如果说灵敏度 R是从宏观角度描述了光电探
测器的光电、光谱以及频率特性，那么量
子效率 η则是对同一个问题的微观 — 宏观描
述。量子效率的意义在光电转换定律得内
容中我们已经讨论过了
? 这里给出量子效率和灵敏度关系
? 又有光谱量子效率,
? 式中 C是材料中的光速。可见，量子效率正
比于灵敏度而反比于波长。
iRe
h?? ?
?? ?? iRe
hC?
五、能量阈 Pth和噪声等效功率 NEP
? 从灵敏度 R的定义式
? 可见，如果 P＝ 0，应有 i=0
? 实际情况是，当 P＝ 0时，光电探测器的输出
电流并不为零。
? 这个电流称为 暗电流或噪声电流,记为
? 它是瞬时噪声电流的有效值。
? 显然，这时灵敏度 R巳失去意义，我们必须
定义一个新参量来描述光电探测器的这种特
性。
? in产生的原因将在下一节中专门讨论。
dp
diR
i ? p
i?
2/12 )(
nn ii ?
? 考虑到这个因素之后，一个光电探测器完成光电
转换过程的模型如图所示。
? 图中的光功率 Ps和 Pb分别为信号和背景光功率。
? 可见，即使 Ps和 Pb都为零，也会有噪声输出。
? 噪声的存在，限制了探测微弱信号的能力。
? 通常认为，如果信号光功率产生的信号光电流 is
等于噪声电流 in，那么就认为刚刚能探测到光信
号存在。
光电
效应
s
i
n
i
s
P
b
P
内部
噪声
信号加
噪声
电流
增益
放大器过程
输出
? 依照这一判据，定义探测器的通量阈 Pth为
? 例如，若 Ri=10μA/μW,in=0.01μA，则通量
阈 Pth＝ 0.001μW。也就是说，小于 0.001微瓦
的信号光功率不能被探测器所得知，所以，
通量阈是探测器所能探测的最小光信号功率 。
? 同一个问题，还有另一种更通用的表述方法，
这就是 噪声等效功率 NEP。它定义为单位
信噪比时的信号光功率。信噪比 SNR定义为
? (电流信噪比 )
)(瓦
i
n
th R
iP ?
n
s
i
i?S N R
n
s
u
u?S N R (电压信噪比 )
? 于是有,
? 显然,NEP越小，表明探测器探测微弱信
号的能力越强。所以 NEP是描述光电探测
器探测能力的参数。
?六、归一化探测度 D*(读作 D星 )
? NEP越小，探测器探测能力越高，不符合
人们, 越大越好, 的习惯，于是取 NEP的倒
数并定义为 探测度 D，即
? 这样,D值大的探测器就表明其探测力高。
1)S N R(
N E P
?
???????
i
s
i
s
s
n
i
s
s
s
i
n
th PS N R
P
i
i
R
i
i
i
R
iP
)(N E P1 1?? 瓦D
? 实际使用中，经常需要在同类型的不同探
测器之间进行比较，发现, D值大的探测器
其探测能力一定好, 的结论并不充分。
? 究其原因，主要是探测器光敏面积 A和测量
带宽 Δ f对 D值影响甚大。
? 从下一节讨论中我们将会知道，探测器的
噪声功率 N ∝ Δf，所以,
? 于是由 D的定义知 。
? 另一方面，探测器的噪声功率 N∝ A
? 所以,
? 又有 。
)( fi n ??
2
1)( ??? fD
2
1
)( Ain ?
2
1
)( ?? AD
? 把两种因素一并考虑，
? 为了消除这一影响，定义
? 并称为归一化探测度。
? 这时就可以说,D*大的探测器其探测能力
一定好。
? 考虑到光谱的响应特性，一般给出 D*值时
注明响应波长 λ、光辐射调制频率 f及测量带
宽 Δf，即 D*(λ,f,Δf )。
2
1
)( ??? fAD
fADD ??* )W/Hzcm( 2
1
?
七、其它参数
? 光电探测器还有其它一些特性参数，在使
用时必须注意到，例如 光敏面积,探测器
电阻, 电容 等。
? 特别是 极限工作条件,正常使用时都不允
许超过这些指标，否则会影响探测器的正
常工作，甚至使探测器损坏。
? 通常规定了 工作电压, 电流, 温度 以及 光
照功率允许范围,使用时要特别加以注意。
噪声概念
? 信号在传输和处理过程中总会受到一些无用信
号的干扰，人们常称这些干扰信号为噪声。
? 光电探测器在进行光电转换过程中，同样要引
入噪声，称为 光电探测器的噪声 。
? 如果用 us(t)表示信号，经过传输或变换后变成
u(t)，那么
? 式中 un(t)就是噪声。
? 显然，噪声 un(t)表示了 u(t)偏离 us(t)的程度。
? 根据噪声产生的原因，大体上可以把噪声分为
人为噪声, 自然干扰 和物理系统 内部的起伏干
扰 三类。
)()()( tututu ns ??
? 前两种又称为 有形噪声,一般可以预知，
因而总可以设法减少和消除。最后一种噪
声来自物理系统内部，表现为一种无规则
起伏，称为 无规噪声 。
? 例如，电阻中自由电子的热运动，真空臂
中电子的随机发射，半导体中载流子随机
的产生和复合等，这些随机因素把一种无
规则起伏施加给有用信号。
? 起伏噪声对有用信号的影响，如图所示。
? 假定入射光是正弦强度调制的，放大器是
一个可以任意改变放大量的理想放大器。
?当入射光强度较大时，在示波器上可以看到正弦变化的
信号电压波形 。
?降低入射光功率时，增大放大率，
发现正弦电压信号上出现许多无规
起伏，使正弦信号变得模糊不清 (图 (b))。
?再降低入射光功率时，正弦波幅度
越来越小，而杂乱无章的变化愈来愈大。
最后只剩下了无规则的起伏，
完全看不出什么正弦变化，这叫做噪声完全埋没了信号。
当然这时探测器也失去了探测弱光信号的能力。
探
测
器
放
大
器
示波器
(a)
(b)
(c)
光
? 从上面讨论中，我们应该建立这样的观念：
? 上述现象并不是探测器不好所致。
? 它是探测器所固有的不可避免的现象。
? 任何一个探测器，都一定有噪声。也就是说，
在它输出端总存在着一些毫无规律，事先无
法预知的电压起伏。
? 这种无规起伏，在统计学中称为随机起伏，
它是微观世界服从统计规律的反映。
? 从这个意义上说，实现微弱光信号的探测，
就是从噪声中如何提取信号的问题，这是当
今信息探测理论研究的中心课题之一。
噪声的描述
? 噪声电压随时间无规则起伏情况重画如下。
? 显然，无法用预先确知的时间函数来描述它。
? 然而，噪声本身是统计独立的，所以能用统计
的方法来描述。
? 长时间看，噪声电压从零向上涨和向下落的机
会是相等的，其时间平均值一定为零。所以用
时间平均值无法描述噪声大小。
)(tun
)0(g
)(?g
?
t
0
0
(a) (b)
? 但是，如果我们先取噪声电压的平方，然后求这
些平方值对时间的平均值，再开方，就得到所谓
均方根噪声电压 un，即
? 这正是我们用电压表所测量到的那种有效电压。
? 我们看到，虽然噪声电压的起伏是毫无规则，无
法预知的，但其均方根电压却具有确定值。
? 这就是噪声电压 (噪声电流也一样 )服从统计规律
的反映。
? 由于产生探测器起伏噪声的因素往往很多，且这
些因素又彼此独立，所以总的噪声功率等于各种
独立的噪声功率之和，即
2
1
2 ))(( tuu
nn ?
? 为此，我们就把探测器输出的均方根噪声
电压 (电流 )称为探测器的噪声电压 (电流 )。
? 显然，探测噪声的存在，就使得探测器对
光信号的探测本领受到一个限制。
? 所以定量估计探测器的噪声大小就显得很
重要了。
? 由于许多时域问题往往在频域中讨论可能
更为方便，方法是付里叶变换。
? 若噪声电压为 un(t)，则其付里叶变换对为
???? 2 22 12 nnn uuu
????? 2 22 12 nnnn uuuu
? 上式成立的条件是 un(t)绝对可积，即
? 显然，无限延续的噪声电压并不能满足上式。
? 因此，无限延续的噪声电压的幅度付里叶谱不
存在。
? 为了克服这个困难，但还要使用付里叶变换的
方法，办法是引入噪声电压的自相关和功率谱。
? ???? ?? dtetuu tjnn ?? )()(
? ????? ??? ? deutu tjnn )(2 1)(
??dttu n )(
? 自相关定义为：
? 意思是对噪声电压进行卷积运算并求时间
平均值。
? 自相关的图形如前图 (b)所示。显然它满足
绝对可积条件，因而它的变换谱存在，即
? 在自相关定义中，令 t＝ 0，则
)1()()(
2
1lim)( ??? dutu
T
tg
T
T nnT ????
??
)2()()( ?? ? detgg tj? ???? ??
)3()(
2
1)( ??
?
? degtg tj? ??
??
?
)4()(2 1lim)0( 22 nT
T nT
uduTg ?? ?
???
??
? 式中 表示噪声电压平方的平均值，
? 它的物理意义：噪声电压消耗在 1Ω电阻上
的平均功率。
? 同样，在 (3)式中令 t＝ 0，则有：
? 式中使用了 的关系。
? 为了表述得更清楚一些，还可以从 (4)式出
发，并令
? 再应用付里叶变换对，可以证明：
2
nu
)4()(2 1lim)0( 22 nT
T nT
uduTg ?? ?
???
??
??? dgug n ? ?????? )(21)0( 2 )5()( dffg?
??
??
?
f?? 2?
)()()( *2 ??? nnn uuu ??
? 比较 (5)和 (6)式，就有
? 或
? 它们是单位频带噪声电压消耗在 1Ω电阻上的平
均功率，称为 噪声电压的功率谱 。
? 实际上，探测器的测量带宽是有限的，用 Δ f表
示，那么当 g( f )＝常数 (这种噪声又称为白噪声 )
时,
? 于是，求噪声 或 Vn的问题就转化为求解噪声
功率谱 g(f)的问题了,
??? duTug n
Tn
22 )(
2
1lim
2
1)0( ? ??
?? ??
??
? ????? ??? du n 2)(21 )6()( 2? ??
??? dffu n
2)()( ??
nug ?
2)()( fufg
n?
ffgug n ??? )(2)0( 2
2
nu
光电探测器的噪声源
? 依据噪声产生的物理原因，光电探测器的噪声
可大致分为 散粒噪声, 产生 — 复合噪声, 热噪
声 和 低频噪声 。
? 上述噪声是光电转换物理过程中固有的，是一
种不可能人为消除的输出信号的起伏，是与器
件密切相关的一个参量。
? 因为在光电转换过程中，半导体中的电子从价
带跃迁到导带，或者电子逸出材料表面等过程，
都是一系列独立事件，是一种随机的过程。每
一瞬间出现多少载流子是不确定的，所以随机
的起伏将不可避免地与信号同时出现。尤其在
信号较弱 时，光电探测器的噪声会显著地影响
信号探测的准确性。
? 按噪声产生的原因，可分为以下几类
噪声
外部原因
内部原因
人为噪声
自然噪声
散粒噪声
产生－复合噪声
光子噪声
热噪声
低频噪声
温度噪声
放大器噪声
? 1.散粒噪声：
? 无光照下，由于热激发作用，而随机地产生电子
所造成的起伏（以光电子发射为例）。
? 由于起伏单元是电子电荷量 e，故称为 散粒噪声，
这种噪声存在于所有光电探测器中。
? 热激发散粒均方噪声电流为
? 其有效值为
? 相应的噪声电压为
? 如果探测器具有内增益 M，则上式还应乘以 M。
? 光电探测器是依靠内场把电子 — 空穴对分开，空
穴对电流贡献不大，主要是电子贡献。上两式也
适用于光伏探测器
feii dn ?? 22
feiI dn ?? 2
22 fReiV
dn ??
? 2.产生－复合噪声
? 对光电导探测器，载流子热激发是电子 — 空
穴对。电子和空穴在运动中，与光伏器件重
要的不同点在于存在严重的复合过程，而复
合过程本身也是随机的。
? 因此，不仅有载流子产生的起伏，而且还有
载流子复合的起伏，这样就使起伏加倍，虽
然本质也是散粒噪声，但为强调产生和复合
两个因素，取名为产生 — 复合散粒噪声，简
称为产生 — 复合噪声，记为 Ig-r和 Vg-r即
? 式中 M是光电导的内增益。
24 fMeiI
drg ??? fMReiV drg ???
224
? 3.光子噪声
? 以上是热激发作用产生的散粒噪声。假定忽略
热激发作用，即认为热激发直流电流 Id为零。
? 由于光子本身也服从统计规律。我们平常说的
恒定光功率，实际上是光子数的统计平均值，
而每一瞬时到达探测器的光子数是随机的。
? 因此，光激发的载流子一定也是随机的，也要
产生起伏噪声，即散粒噪声。因为这里强调光
子起伏，故称为 光子噪声 。
? 它是探测器的极限噪声，不管是信号光还是背
景光，都要伴随着光子噪声，而且光功率愈大，
光子噪声也愈大。于是我们只要把 id用 ib和 is代替，
即可得到光子噪声的表达式。
? 即光子散粒噪声电流
? 这适用于光电发射和光伏情况，如果有内
增益，则再乘以 M。
? 而光电子产生 — 复合噪声
? 这里 ib和 is又可用光功率 Pb和 Ps表示出来
? 考虑到 id,ib和 is的共同作用，光电探测器的
总散粒噪声可统一表示为
feiI bnb ?? 2 feiI sns ?? 2
fMeiI brbg ??? 24 fMeiI srsg ??? 24
bb Ph
eni
?? ss
Pheni ??
2
1
2 ))(( BMiiiseI
sbdn ???
? 总散粒噪声可统一表示为
? 式中
? S =2 (光电发射和光伏 )
? 或 S=4 (光电导 )
? M内增益系数 (无内增益 =1)
? B (测量带宽 )
? 4.热噪声
? 光电探测器本质上可用一个电流源来等价，
这就意味着探测器有一个等效电阻 R。
2
1
2 ))(( BMiiiseI
sbdn ???
4.热噪声
? 电阻材料，即使在恒定的温度下，其内部的自
由载流子数目及运动状态也是随机的，由此而
构成无偏压下的起伏电动势。
? 这种由载流子的热运动引起的起伏就是电阻材
料的 热噪声,或称为 约翰逊（ Johnson）噪声 。
? 热噪声是由导体或半导体中载流子随机热激发
的波动而引起的。其大小与电阻的阻值、温度
及工作带宽有关。
? 可以证明，单个电子的噪声贡献为
2
2
0
2
2
1
2)(
md
KTei ?? ?
? K是波尔兹曼常数,T为绝对温度,m是电子
质量,τ0为电子的平均碰撞时间 。
? 浓度为 n，体积 V＝ Ad的电阻样品中共有 nV
个电子，它们产生电流脉冲的个数等于电
子平均碰撞的个数，
? 由固体物理得知, 电阻样品的电阻值 为
? 于是噪声功率谱为
0?
nVN ?
2
2
0
2
2
1
2)(
md
KTei ?? ?
2
1
2 )()()( ??? iNig
n ??
Ane
md
A
dR
0
2?? ??
RKT /2?
? 由
? 电阻 R的热噪声电流为
? 相应的热噪声电压为
? 有效噪声电压和电流分别为
? 一个电阻 R在其噪声等效电路中，可
以等效为电阻 R与一个电压源 Un的串
联，也可以等效为电阻 R与一个电流
源 In相并联，如图所示。
ffgig n ??? )(2)0( 2
R
fKTi
n
?? 42
fK T RiRu nn ??? 4222
fK T RuV nn ??? 42 RfK T RiI nn /42 ???
Vn
R
In
R
A
d
x
5,1/f 噪声
? 1/f 噪声又称为 闪烁或低频噪声 。
? 这种噪声是由于光敏层的微粒不均匀或不必
要的微量杂质的存在，当电流流过时在微粒
间发生微火花放电而引起的微电爆脉冲。
? 几乎在所有探测器中都存在这种噪声。它主
要出现在大约 1KHz以下的低频频域，而且
与光辐射的调制频率 f成反比，故称为低频噪
声或 1/f 噪声。
? 实验发现，探测器表面的工艺状态 (缺陷或不
均匀等 )对这种噪声的影响很大，所以有时也
称为 表面噪声或过剩噪声 。
? 1/f 噪声的经验规律为,
? 式中,Kf为与元件制作工艺、材料尺寸、表面
状态等有关的比例系数；
? α为系数，它与流过元件的电流有关，其值通常
取 2；
? β 为与元件材料性质有关的系数，其值在 0.8~
１,３之间，大部分材料的 β 值取１；
? γ与元件阻值有关，一般在１,４～１,７之间。
? 一般说，只要限制低频端的调制频率不低于 1千
赫兹，这种噪声就可以防止。
?
?
f
fIKi f
n
????2
?
??
f
fRIKu f
n
?????2
６, 温度噪声
? 它是由于材料的温度起伏而产生的噪声。在
热探测器件中必须考虑温度噪声的影响。
? 当材料的温度发生变化时，由于有温差 Δ T
的存在，因而引起材料有热流量的变化 Δ φ，
这种热流量的变化导致产生物体的 温度噪声。
? 温度为 T的物体的热流量噪声均方值为
? 式中,A为传热面积； h为传热系数，其单
位为 [W/(m2K)]； k为玻耳兹曼常数； T为材
料温度； Δ f为通带宽度。
fA h k T ??? 242f
? 温度噪声与热噪声在产生原因、表示形式
上有一定的差别，主要区别在于：
? 对于热噪声，材料的温度 T一定，引起粒子
随机性波动，从而产生了随机性电流 ；
? 对于温度噪声，材料温度有变化 Δ T，从而
导致热流量的变化 Δ φ，此变化就表示了温
度噪声的大小。
ni
光电管
? 光电管是依据光电发射效应而工作的一种光电
探测器。其结构原理和偏置电路如图所示，主
要由光阴极 K、阳极 A和管壳组成。
? 如果管壳内是真空状态，就称为 真空光电管 。
? 如果管壳内充有增益气体，就称为 充气光电管 。
? 按照接收光辐射的形式又有 反射型 和 透射型 光
电管之分。
光 阳极 A
阴极 K
光
透射型反射型
V
RL
u
A
KGD
? 光电管的核心部件是光阴极 K，它的光电发
射性能的好坏，在很大程度上决定了光电
管工作性能的优劣。
? 阳极 A起着收集电子的作用，其形状和位置
都经过精心设计。
? 国产光电管的代号用字符 GD表示。
? 鉴于光电管光阴极的重要性以及光电管阴
极和光电倍增管光阴极材料的通用性，我
们首先集中介绍一下关于光阴极材料的基
本概念和光谱响应特性，然后再讨论光电
管的工作特性。
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。
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
? 特点：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。
光阴极材料及其光谱响应
? 光阴极光谱响应的截止波长 λc由下式决定，
即
? 式中 是光阴极材料的功函数。
? 该式仅仅说明了理想情况下光阴极材料能否
产生光电发射的条件，至于发射效应本身是
否有效，该式无法说明。
? 实际上，光电子从光阴极内部逸出表面经过
三个过程：
? 1,光阴极内部电子吸收光子能量，被激发
到真空能级以上的高能量状态；
)eV(
24.1)μm(
?
?
EC
?
?E
? 2,这些高能量的光电子在向表面运动过程中，受
到其它电子碰撞，散射而失去一部分能量；
? 3,光电子到达表面时还要克服表面势垒才能最后
逸出。
? 因此，一个良好的光阴极应该满足三个条件：
? 1.光阴极表面对光辐射的反射小而吸收大；
? 2.光电子在向表面运动中受到的能量散射损耗小
? 3.光阴极表面势垒低，电子逸出概率大。
? 许多金属和半导体材料虽然都能产生光电效应，
但依据上述原则，金属和半导体材料相比光电发
射效率要低得多。
? 因而 光阴极通常都采用半导体材料。
? 半导体材料光阴极又分为 正电子亲和势 (亦
称经典光阴极 )和 负电子亲和势 (NEA阴极 )
两种类型。
? NEA光阴极是当前性能最好的光阴极。
? 为了有一个明确的物理概念，结合图示来
说明两种光阴极类型之间的主要差别。
e
e
e
EF
E0
EF
EV
EC
EA
?E ?E
E0
EC E
F
EV
EAe
E?
EA
?E
E0
E
E C
EVEF
EA
?E
E0
e
(a) 金属 (b) 理想半导体 (c) 正电子亲和势 (d)负 电子亲和势
? 对于金属情况，见图 (a)，金属内的, 冷, 电子 (即
光电子 )发射来源于费米能级 EF附近。光电发射阈
值定义为电子真空能级 E0与 EF之差，即
? 这里的 Eφ应理解为，光电子到达金属表面而逸出
时至少必须具有的能量。
? 所以，考虑到散射能量的损失，金属体内光电子
的能量必须大于 Eφ才可能逸出。
? 金属中铯 (Cs)的 Eφ值最小，约为 2.1(eV)，其截止波
长最长，大约为 600(nm)。大多数金属的 Eφ值都在
3(eV)以上。
? 由于金属对光辐射的反射强而吸收弱，加之金属
中自由电子浓度大，光电子受到的能量散射损失
自然大，因而光电发射效率很低。
FEEE ?? 0?
? 对半导体材料，见图 (b)，体内, 冷, 电子发射
来源于价带 EV附近，因此表面处的 Eφ为
? 式中 Eg为禁带宽度，
? EA为 E0和导带 EC之差，
? 称为 电子亲和势 。
? 由半导体物理可知，
? 实际的半导体能级，在半导体表面附近要发生
弯曲，见图 (c)，这时 EA定义为 E0与表面处导带
底 EC之差。
? 考虑到导带在表面处的弯曲量用 ΔE表示，于是
体内光电子的有效电子亲合势变为
gA EEE ???
Ev
EF
Ec
EA
e
Eφ
E0
(b) 理想半导体
? 我们通常所说的电子亲合势就是指的 EAe，
? 这样，半导体材料的光电发射阈值变为：
? 由于 ΔE的量值可以人为控制，
? EAe值可以人为地加以改变。
? 如果 EAe>0，就称为
? 正电子亲和势光阴极,
? 亦称 经典光阴极,目前广泛用的光阴极就
属此类。
EEE AAe ???
(c)正电子亲和势
EAe
EC
EF
Ev
E0
Eφ
Δ E
EA
Aeg EEE ???
? 如果使 EAe<0，见图 (d)，
? 就出现了一种非常有利的光电子发射条件，
只要激发到导带中的光电子，因为没有表面
势垒的阻挡，所以都能有效地逸出表面。
? 这就是 NEA光阴极的基本原理。
? 半导体材料与金属相比，
? 对光辐射的吸收率大，
? 内部能量散射损失小，
? 表面势垒又可以人为控制，
? 因而采用半导体材料作光阴极获得了广泛应
用。
(d)负电子亲和势
Ev
EF
Ec
EAe
EA
E0
Eφ
e
? 根据国际电子工程协会规定，把 NEA光阴极出现以前的
各种光阴极，按其出现的先后顺序和所配置的窗口材料，
以 S— XX (数字 )的形式进行编排命名，如表所示。
? S— XX光阴极特性 * 带 25伏起偏电压
编号 光阴极材料 窗口材料
工作方式
R－反射型
T－透射型
峰值波长
λm(nm)
灵敏度
Ri(μA/lm)
Riλm
(mA/W)
ηλm
(%)
暗电流
25℃ 条件
(A/cm2)
S-1 AgOCs 玻璃 T,R 800 30 2.8 0.43 9× 10-13
S-3 AgORb 玻璃 R 420 6~5 1.8 0.53 -
S-4 Cs,Sb 玻璃 R 400 40 40 12.4 2× 10-16
S-5 Cs,Sb 透紫外玻璃 R 340 40 50 18.2 3× 10-16
S-8 Cs,Bl 玻璃 R 365 3 23 0.78 1.3× 10-16
S-9 Cs,Sb 7052玻璃 T 480 30 20.5 5.3 3× 10-16
S-10 AgOBlCs 玻璃 T 450 40 20 5.5 7× 10-16
S-11 Cs,Sb 玻璃 T 440 70 56 15.7 3× 10-16
S-13 Cs,Sb 石英 T 440 60 48 13.5 4× 10-16
S-14 Ge 玻璃 - 1500 12400* 520* 43* -
S-16 Cd,Se 玻璃 - 730 - - - -
S-17 Cs,Sb 玻璃 R 490 125 83 21 1.2× 10-15
S-19 Cs,Sb 石英 R 330 40 65 24.4 3× 10-16
S-20 NaKCsSb 玻璃 T 420 150 64 18.8 3× 10-16
S-21 Cs,Sb 透紫外玻璃 T 440 30 23 6.6 4× 10-16
S-23 Tb,Te 石英 T 240 - 4 2 1× 10-10
S-24 Na,KSb 7052玻璃 T 380 45 67 21.8 3× 10-13
S-25 NaKCsSb 玻璃 T 420 200 43 12.7 1× 10-13
一、银氧铯 (Ag-O-Cs)光电阴极
? 银氧铯阴极是最早出现的实用光电阴极。
目前，除了 III-V族的光电阴极外，它仍然
是在近红外区具有使用价值的唯一阴极。
? 银氧铯阴极是以 Ag为基底，
? 氧化银为中间层，
? 上面再有一层带有过剩 Cs原子及 Ag原子的
氧化铯，而表面由 Cs原子组成，
? 可用 [Ag]-Cs2OAgCs-Cs的符号表示，
? 如图所示。
Ag 2O
Ag
CS 2O
内吸附 CS 原子CS 原子
(a)结构
? 有一些光电器件也有不用氧化，而是用硫化，
或以碱金属代替铯原子，目的都是希望得到
高的响应率及合适的光谱响应范围。
? Ag-O-Cs光电阴极的光谱响应曲线如图所示。
? 它的长波灵敏度延伸至红外 1.2μm，并且有两
个峰值，近红外 800nm处有一主峰，另一主峰
处于紫外 350nm。 10
1
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
(b)光谱相应曲线
? ( m m)
S
??
)(
m
A
/W
)
η =1%
η =0.1%
? Ag-O-Cs光电阴极的灵敏度较低。光照灵敏度约为
30μA/1m，辐照灵敏度为 3mA/W，量子效率在峰值
波长处也只有 1%;
? 它的热电子发射密度在室温下超过任何其它实用阴极，约为 10-11~10-14A/cm2。
? 此外，当阴极长期受光照后，会产生严重的疲劳现
象，且疲劳特性与光照度、光照波长等都有密切关
系，疲劳后光谱响应曲线也会发生变化，因此它的
应用受到很大限制。
? 将近红外区具有高灵敏度的 Ag-O-Cs阴极和蓝光区具
有高灵敏度的 Bi-Cs-O阴极相结合，可获得在整个可
见光谱范围内具有较均匀响应和高灵敏度的 Bi-Ag-O-
Cs光电阴极。
? 该阴极的量子效率达 10%，但长波限只有 750nm。随
着多碱光电阴极的不断发展，而且灵敏度都高于 Bi-
Ag-O-Cs阴极，因此 Bi-Ag-O-Cs阴极逐渐被多碱阴极
所取代。
二、单碱锑化物光电阴极
? 金属锑与碱金属锂、钠、钾、铷、铯中的
一种化合，都能形成具有稳定光电发射的
发射体 LiSb,NaSb,KSb,RbSb和 CsSb等。
? 其中，以 CsSb阴极的灵敏度为最高，是最
有实用价值的光电发射材料，广泛用于紫
外和可见光区的光电探测器中。
? 锑铯阴极的典型光谱响应
? 曲线如图所示。
100
10
1 0.3 0.5 0.7 0.9
?(mm)
S?
?)
(m
A/
W
)
SbKCs
CsSb
NaKSbCs
? 它在可见光的短波区和近紫外区
(0.3~0.45μm)响应率最高，其量子效率可达
25％，长波限在 0.65μm附近；
? 它的典型光照灵敏度达 60μA/lm，比银氧铯
阴极高得多。
? CsSb阴极的热电子发射
(约 10-16A/cm2)和疲劳特性
均优于银氧铯阴极，
而且制造工艺简单，
目前使用比较普遍。
100
10
1 0.3 0.5 0.7 0.9
?(m m)
S?
?)
(m
A
/W
)
SbKCs
CsSb
NaKSbCs
三、多碱锑化物光电阴极
? 当锑和几种碱金属形成化合物时，具有更高的响应
率，其中有双碱、三碱和四碱等，统称为 多碱锑化
物光电阴极 。
? 锑钾钠 (NaKSb)阴极是双碱阴极中的一种，它的光
谱响应与锑铯阴极相近，在峰值波长 0.4μm处的量
子效率达 25％，其典型光照灵敏度可达 50μA/lm。
? 它的最大特点是耐高温，工作温度可达 175℃,而
一般含铯阴极的工作温度不能超过 60℃,因此锑钾
钠阴极可用于石油勘探等特殊场合。
? 与之相关,NaKSb阴极的热电子发射很小，室温下
约 10-17～ 10-18A/cm2，光电疲劳效应也小，因此也
常用于光子计数技术中。
? 另一些双碱阴极为含铯的 SbKCs或 SbRbCs等。
SbKCs阴极在波长 0.4μm处的量子效应为 26％，光照
灵敏度 (典型值为 70μA/lm)比 CsSb阴极高，热电子发
射小 (约为 10-17A/cm2)。
? 锑钾钠铯 (NaKSbCs)阴极是三碱阴极中最有实用价
值的一种，它从紫外到近红外的光谱区都具有较高
的量子效率。
? NaKSbCs阴极典型的光照灵敏度为 150μA/lm，长波
限为 850nm，热电子发射约 10-14～ 10-16A/cm2，而且
工作稳定性好，疲劳效应很微小。
? 近几年，经过特殊处理的 NaKSbCs阴极，其光谱响
应的长波限可扩展到 930nm，峰值波长也从 420nm
延伸至 600nm，光照灵敏度提高到 400μA/lm。
四、紫外光电阴极
? 一般来说，对可见光灵敏的光电阴极，对紫外
光也都具有较高的量子效率。
? 但在某些应用中，为了消除背景辐射的影响，
要求光电阴极只对所探测的紫外辐射信号灵敏，
而对可见光无响应，这种阴极通常称为, 日盲,
型光电阴极。
? 目前比较实用的, 日盲, 型光电阴极有碲化
铯 (CsTe)和碘化铯 (CsI)两种。 CsTe阴极的长波
限为 0.32μm，而 CsI阴极的长波限为 0.2μm。
五、负电子亲和势光电阴极
? 前面讨论的常规光电阴极都属于正电子亲
和势 (PEA)类型，表面的真空能级位于导带
之上。
? 但如果给半导体的表面作特殊处理．使表
面区域能带弯曲，真空能级降到导带之下，
从而使有效的电子亲和势为负值，经这种
特殊处理的阴极称作负电子亲和势光电阴
极 (NEA)。
? 现以 Si-Cs2O光电阴极为例加以说明。
? Si-Cs2O是在 p型 Si的基质材料上涂一层极薄的
金属 Cs，经特殊处理而形成 n型 Cs2O。
? 表面为 n型的材料有丰富的自由电子，基底为
p型材料有丰富的空穴，它们相互扩散形成表
面电荷局部耗尽。
? 与 p-n结情况类似，耗尽区的电位下降 Ed，
? 造成能带弯曲，如图所示。 E Ae
E A2 E
d
Ev2
Ev1
EF
Ec1
Ec2
E0
EF
﹢
﹢
﹢
﹢
﹢
﹣
﹣
﹣
﹣
﹣
表面
耗尽区Ev1
EF
EC1
E0
Eg1
EA1
EV2
EF
EC2
EA2
Cs2O
Si
? 本来 p型 Si的发射阈值是 EA1,
? 电子受光激发进入导带后需克服亲和势
? Ed1=EA1+Eg1才能逸出表面。
? 现在由于表面存在 n型薄层，使耗尽区的电
位下降，表面电位降低 Ed。光电子在表面
附近受到耗尽区内建电场的作用，从 Si的导
带底部漂移到表面 Cs2O的导带底部。
? 此时，电子只需克服 EA2就能逸出表面。对
于 p型 Si的光电子需克服的有效亲和势为
? 由于能级弯曲，使,
? 这样就形成了 负电子亲和势 。
dAAe EEE ?? 2
2Ad EE ?
? 负电子亲和势光电阴极与前述的正电子亲
和势光电阴极相比，具有以下特点：
? (1)量子效率高 负电子亲和势阴极因其表面
无表面势垒，所以受激电子跃迁到导带并
迁移到表面后，无需克服表面势垒就可以
较容易地逸出表面。
? (2)光谱响应延伸 到红外、光谱响应率均匀
正电子亲和势光电阴极的阈值波长为
? 负电子亲和势光电阴极的阈值波长为
)nm(1 2 4 00
Ag EE ?
??
)nm(1 2 4 00
gE
??
? 例如 GaAs光电阴极,Eg为 1.4eV，阈值波长
λ0约为 890nm。
? 对于禁带宽度比 GaAS更小的多元 III-V族化
合物光电阴极来说，响应波长还可向更长
的红外延伸。
? (3)热电子发射小 与光谱响应范围类似的正
电子亲和势的光电发射材料相比，负电子
亲和势材料的禁带宽度一般比较宽，所以
在没有强电场作用的情况下，热电子发射
较小，一般只有 10-16A/cm2。
? (4)光电子的能量集中
光电特性和伏安特性
?光电管典型的光电特性曲线如图所示。
?图中曲线 1,2,3是对真空光电管
而言的，而曲线 4,5,6则是
充气光电管情况。不论那一种情况，
光电流与光照量在一定范围内呈
直线关系，通常将与直线部分相对应的光照量范
围称为光电管的 动态范围 。
?真空光电管与充气光电管相比，灵敏度低，但
线性好，动态范围大，加之真空光电管的稳定性
更好一些，因此在光电测量，光电转换，光电控
制中应用更多一些。
0.2 0.60.4 0.8 1
25
20
15
10
5
0
56
4
3
2
1
i
P(lm )
i/uA
? 从光电管的偏置电路可知，光电管两端电压 u
和流过的电流 i之间有关系,
? 式中 V是偏置电压 (或电源电压 )。
? u和 i之间的变化关系称为光电管的 伏安特性 。
? 研究这一特性，对合理使用光电管是十分重
要的。
? 真空光电管的伏安特性曲线
? 如图所示，
? 充气光电管的伏安特性
? 曲线有严重的非线性，
? 应用较少，这里不去讨论。
V
R L
u
A
KG
D
LiRVu ??
20
15
10
5
0 50 100 150 200 250
0.15
0.1
0.05
0
(lm)
i (u A)
u/V
? 从图可见，在不同的光通量下，
? 当阳极电压为 50-100伏时，所有
的光电子都能到达阳极，电压
再增高，光电流不再增大，
光电流开始出现饱和现象。
? 在饱和区，当电压 u一定时，
? 光电流与入射光功率成线性变化。这种线性变
化关系，保证了光电信息之间的转换。
? 光电管通常都是工作在饱和区内，也就是说，
偏置电压要高于 50-100伏。
20
15
10
5
0 50 100 150 200 250
0.15
0.1
0.05
0
(lm)
i (u A)
u/V
? 现在我们来看，伏安特性曲线能给我们提供
一些什么样的信息。
? 为了分析简单，将特性曲线用折线近似表示
于下图中．从图中，我们可以获得如下信息。
? 一、无光照情况
? 当光照功率 P=0时，
? 电流 i并不为零，称为暗电流。
? 这说明，光电管并不呈开路状态，
? 而具有暗电阻 Rd。
)μm(i
T (0,V / R
L
)
M' (u ',i ' )
t t
Q
α ''
α'
α
N ( V,0 )
P ''
P'
P
0
P =0
U ( 伏 )
t
? 以 P=0特性曲线可以很容易地求出 Rd值．
? 因为,
? 所以光电管的暗电导 g为,
? 只要从特性曲线上查得值，就可以利用上式求
出暗电导或暗电阻值。
? 因为 g值通常是很小的，所以 Rd是很大的值．
? 通常说光电管是个 高内阻 元件。
)μm(i
T ( 0,V / R
L
)
M' ( u ',i ' )
t t
Q
α ''
α'
α
N ( V,0 )
P ''
P'
P
0
P =0
U ( 伏 )
t
'ta n
1
??? dRi
u
'ta n1 ???
dR
g
表征光电管进入饱和区快慢的参数
? 在光照情况下，流过光电管的电流 i包括光
电流和暗电流两部分，即
? 式中 S为光电流灵敏度，
? 从图可见，直线 OM’，
? 是所有曲线进入饱和区的分界线，
? 它与电压轴的夹角 α”是固定值，显然角度 α”
决定了光电管进入饱和区的快慢．
? 设对应于 M’点的电压和电流分别用 u’和 i’表
示，则
SPgui ??
)μm(i
T (0,V / R
L
)
M' (u ',i ' )
t t
Q
α ''
α'
α
N (V,0 )
P ''
P'
P
0
P =0
U (伏 )
t
u'gi ''?
?式中 g’称为光电管的饱和电导，不同的管子，
g’值不同。
?同样的道理,g’与 α”的关系是,
?只要从特征曲线上查到了 α”,
?即可求出值 g’ 。
?显然,g’值愈大的管子，饱和电压就愈低。
"' tan ??g
光电管的工作负载线
? 由式
? 可知,i=0时,u＝ V，在电压轴上得 N点,u=0
时 i=V/RL，在电流轴上得 T点。连接 N,T，
两点的直线称为光电管的 工作负载线 。
? 显然，工作负载线的状态
? 由偏置电压 V
? 和负载电阻 RL决定。
? 从图可知，负载线与电压轴
的夹角 α决定负载电阻 RL
和偏置电压 V。
LiRVu ??
)μm(i
T ( 0,V / R
L
)
M' ( u ',i ' )
t t
Q
α ''
α'
α
N ( V,0 )
P ''
P'
P
0
P =0
U ( 伏 )
t
? 当偏置电压一定时，
RL从零变化到无穷
大，负载线就从垂直
线向左旋转 90° 。
? 从图可知，
? 所以，在设计光电管
载偏置电路时，可利
用工作负载线的状态
来确定 V值和 RL值。
)μm(i
T ( 0,V / R
L
)
M' ( u ',i ' )
t t
Q
α ''
α'
α
N ( V,0 )
P ''
P'
P
0
P =0
U ( 伏 )
t?ta n1 ??
LR
光电管线性工作区的确定
? 所谓线性工作区是指，光功率的变化与电流
或电压变化成线性关系的区域。
? 从图可见，如果 P0表示光功率变化的直流分
量，则负载线与 P0伏安曲线的交点 Q，就是光
电管的静态工作点。
? 显然，当光功率 P以 P0为
平均值变化时，光电流和
电压都随光功率而变化。
? 要保证这种变化成线性关系，
? 对工作点 Q的位置就有要求 。
)μm(i
T ( 0,V / R
L
)
M' ( u ',i ' )
t t
Q
α ''
α'
α
N ( V,0 )
P ''
P'
P
0
P =0
U ( 伏 )
t
? 从图可见，当负载线从 M’点下方通过时，
就有明显的非线性出现。
? 故要保证线性工作，
负载线必须从相应的(由动态范围值决定
的 P’值确定 )M’点的
上方通过，
? 也就是说,RL值必
须小于由 M’点决定
RL值。
? 过大的 RL值将引起
非线性失真。
)μm(i
T ( 0,V / R
L
)
M' ( u ',i ' )
t t
Q
α ''
α'
α
N ( V,0 )
P ''
P'
P
0
P =0
U ( 伏 )
t
RL和 V值的设计公式
? 依据上述规律，可以综合出设计 RL和 V值的
计算公式。
? 若负载线刚好从 M’点穿过，则由可得：
? 最后得
? 式中 g’,g及 S值从特性曲线中可以求得，
? 即它们由光电管的特性决定。
?
?
??
?
? ?? 1
''
1
u
V
g
R L
gg
SPu
?
?
'
''
??
?
??
? ??? 1
'
)'(
'
1
SP
ggV
g
R L
光 电 倍 增 管
1、光电发射和二次电子发射
?光电发射及其基本定律；
?二次电子发射；
?倍增极相关知识；
?光电管
2,真空、充气光电管比较
真空光电管 充气光电管
优
点
1.光电阴极面积大，暗电流小； 光照灵敏度高
2.驰豫过程小。
缺
点
1.灵敏度低 ； 1.稳定性差；
2.体积大； 2.线性度差；
3.玻璃体，易碎。
4.和放大器配合使用受限
3.噪声大；
4.响应时间长
3、光电倍增管 (PMT)
?利用 外光电效应 和 二次电子发射 相结
合即
—— 把微弱的光输入转化为光电子，
并使光电子 获得倍增 的一种光电探测
器件。
4,光电倍增管 优缺 点
? 放大倍数很高，用于探测微弱信号；
? 光电特性的线性关系好 ；
? 工作频率高 ；
? 性能稳定，使用方便 ；
? 供电电压高；
? 玻璃外壳，抗震性差；
? 价格昂贵，体积大；
光电倍增管
一、光电倍增管组成及工作原理
?光电倍增管组成
? —— 光窗（ Input window )
? —— 光电阴极 (Photo cathode)
? —— 电子光学系统
? —— 电子倍增系统 (Dynodes)
? —— 阳极 (Anode)
光电倍增管组成
（ 1）光电倍增管工作原理
?光电倍增管（ PMT）是利用外光电效
应制成的一种光电探测器件。其光电
转换分为 光电发射 和 电子倍增 两个过
程。其工作原理如下图示。、、
（ 2）光电倍增管工作原理
原理图
K
f
1D
2D
3D
4D
A
（ 3）光电倍增管工作过程
（ 4）供电原理图
? 原理图
K A
1D 2D 3D nD
1R 2R 3R nR 1?nR
LR
f
（ 4）供电原理图
二、光电倍增管分类
? 1.按进光方式, A侧窗式 B端窗式；
? 2.电极工作方式, A透射式 B反射式；
? 3.倍增极数目, A单极 B多极；
? 4.倍增极系统结构,
A盒状 B圆笼式
C百叶窗式 D直线瓦片式；
? 5.光电阴极材料, CsSb,Ag-O-Cs、碱
三、光电倍增管具体结构
? 1、光电阴极 (Photo cathode)
—— 把光电发射体镀在金属或透明材料
（玻璃或石英玻璃）上就制成了光电阴极。
（ 1）结构
?（ 2）常用材料,
? Ag-O-Cs：近红外唯一具有使用价值的阴极
材料；
? CsSb：可见、紫外区有较高的响应率 ;
? 多碱光电阴极 （双、三、、四 碱）；
光电倍增管具体结构
? 2、电子光学系统
—— 是指 光电阴极 至 第一倍增极之
间 的区域。
?电子光学系统在结构上主要由 聚焦电极
和 偏转电极 组成
对电子光学系统要求
? 要求：
? （ 1）使光电阴极发射的光电子尽可能多的会聚到第
一倍增极的有效区域内；
? （ 2）光电阴极各部分发射的
? 光电子到达第一倍增极所
? 经历的时间尽可能一致。
3、倍增系统 （ Dynodes ）
?倍增系统：是指由各倍增极构成的综合
系统，各倍增极都是由 二次电子发射体
构成。
?要求,二次电子发射系数要大
? 倍增极分类,
非聚焦型 —— 只加速
聚 焦 型 —— 加速聚焦
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
倍增系统分类 —— 百叶窗式
? 百叶窗式
1D 2D 3D 4D 5D 6D 7D 8D 9D A 10D
f K
倍增系统分类 —— 盒栅式
? 盒栅式
f K
1D
2D 3D
4D 5D
6D 7D
8D 2D
10D
11D
A
倍增系统分类 —— 直线瓦片式
? 直线瓦片式
f
1D
2D
3D
4D
5D
6D
7D
8D
9D
10D
A
K
倍增系统分类 —— 鼠笼式
? 鼠笼式
K
f
4D1D
2D
3D
5D
6D
7D
8D
A
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 。
4、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。
? 阳极结构示意图
?
一次电子
栅网状阳极
二次电子
?要求：
① 接收性能良好，尽可能多的收集电子，
工作在较大电流时，不至于产生 空间电荷效
应。
② 输出电容要小
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。
? 基本参数（静态参数）
? 应用参数（动态参数）
? 运行特性（例行特性）
光电倍增管使用注意要点
? 不宜用强光，容易引起疲劳
? 额定电压和电流内工作
? 入射光斑尺寸和管子的有效阴极面尺寸向对应
? 电场屏蔽和磁屏蔽
? 测交变光时，负载电阻不宜过大
光电倍增管应用中注意的几个问题,
?（一）光电倍增管型号的选择：
?（二）对高压电源的考虑：
?（ 1）负高压电源
?（ 2）正高压电源
?（ 3）倍增极为信号输出极
? （三）分压器的设计原则：
? （ 1）阴极与第一倍增极间
? （ 2）中间倍增极
? （ 3）末级倍增极
几种新型的光电倍增管
? （ 1） MCP倍增器多阳极倍增管：
? （ 2）最小的超小型光电倍增管
Homework
?1.解释光电检测器件的响应、噪声
等方面的特性参数。
?2.型号为 GDB-152，直径为 30毫米，
长度为 97的光电倍增管基本特性参
数是多少？并解释之。
预 习
?光敏电阻的特性参数与应用
?光电池的特性参数与应用
?光敏二极管的结构与特性
参数和真空光电管
李 孝 禄
光电器件的分类
? 一, 按工作波段分 紫外光探测器
可见光探测器
红外光探测器
? 二, 按应用分
换能器 将光信息 （ 光能 ） 转换成电信息 （ 电能 ）
非成像型 光信息转换成电信息
探测器 变像管
成像型 像增强器
摄像管 真空摄像管
固体成像器件 CCD
探测器件
热光电探测元件 光电探测元件 气体光电探测元件
外光电效应 内光电效应
非放大型 放 大 型 光电导探测
器
光磁电效应探测器 光生伏特探测
器
本征型 掺杂型 非放大 放大型
真空光电管
充气光电管
光电倍增管
变像管
摄像管
像增强器
光敏电阻 红外探测器 光电池
光电二极管
光电三极管
光电场效应管
雪崩型光电二极管
? 光电系统的光电器件包括光电探测器件和
光电成像器件, 其相应的性能参数也有两
类：
? 1,光电探测器件主要应说明其响应特性
和噪声特性 。
? 2,光电成像器件, 除了上述参数外, 为
了说明其成像特性, 还引入了反映亮度空
间分布失真程度的量, 比如分辨率, 空间
频率特性以及空间抽样特性等 。
? 光电探测器和其它器件一样，有一套根据实
际需要而制定的特性参数。
? 它是在不断总结各种光电探测器的共同基础
上而给以科学定义的，所以这一套性能参数
科学地反映了各种探测器的共同因素。
? 依据这套参数，人们就可以评价探测器性能
的优劣，比较不同探测器之间的差异，从而
达到根据需要合理选择和正确使用光电探测
器的目的。
? 显然，了解各种性能参数的物理意义是十分
重要的。
一、积分灵敏度 R
? 灵敏度也常称作 响应度,它是光电探测器
光电转换特性，光电转换的光谱特性以及
频率特性的量度。
? 光电流 i(或光电压 u)和入射光功率 P之间的关
系 i＝ f (p)，称为探测器的 光电特性 。
? 灵敏度 R定义为这个曲线的斜率，即
? (线性区内 ) (安 /瓦 )
? 或
? (线性区内 ) (安 /瓦 )
dp
diR
i ? p
i?
dp
duR
u ? p
u?
? R i和 R u分别称为电流和电压灵敏度,i和 u称
为电表测量的电流、电压有效值。
? 式中的光功率 P是指分布在某一光谱范围内
的总功率，因此，这里的 R i和 R u又分别称
为 积分电流灵敏度 和 积分电压灵敏度 。
?二、光谱灵敏度 R λ
? 如果我们把光功率 P换成波长可变的光功率
谱密度 P λ，由于光电探测器的光谱选择性，
在其它条件下不变的情况下，光电流将是
光波长的函数，记为 iλ(或 uλ)，于是光谱灵敏
度 Rλ定义为
? ?1
?
?
? dp
di
R ?
? 如果 R λ是常数，则相应的探测器称为 无选择
性探测器 (如光热探测器 )，光子探测器则是选
择性探测器。
? 上式的定义在测量上是困难的，通常给出的
是 相对光谱灵敏度 S λ定义为
? 式中 R λm是指 R λ的最大值，相应的波长称为
峰值波长,S λ是无量纲的百分数,Sλ随 λ变化
的曲线称为探测器的 光谱灵敏度曲线。
? R和 Rλ以及 Sλ的关系说明如下 。
)2(/ mRRS ??? ?
? 引入相对光谱功率密度函数，它的定义为
? 把 (2)和 (3)式代入 (1)式，只要注意到
? 和
? 就有
? 积分上式，有
)3(
'
'
'
mP
Pf
?
?
? ?
''' ??? dPdP ?
?? didi ?
?????? ddfPRSdi mm ?? '''
???????? ?? ???
0 ''0
]'[ ddfPRSdii mm
?
?
? ?
?
?
?
??
?
??
??
0
'
0
'
0
''
'
'
'
?
?
??
?
?
????
df
df
dfSPdR mm
? 式中
? 并注意到
? 由此便得
? 式中
? 称为 光谱利用率系数,它表示入射光功率能
被响应的百分比。
? 光谱匹配系数 K的说明 如图
?? ?? ? 0 '
'
0 '
'1' ?? ?
?
? dPPdf
m
mPP '/ ??
?? dRR mim ??
KRKdR
P
iR
imm ??? ??
?
?
?
?
?
0 '
0 '
'
'
?
?
?
??
df
dfs
K
0.1 ?S '?f''0
??? dfS??
??0 ' '?? df
三、频率灵敏度 Rf(响应频率 fc和响应时间 t)
? 如果入射光是强度调制的，在其它条件不变下，
光电流 if将随调制频率 f的升高而下降，这时的
灵敏度称为 频率灵敏度 Rf，
? 定义为
? 式中 if是光电流时变函数的付里叶变换，通常
? 式中 τ称为探测器的响应时间或时间常数，由
材料、结构和外电路决定。
P
iR f
f ?
2)2(1
)0(
?? f
fii
f ?
??
? 频率灵敏度
? 这就是探测器的 频率特性, R f随 f 升高而下
降的速度与 τ值大小关系很大。
? 一般规定,R f下降到 时的频率
fc为探测器的 截止响应频率 和 响应频率 。
? 从上式可见：
? 当 f<fc时，认为光电流能线性再现光功率 P的
变化。
? 如果是脉冲形式的入射光，则更常用响应
时间来描述。
2
0
)2(1 ?? f
R
R f
?
?
00 7 0 7.02/ RR ?
??2
1?
cf
? 探测器对突然光照的输出电流，要经过一定
时间才能上升到与这一幅射功率相应的稳定
值 i。
? 当辐射突然降去后，输出电流也需要经过一
定时间才能下降到零。
? 一般而论，上升和下降时间相等，时间常数
近似地由
? 决定。
? 综上所述，光电流是两端电压 u，光功率 P，
光波长 λ、光强调制频率 f的函数，即
??2
1?
cf
),,,( fPuFi ??
? 以 u,p,λ为参变量,i＝ F (f)的关系称为 光电
频率特性,相应的曲线称为 频率特性曲线 。
? 同样,i=F (p)及曲线称为 光电特性曲线 。
? i＝ F (λ)及其曲线称为 光谱特性曲线 。
? 而 i＝ F (u)及其曲线称为 伏安特性曲线 。
? 当这些曲线给出时，灵敏度 R的值就可以从曲
线中求出，而且还可以利用这些曲线，尤其是
伏安特性曲线来设计探测器的使用电路。
? 这一点，在实际应用中往住是十分重要的。
四、量子效率 η
? 如果说灵敏度 R是从宏观角度描述了光电探
测器的光电、光谱以及频率特性，那么量
子效率 η则是对同一个问题的微观 — 宏观描
述。量子效率的意义在光电转换定律得内
容中我们已经讨论过了
? 这里给出量子效率和灵敏度关系
? 又有光谱量子效率,
? 式中 C是材料中的光速。可见，量子效率正
比于灵敏度而反比于波长。
iRe
h?? ?
?? ?? iRe
hC?
五、能量阈 Pth和噪声等效功率 NEP
? 从灵敏度 R的定义式
? 可见，如果 P＝ 0，应有 i=0
? 实际情况是，当 P＝ 0时，光电探测器的输出
电流并不为零。
? 这个电流称为 暗电流或噪声电流,记为
? 它是瞬时噪声电流的有效值。
? 显然，这时灵敏度 R巳失去意义，我们必须
定义一个新参量来描述光电探测器的这种特
性。
? in产生的原因将在下一节中专门讨论。
dp
diR
i ? p
i?
2/12 )(
nn ii ?
? 考虑到这个因素之后，一个光电探测器完成光电
转换过程的模型如图所示。
? 图中的光功率 Ps和 Pb分别为信号和背景光功率。
? 可见，即使 Ps和 Pb都为零，也会有噪声输出。
? 噪声的存在，限制了探测微弱信号的能力。
? 通常认为，如果信号光功率产生的信号光电流 is
等于噪声电流 in，那么就认为刚刚能探测到光信
号存在。
光电
效应
s
i
n
i
s
P
b
P
内部
噪声
信号加
噪声
电流
增益
放大器过程
输出
? 依照这一判据，定义探测器的通量阈 Pth为
? 例如，若 Ri=10μA/μW,in=0.01μA，则通量
阈 Pth＝ 0.001μW。也就是说，小于 0.001微瓦
的信号光功率不能被探测器所得知，所以，
通量阈是探测器所能探测的最小光信号功率 。
? 同一个问题，还有另一种更通用的表述方法，
这就是 噪声等效功率 NEP。它定义为单位
信噪比时的信号光功率。信噪比 SNR定义为
? (电流信噪比 )
)(瓦
i
n
th R
iP ?
n
s
i
i?S N R
n
s
u
u?S N R (电压信噪比 )
? 于是有,
? 显然,NEP越小，表明探测器探测微弱信
号的能力越强。所以 NEP是描述光电探测
器探测能力的参数。
?六、归一化探测度 D*(读作 D星 )
? NEP越小，探测器探测能力越高，不符合
人们, 越大越好, 的习惯，于是取 NEP的倒
数并定义为 探测度 D，即
? 这样,D值大的探测器就表明其探测力高。
1)S N R(
N E P
?
???????
i
s
i
s
s
n
i
s
s
s
i
n
th PS N R
P
i
i
R
i
i
i
R
iP
)(N E P1 1?? 瓦D
? 实际使用中，经常需要在同类型的不同探
测器之间进行比较，发现, D值大的探测器
其探测能力一定好, 的结论并不充分。
? 究其原因，主要是探测器光敏面积 A和测量
带宽 Δ f对 D值影响甚大。
? 从下一节讨论中我们将会知道，探测器的
噪声功率 N ∝ Δf，所以,
? 于是由 D的定义知 。
? 另一方面，探测器的噪声功率 N∝ A
? 所以,
? 又有 。
)( fi n ??
2
1)( ??? fD
2
1
)( Ain ?
2
1
)( ?? AD
? 把两种因素一并考虑，
? 为了消除这一影响，定义
? 并称为归一化探测度。
? 这时就可以说,D*大的探测器其探测能力
一定好。
? 考虑到光谱的响应特性，一般给出 D*值时
注明响应波长 λ、光辐射调制频率 f及测量带
宽 Δf，即 D*(λ,f,Δf )。
2
1
)( ??? fAD
fADD ??* )W/Hzcm( 2
1
?
七、其它参数
? 光电探测器还有其它一些特性参数，在使
用时必须注意到，例如 光敏面积,探测器
电阻, 电容 等。
? 特别是 极限工作条件,正常使用时都不允
许超过这些指标，否则会影响探测器的正
常工作，甚至使探测器损坏。
? 通常规定了 工作电压, 电流, 温度 以及 光
照功率允许范围,使用时要特别加以注意。
噪声概念
? 信号在传输和处理过程中总会受到一些无用信
号的干扰，人们常称这些干扰信号为噪声。
? 光电探测器在进行光电转换过程中，同样要引
入噪声，称为 光电探测器的噪声 。
? 如果用 us(t)表示信号，经过传输或变换后变成
u(t)，那么
? 式中 un(t)就是噪声。
? 显然，噪声 un(t)表示了 u(t)偏离 us(t)的程度。
? 根据噪声产生的原因，大体上可以把噪声分为
人为噪声, 自然干扰 和物理系统 内部的起伏干
扰 三类。
)()()( tututu ns ??
? 前两种又称为 有形噪声,一般可以预知，
因而总可以设法减少和消除。最后一种噪
声来自物理系统内部，表现为一种无规则
起伏，称为 无规噪声 。
? 例如，电阻中自由电子的热运动，真空臂
中电子的随机发射，半导体中载流子随机
的产生和复合等，这些随机因素把一种无
规则起伏施加给有用信号。
? 起伏噪声对有用信号的影响，如图所示。
? 假定入射光是正弦强度调制的，放大器是
一个可以任意改变放大量的理想放大器。
?当入射光强度较大时，在示波器上可以看到正弦变化的
信号电压波形 。
?降低入射光功率时，增大放大率，
发现正弦电压信号上出现许多无规
起伏，使正弦信号变得模糊不清 (图 (b))。
?再降低入射光功率时，正弦波幅度
越来越小，而杂乱无章的变化愈来愈大。
最后只剩下了无规则的起伏，
完全看不出什么正弦变化，这叫做噪声完全埋没了信号。
当然这时探测器也失去了探测弱光信号的能力。
探
测
器
放
大
器
示波器
(a)
(b)
(c)
光
? 从上面讨论中，我们应该建立这样的观念：
? 上述现象并不是探测器不好所致。
? 它是探测器所固有的不可避免的现象。
? 任何一个探测器，都一定有噪声。也就是说，
在它输出端总存在着一些毫无规律，事先无
法预知的电压起伏。
? 这种无规起伏，在统计学中称为随机起伏，
它是微观世界服从统计规律的反映。
? 从这个意义上说，实现微弱光信号的探测，
就是从噪声中如何提取信号的问题，这是当
今信息探测理论研究的中心课题之一。
噪声的描述
? 噪声电压随时间无规则起伏情况重画如下。
? 显然，无法用预先确知的时间函数来描述它。
? 然而，噪声本身是统计独立的，所以能用统计
的方法来描述。
? 长时间看，噪声电压从零向上涨和向下落的机
会是相等的，其时间平均值一定为零。所以用
时间平均值无法描述噪声大小。
)(tun
)0(g
)(?g
?
t
0
0
(a) (b)
? 但是，如果我们先取噪声电压的平方，然后求这
些平方值对时间的平均值，再开方，就得到所谓
均方根噪声电压 un，即
? 这正是我们用电压表所测量到的那种有效电压。
? 我们看到，虽然噪声电压的起伏是毫无规则，无
法预知的，但其均方根电压却具有确定值。
? 这就是噪声电压 (噪声电流也一样 )服从统计规律
的反映。
? 由于产生探测器起伏噪声的因素往往很多，且这
些因素又彼此独立，所以总的噪声功率等于各种
独立的噪声功率之和，即
2
1
2 ))(( tuu
nn ?
? 为此，我们就把探测器输出的均方根噪声
电压 (电流 )称为探测器的噪声电压 (电流 )。
? 显然，探测噪声的存在，就使得探测器对
光信号的探测本领受到一个限制。
? 所以定量估计探测器的噪声大小就显得很
重要了。
? 由于许多时域问题往往在频域中讨论可能
更为方便，方法是付里叶变换。
? 若噪声电压为 un(t)，则其付里叶变换对为
???? 2 22 12 nnn uuu
????? 2 22 12 nnnn uuuu
? 上式成立的条件是 un(t)绝对可积，即
? 显然，无限延续的噪声电压并不能满足上式。
? 因此，无限延续的噪声电压的幅度付里叶谱不
存在。
? 为了克服这个困难，但还要使用付里叶变换的
方法，办法是引入噪声电压的自相关和功率谱。
? ???? ?? dtetuu tjnn ?? )()(
? ????? ??? ? deutu tjnn )(2 1)(
??dttu n )(
? 自相关定义为：
? 意思是对噪声电压进行卷积运算并求时间
平均值。
? 自相关的图形如前图 (b)所示。显然它满足
绝对可积条件，因而它的变换谱存在，即
? 在自相关定义中，令 t＝ 0，则
)1()()(
2
1lim)( ??? dutu
T
tg
T
T nnT ????
??
)2()()( ?? ? detgg tj? ???? ??
)3()(
2
1)( ??
?
? degtg tj? ??
??
?
)4()(2 1lim)0( 22 nT
T nT
uduTg ?? ?
???
??
? 式中 表示噪声电压平方的平均值，
? 它的物理意义：噪声电压消耗在 1Ω电阻上
的平均功率。
? 同样，在 (3)式中令 t＝ 0，则有：
? 式中使用了 的关系。
? 为了表述得更清楚一些，还可以从 (4)式出
发，并令
? 再应用付里叶变换对，可以证明：
2
nu
)4()(2 1lim)0( 22 nT
T nT
uduTg ?? ?
???
??
??? dgug n ? ?????? )(21)0( 2 )5()( dffg?
??
??
?
f?? 2?
)()()( *2 ??? nnn uuu ??
? 比较 (5)和 (6)式，就有
? 或
? 它们是单位频带噪声电压消耗在 1Ω电阻上的平
均功率，称为 噪声电压的功率谱 。
? 实际上，探测器的测量带宽是有限的，用 Δ f表
示，那么当 g( f )＝常数 (这种噪声又称为白噪声 )
时,
? 于是，求噪声 或 Vn的问题就转化为求解噪声
功率谱 g(f)的问题了,
??? duTug n
Tn
22 )(
2
1lim
2
1)0( ? ??
?? ??
??
? ????? ??? du n 2)(21 )6()( 2? ??
??? dffu n
2)()( ??
nug ?
2)()( fufg
n?
ffgug n ??? )(2)0( 2
2
nu
光电探测器的噪声源
? 依据噪声产生的物理原因，光电探测器的噪声
可大致分为 散粒噪声, 产生 — 复合噪声, 热噪
声 和 低频噪声 。
? 上述噪声是光电转换物理过程中固有的，是一
种不可能人为消除的输出信号的起伏，是与器
件密切相关的一个参量。
? 因为在光电转换过程中，半导体中的电子从价
带跃迁到导带，或者电子逸出材料表面等过程，
都是一系列独立事件，是一种随机的过程。每
一瞬间出现多少载流子是不确定的，所以随机
的起伏将不可避免地与信号同时出现。尤其在
信号较弱 时，光电探测器的噪声会显著地影响
信号探测的准确性。
? 按噪声产生的原因，可分为以下几类
噪声
外部原因
内部原因
人为噪声
自然噪声
散粒噪声
产生－复合噪声
光子噪声
热噪声
低频噪声
温度噪声
放大器噪声
? 1.散粒噪声：
? 无光照下，由于热激发作用，而随机地产生电子
所造成的起伏（以光电子发射为例）。
? 由于起伏单元是电子电荷量 e，故称为 散粒噪声，
这种噪声存在于所有光电探测器中。
? 热激发散粒均方噪声电流为
? 其有效值为
? 相应的噪声电压为
? 如果探测器具有内增益 M，则上式还应乘以 M。
? 光电探测器是依靠内场把电子 — 空穴对分开，空
穴对电流贡献不大，主要是电子贡献。上两式也
适用于光伏探测器
feii dn ?? 22
feiI dn ?? 2
22 fReiV
dn ??
? 2.产生－复合噪声
? 对光电导探测器，载流子热激发是电子 — 空
穴对。电子和空穴在运动中，与光伏器件重
要的不同点在于存在严重的复合过程，而复
合过程本身也是随机的。
? 因此，不仅有载流子产生的起伏，而且还有
载流子复合的起伏，这样就使起伏加倍，虽
然本质也是散粒噪声，但为强调产生和复合
两个因素，取名为产生 — 复合散粒噪声，简
称为产生 — 复合噪声，记为 Ig-r和 Vg-r即
? 式中 M是光电导的内增益。
24 fMeiI
drg ??? fMReiV drg ???
224
? 3.光子噪声
? 以上是热激发作用产生的散粒噪声。假定忽略
热激发作用，即认为热激发直流电流 Id为零。
? 由于光子本身也服从统计规律。我们平常说的
恒定光功率，实际上是光子数的统计平均值，
而每一瞬时到达探测器的光子数是随机的。
? 因此，光激发的载流子一定也是随机的，也要
产生起伏噪声，即散粒噪声。因为这里强调光
子起伏，故称为 光子噪声 。
? 它是探测器的极限噪声，不管是信号光还是背
景光，都要伴随着光子噪声，而且光功率愈大，
光子噪声也愈大。于是我们只要把 id用 ib和 is代替，
即可得到光子噪声的表达式。
? 即光子散粒噪声电流
? 这适用于光电发射和光伏情况，如果有内
增益，则再乘以 M。
? 而光电子产生 — 复合噪声
? 这里 ib和 is又可用光功率 Pb和 Ps表示出来
? 考虑到 id,ib和 is的共同作用，光电探测器的
总散粒噪声可统一表示为
feiI bnb ?? 2 feiI sns ?? 2
fMeiI brbg ??? 24 fMeiI srsg ??? 24
bb Ph
eni
?? ss
Pheni ??
2
1
2 ))(( BMiiiseI
sbdn ???
? 总散粒噪声可统一表示为
? 式中
? S =2 (光电发射和光伏 )
? 或 S=4 (光电导 )
? M内增益系数 (无内增益 =1)
? B (测量带宽 )
? 4.热噪声
? 光电探测器本质上可用一个电流源来等价，
这就意味着探测器有一个等效电阻 R。
2
1
2 ))(( BMiiiseI
sbdn ???
4.热噪声
? 电阻材料，即使在恒定的温度下，其内部的自
由载流子数目及运动状态也是随机的，由此而
构成无偏压下的起伏电动势。
? 这种由载流子的热运动引起的起伏就是电阻材
料的 热噪声,或称为 约翰逊（ Johnson）噪声 。
? 热噪声是由导体或半导体中载流子随机热激发
的波动而引起的。其大小与电阻的阻值、温度
及工作带宽有关。
? 可以证明，单个电子的噪声贡献为
2
2
0
2
2
1
2)(
md
KTei ?? ?
? K是波尔兹曼常数,T为绝对温度,m是电子
质量,τ0为电子的平均碰撞时间 。
? 浓度为 n，体积 V＝ Ad的电阻样品中共有 nV
个电子，它们产生电流脉冲的个数等于电
子平均碰撞的个数，
? 由固体物理得知, 电阻样品的电阻值 为
? 于是噪声功率谱为
0?
nVN ?
2
2
0
2
2
1
2)(
md
KTei ?? ?
2
1
2 )()()( ??? iNig
n ??
Ane
md
A
dR
0
2?? ??
RKT /2?
? 由
? 电阻 R的热噪声电流为
? 相应的热噪声电压为
? 有效噪声电压和电流分别为
? 一个电阻 R在其噪声等效电路中，可
以等效为电阻 R与一个电压源 Un的串
联，也可以等效为电阻 R与一个电流
源 In相并联，如图所示。
ffgig n ??? )(2)0( 2
R
fKTi
n
?? 42
fK T RiRu nn ??? 4222
fK T RuV nn ??? 42 RfK T RiI nn /42 ???
Vn
R
In
R
A
d
x
5,1/f 噪声
? 1/f 噪声又称为 闪烁或低频噪声 。
? 这种噪声是由于光敏层的微粒不均匀或不必
要的微量杂质的存在，当电流流过时在微粒
间发生微火花放电而引起的微电爆脉冲。
? 几乎在所有探测器中都存在这种噪声。它主
要出现在大约 1KHz以下的低频频域，而且
与光辐射的调制频率 f成反比，故称为低频噪
声或 1/f 噪声。
? 实验发现，探测器表面的工艺状态 (缺陷或不
均匀等 )对这种噪声的影响很大，所以有时也
称为 表面噪声或过剩噪声 。
? 1/f 噪声的经验规律为,
? 式中,Kf为与元件制作工艺、材料尺寸、表面
状态等有关的比例系数；
? α为系数，它与流过元件的电流有关，其值通常
取 2；
? β 为与元件材料性质有关的系数，其值在 0.8~
１,３之间，大部分材料的 β 值取１；
? γ与元件阻值有关，一般在１,４～１,７之间。
? 一般说，只要限制低频端的调制频率不低于 1千
赫兹，这种噪声就可以防止。
?
?
f
fIKi f
n
????2
?
??
f
fRIKu f
n
?????2
６, 温度噪声
? 它是由于材料的温度起伏而产生的噪声。在
热探测器件中必须考虑温度噪声的影响。
? 当材料的温度发生变化时，由于有温差 Δ T
的存在，因而引起材料有热流量的变化 Δ φ，
这种热流量的变化导致产生物体的 温度噪声。
? 温度为 T的物体的热流量噪声均方值为
? 式中,A为传热面积； h为传热系数，其单
位为 [W/(m2K)]； k为玻耳兹曼常数； T为材
料温度； Δ f为通带宽度。
fA h k T ??? 242f
? 温度噪声与热噪声在产生原因、表示形式
上有一定的差别，主要区别在于：
? 对于热噪声，材料的温度 T一定，引起粒子
随机性波动，从而产生了随机性电流 ；
? 对于温度噪声，材料温度有变化 Δ T，从而
导致热流量的变化 Δ φ，此变化就表示了温
度噪声的大小。
ni
光电管
? 光电管是依据光电发射效应而工作的一种光电
探测器。其结构原理和偏置电路如图所示，主
要由光阴极 K、阳极 A和管壳组成。
? 如果管壳内是真空状态，就称为 真空光电管 。
? 如果管壳内充有增益气体，就称为 充气光电管 。
? 按照接收光辐射的形式又有 反射型 和 透射型 光
电管之分。
光 阳极 A
阴极 K
光
透射型反射型
V
RL
u
A
KGD
? 光电管的核心部件是光阴极 K，它的光电发
射性能的好坏，在很大程度上决定了光电
管工作性能的优劣。
? 阳极 A起着收集电子的作用，其形状和位置
都经过精心设计。
? 国产光电管的代号用字符 GD表示。
? 鉴于光电管光阴极的重要性以及光电管阴
极和光电倍增管光阴极材料的通用性，我
们首先集中介绍一下关于光阴极材料的基
本概念和光谱响应特性，然后再讨论光电
管的工作特性。
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。
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
? 特点：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。
光阴极材料及其光谱响应
? 光阴极光谱响应的截止波长 λc由下式决定，
即
? 式中 是光阴极材料的功函数。
? 该式仅仅说明了理想情况下光阴极材料能否
产生光电发射的条件，至于发射效应本身是
否有效，该式无法说明。
? 实际上，光电子从光阴极内部逸出表面经过
三个过程：
? 1,光阴极内部电子吸收光子能量，被激发
到真空能级以上的高能量状态；
)eV(
24.1)μm(
?
?
EC
?
?E
? 2,这些高能量的光电子在向表面运动过程中，受
到其它电子碰撞，散射而失去一部分能量；
? 3,光电子到达表面时还要克服表面势垒才能最后
逸出。
? 因此，一个良好的光阴极应该满足三个条件：
? 1.光阴极表面对光辐射的反射小而吸收大；
? 2.光电子在向表面运动中受到的能量散射损耗小
? 3.光阴极表面势垒低，电子逸出概率大。
? 许多金属和半导体材料虽然都能产生光电效应，
但依据上述原则，金属和半导体材料相比光电发
射效率要低得多。
? 因而 光阴极通常都采用半导体材料。
? 半导体材料光阴极又分为 正电子亲和势 (亦
称经典光阴极 )和 负电子亲和势 (NEA阴极 )
两种类型。
? NEA光阴极是当前性能最好的光阴极。
? 为了有一个明确的物理概念，结合图示来
说明两种光阴极类型之间的主要差别。
e
e
e
EF
E0
EF
EV
EC
EA
?E ?E
E0
EC E
F
EV
EAe
E?
EA
?E
E0
E
E C
EVEF
EA
?E
E0
e
(a) 金属 (b) 理想半导体 (c) 正电子亲和势 (d)负 电子亲和势
? 对于金属情况，见图 (a)，金属内的, 冷, 电子 (即
光电子 )发射来源于费米能级 EF附近。光电发射阈
值定义为电子真空能级 E0与 EF之差，即
? 这里的 Eφ应理解为，光电子到达金属表面而逸出
时至少必须具有的能量。
? 所以，考虑到散射能量的损失，金属体内光电子
的能量必须大于 Eφ才可能逸出。
? 金属中铯 (Cs)的 Eφ值最小，约为 2.1(eV)，其截止波
长最长，大约为 600(nm)。大多数金属的 Eφ值都在
3(eV)以上。
? 由于金属对光辐射的反射强而吸收弱，加之金属
中自由电子浓度大，光电子受到的能量散射损失
自然大，因而光电发射效率很低。
FEEE ?? 0?
? 对半导体材料，见图 (b)，体内, 冷, 电子发射
来源于价带 EV附近，因此表面处的 Eφ为
? 式中 Eg为禁带宽度，
? EA为 E0和导带 EC之差，
? 称为 电子亲和势 。
? 由半导体物理可知，
? 实际的半导体能级，在半导体表面附近要发生
弯曲，见图 (c)，这时 EA定义为 E0与表面处导带
底 EC之差。
? 考虑到导带在表面处的弯曲量用 ΔE表示，于是
体内光电子的有效电子亲合势变为
gA EEE ???
Ev
EF
Ec
EA
e
Eφ
E0
(b) 理想半导体
? 我们通常所说的电子亲合势就是指的 EAe，
? 这样，半导体材料的光电发射阈值变为：
? 由于 ΔE的量值可以人为控制，
? EAe值可以人为地加以改变。
? 如果 EAe>0，就称为
? 正电子亲和势光阴极,
? 亦称 经典光阴极,目前广泛用的光阴极就
属此类。
EEE AAe ???
(c)正电子亲和势
EAe
EC
EF
Ev
E0
Eφ
Δ E
EA
Aeg EEE ???
? 如果使 EAe<0，见图 (d)，
? 就出现了一种非常有利的光电子发射条件，
只要激发到导带中的光电子，因为没有表面
势垒的阻挡，所以都能有效地逸出表面。
? 这就是 NEA光阴极的基本原理。
? 半导体材料与金属相比，
? 对光辐射的吸收率大，
? 内部能量散射损失小，
? 表面势垒又可以人为控制，
? 因而采用半导体材料作光阴极获得了广泛应
用。
(d)负电子亲和势
Ev
EF
Ec
EAe
EA
E0
Eφ
e
? 根据国际电子工程协会规定，把 NEA光阴极出现以前的
各种光阴极，按其出现的先后顺序和所配置的窗口材料，
以 S— XX (数字 )的形式进行编排命名，如表所示。
? S— XX光阴极特性 * 带 25伏起偏电压
编号 光阴极材料 窗口材料
工作方式
R－反射型
T－透射型
峰值波长
λm(nm)
灵敏度
Ri(μA/lm)
Riλm
(mA/W)
ηλm
(%)
暗电流
25℃ 条件
(A/cm2)
S-1 AgOCs 玻璃 T,R 800 30 2.8 0.43 9× 10-13
S-3 AgORb 玻璃 R 420 6~5 1.8 0.53 -
S-4 Cs,Sb 玻璃 R 400 40 40 12.4 2× 10-16
S-5 Cs,Sb 透紫外玻璃 R 340 40 50 18.2 3× 10-16
S-8 Cs,Bl 玻璃 R 365 3 23 0.78 1.3× 10-16
S-9 Cs,Sb 7052玻璃 T 480 30 20.5 5.3 3× 10-16
S-10 AgOBlCs 玻璃 T 450 40 20 5.5 7× 10-16
S-11 Cs,Sb 玻璃 T 440 70 56 15.7 3× 10-16
S-13 Cs,Sb 石英 T 440 60 48 13.5 4× 10-16
S-14 Ge 玻璃 - 1500 12400* 520* 43* -
S-16 Cd,Se 玻璃 - 730 - - - -
S-17 Cs,Sb 玻璃 R 490 125 83 21 1.2× 10-15
S-19 Cs,Sb 石英 R 330 40 65 24.4 3× 10-16
S-20 NaKCsSb 玻璃 T 420 150 64 18.8 3× 10-16
S-21 Cs,Sb 透紫外玻璃 T 440 30 23 6.6 4× 10-16
S-23 Tb,Te 石英 T 240 - 4 2 1× 10-10
S-24 Na,KSb 7052玻璃 T 380 45 67 21.8 3× 10-13
S-25 NaKCsSb 玻璃 T 420 200 43 12.7 1× 10-13
一、银氧铯 (Ag-O-Cs)光电阴极
? 银氧铯阴极是最早出现的实用光电阴极。
目前，除了 III-V族的光电阴极外，它仍然
是在近红外区具有使用价值的唯一阴极。
? 银氧铯阴极是以 Ag为基底，
? 氧化银为中间层，
? 上面再有一层带有过剩 Cs原子及 Ag原子的
氧化铯，而表面由 Cs原子组成，
? 可用 [Ag]-Cs2OAgCs-Cs的符号表示，
? 如图所示。
Ag 2O
Ag
CS 2O
内吸附 CS 原子CS 原子
(a)结构
? 有一些光电器件也有不用氧化，而是用硫化，
或以碱金属代替铯原子，目的都是希望得到
高的响应率及合适的光谱响应范围。
? Ag-O-Cs光电阴极的光谱响应曲线如图所示。
? 它的长波灵敏度延伸至红外 1.2μm，并且有两
个峰值，近红外 800nm处有一主峰，另一主峰
处于紫外 350nm。 10
1
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
(b)光谱相应曲线
? ( m m)
S
??
)(
m
A
/W
)
η =1%
η =0.1%
? Ag-O-Cs光电阴极的灵敏度较低。光照灵敏度约为
30μA/1m，辐照灵敏度为 3mA/W，量子效率在峰值
波长处也只有 1%;
? 它的热电子发射密度在室温下超过任何其它实用阴极，约为 10-11~10-14A/cm2。
? 此外，当阴极长期受光照后，会产生严重的疲劳现
象，且疲劳特性与光照度、光照波长等都有密切关
系，疲劳后光谱响应曲线也会发生变化，因此它的
应用受到很大限制。
? 将近红外区具有高灵敏度的 Ag-O-Cs阴极和蓝光区具
有高灵敏度的 Bi-Cs-O阴极相结合，可获得在整个可
见光谱范围内具有较均匀响应和高灵敏度的 Bi-Ag-O-
Cs光电阴极。
? 该阴极的量子效率达 10%，但长波限只有 750nm。随
着多碱光电阴极的不断发展，而且灵敏度都高于 Bi-
Ag-O-Cs阴极，因此 Bi-Ag-O-Cs阴极逐渐被多碱阴极
所取代。
二、单碱锑化物光电阴极
? 金属锑与碱金属锂、钠、钾、铷、铯中的
一种化合，都能形成具有稳定光电发射的
发射体 LiSb,NaSb,KSb,RbSb和 CsSb等。
? 其中，以 CsSb阴极的灵敏度为最高，是最
有实用价值的光电发射材料，广泛用于紫
外和可见光区的光电探测器中。
? 锑铯阴极的典型光谱响应
? 曲线如图所示。
100
10
1 0.3 0.5 0.7 0.9
?(mm)
S?
?)
(m
A/
W
)
SbKCs
CsSb
NaKSbCs
? 它在可见光的短波区和近紫外区
(0.3~0.45μm)响应率最高，其量子效率可达
25％，长波限在 0.65μm附近；
? 它的典型光照灵敏度达 60μA/lm，比银氧铯
阴极高得多。
? CsSb阴极的热电子发射
(约 10-16A/cm2)和疲劳特性
均优于银氧铯阴极，
而且制造工艺简单，
目前使用比较普遍。
100
10
1 0.3 0.5 0.7 0.9
?(m m)
S?
?)
(m
A
/W
)
SbKCs
CsSb
NaKSbCs
三、多碱锑化物光电阴极
? 当锑和几种碱金属形成化合物时，具有更高的响应
率，其中有双碱、三碱和四碱等，统称为 多碱锑化
物光电阴极 。
? 锑钾钠 (NaKSb)阴极是双碱阴极中的一种，它的光
谱响应与锑铯阴极相近，在峰值波长 0.4μm处的量
子效率达 25％，其典型光照灵敏度可达 50μA/lm。
? 它的最大特点是耐高温，工作温度可达 175℃,而
一般含铯阴极的工作温度不能超过 60℃,因此锑钾
钠阴极可用于石油勘探等特殊场合。
? 与之相关,NaKSb阴极的热电子发射很小，室温下
约 10-17～ 10-18A/cm2，光电疲劳效应也小，因此也
常用于光子计数技术中。
? 另一些双碱阴极为含铯的 SbKCs或 SbRbCs等。
SbKCs阴极在波长 0.4μm处的量子效应为 26％，光照
灵敏度 (典型值为 70μA/lm)比 CsSb阴极高，热电子发
射小 (约为 10-17A/cm2)。
? 锑钾钠铯 (NaKSbCs)阴极是三碱阴极中最有实用价
值的一种，它从紫外到近红外的光谱区都具有较高
的量子效率。
? NaKSbCs阴极典型的光照灵敏度为 150μA/lm，长波
限为 850nm，热电子发射约 10-14～ 10-16A/cm2，而且
工作稳定性好，疲劳效应很微小。
? 近几年，经过特殊处理的 NaKSbCs阴极，其光谱响
应的长波限可扩展到 930nm，峰值波长也从 420nm
延伸至 600nm，光照灵敏度提高到 400μA/lm。
四、紫外光电阴极
? 一般来说，对可见光灵敏的光电阴极，对紫外
光也都具有较高的量子效率。
? 但在某些应用中，为了消除背景辐射的影响，
要求光电阴极只对所探测的紫外辐射信号灵敏，
而对可见光无响应，这种阴极通常称为, 日盲,
型光电阴极。
? 目前比较实用的, 日盲, 型光电阴极有碲化
铯 (CsTe)和碘化铯 (CsI)两种。 CsTe阴极的长波
限为 0.32μm，而 CsI阴极的长波限为 0.2μm。
五、负电子亲和势光电阴极
? 前面讨论的常规光电阴极都属于正电子亲
和势 (PEA)类型，表面的真空能级位于导带
之上。
? 但如果给半导体的表面作特殊处理．使表
面区域能带弯曲，真空能级降到导带之下，
从而使有效的电子亲和势为负值，经这种
特殊处理的阴极称作负电子亲和势光电阴
极 (NEA)。
? 现以 Si-Cs2O光电阴极为例加以说明。
? Si-Cs2O是在 p型 Si的基质材料上涂一层极薄的
金属 Cs，经特殊处理而形成 n型 Cs2O。
? 表面为 n型的材料有丰富的自由电子，基底为
p型材料有丰富的空穴，它们相互扩散形成表
面电荷局部耗尽。
? 与 p-n结情况类似，耗尽区的电位下降 Ed，
? 造成能带弯曲，如图所示。 E Ae
E A2 E
d
Ev2
Ev1
EF
Ec1
Ec2
E0
EF
﹢
﹢
﹢
﹢
﹢
﹣
﹣
﹣
﹣
﹣
表面
耗尽区Ev1
EF
EC1
E0
Eg1
EA1
EV2
EF
EC2
EA2
Cs2O
Si
? 本来 p型 Si的发射阈值是 EA1,
? 电子受光激发进入导带后需克服亲和势
? Ed1=EA1+Eg1才能逸出表面。
? 现在由于表面存在 n型薄层，使耗尽区的电
位下降，表面电位降低 Ed。光电子在表面
附近受到耗尽区内建电场的作用，从 Si的导
带底部漂移到表面 Cs2O的导带底部。
? 此时，电子只需克服 EA2就能逸出表面。对
于 p型 Si的光电子需克服的有效亲和势为
? 由于能级弯曲，使,
? 这样就形成了 负电子亲和势 。
dAAe EEE ?? 2
2Ad EE ?
? 负电子亲和势光电阴极与前述的正电子亲
和势光电阴极相比，具有以下特点：
? (1)量子效率高 负电子亲和势阴极因其表面
无表面势垒，所以受激电子跃迁到导带并
迁移到表面后，无需克服表面势垒就可以
较容易地逸出表面。
? (2)光谱响应延伸 到红外、光谱响应率均匀
正电子亲和势光电阴极的阈值波长为
? 负电子亲和势光电阴极的阈值波长为
)nm(1 2 4 00
Ag EE ?
??
)nm(1 2 4 00
gE
??
? 例如 GaAs光电阴极,Eg为 1.4eV，阈值波长
λ0约为 890nm。
? 对于禁带宽度比 GaAS更小的多元 III-V族化
合物光电阴极来说，响应波长还可向更长
的红外延伸。
? (3)热电子发射小 与光谱响应范围类似的正
电子亲和势的光电发射材料相比，负电子
亲和势材料的禁带宽度一般比较宽，所以
在没有强电场作用的情况下，热电子发射
较小，一般只有 10-16A/cm2。
? (4)光电子的能量集中
光电特性和伏安特性
?光电管典型的光电特性曲线如图所示。
?图中曲线 1,2,3是对真空光电管
而言的，而曲线 4,5,6则是
充气光电管情况。不论那一种情况，
光电流与光照量在一定范围内呈
直线关系，通常将与直线部分相对应的光照量范
围称为光电管的 动态范围 。
?真空光电管与充气光电管相比，灵敏度低，但
线性好，动态范围大，加之真空光电管的稳定性
更好一些，因此在光电测量，光电转换，光电控
制中应用更多一些。
0.2 0.60.4 0.8 1
25
20
15
10
5
0
56
4
3
2
1
i
P(lm )
i/uA
? 从光电管的偏置电路可知，光电管两端电压 u
和流过的电流 i之间有关系,
? 式中 V是偏置电压 (或电源电压 )。
? u和 i之间的变化关系称为光电管的 伏安特性 。
? 研究这一特性，对合理使用光电管是十分重
要的。
? 真空光电管的伏安特性曲线
? 如图所示，
? 充气光电管的伏安特性
? 曲线有严重的非线性，
? 应用较少，这里不去讨论。
V
R L
u
A
KG
D
LiRVu ??
20
15
10
5
0 50 100 150 200 250
0.15
0.1
0.05
0
(lm)
i (u A)
u/V
? 从图可见，在不同的光通量下，
? 当阳极电压为 50-100伏时，所有
的光电子都能到达阳极，电压
再增高，光电流不再增大，
光电流开始出现饱和现象。
? 在饱和区，当电压 u一定时，
? 光电流与入射光功率成线性变化。这种线性变
化关系，保证了光电信息之间的转换。
? 光电管通常都是工作在饱和区内，也就是说，
偏置电压要高于 50-100伏。
20
15
10
5
0 50 100 150 200 250
0.15
0.1
0.05
0
(lm)
i (u A)
u/V
? 现在我们来看，伏安特性曲线能给我们提供
一些什么样的信息。
? 为了分析简单，将特性曲线用折线近似表示
于下图中．从图中，我们可以获得如下信息。
? 一、无光照情况
? 当光照功率 P=0时，
? 电流 i并不为零，称为暗电流。
? 这说明，光电管并不呈开路状态，
? 而具有暗电阻 Rd。
)μm(i
T (0,V / R
L
)
M' (u ',i ' )
t t
Q
α ''
α'
α
N ( V,0 )
P ''
P'
P
0
P =0
U ( 伏 )
t
? 以 P=0特性曲线可以很容易地求出 Rd值．
? 因为,
? 所以光电管的暗电导 g为,
? 只要从特性曲线上查得值，就可以利用上式求
出暗电导或暗电阻值。
? 因为 g值通常是很小的，所以 Rd是很大的值．
? 通常说光电管是个 高内阻 元件。
)μm(i
T ( 0,V / R
L
)
M' ( u ',i ' )
t t
Q
α ''
α'
α
N ( V,0 )
P ''
P'
P
0
P =0
U ( 伏 )
t
'ta n
1
??? dRi
u
'ta n1 ???
dR
g
表征光电管进入饱和区快慢的参数
? 在光照情况下，流过光电管的电流 i包括光
电流和暗电流两部分，即
? 式中 S为光电流灵敏度，
? 从图可见，直线 OM’，
? 是所有曲线进入饱和区的分界线，
? 它与电压轴的夹角 α”是固定值，显然角度 α”
决定了光电管进入饱和区的快慢．
? 设对应于 M’点的电压和电流分别用 u’和 i’表
示，则
SPgui ??
)μm(i
T (0,V / R
L
)
M' (u ',i ' )
t t
Q
α ''
α'
α
N (V,0 )
P ''
P'
P
0
P =0
U (伏 )
t
u'gi ''?
?式中 g’称为光电管的饱和电导，不同的管子，
g’值不同。
?同样的道理,g’与 α”的关系是,
?只要从特征曲线上查到了 α”,
?即可求出值 g’ 。
?显然,g’值愈大的管子，饱和电压就愈低。
"' tan ??g
光电管的工作负载线
? 由式
? 可知,i=0时,u＝ V，在电压轴上得 N点,u=0
时 i=V/RL，在电流轴上得 T点。连接 N,T，
两点的直线称为光电管的 工作负载线 。
? 显然，工作负载线的状态
? 由偏置电压 V
? 和负载电阻 RL决定。
? 从图可知，负载线与电压轴
的夹角 α决定负载电阻 RL
和偏置电压 V。
LiRVu ??
)μm(i
T ( 0,V / R
L
)
M' ( u ',i ' )
t t
Q
α ''
α'
α
N ( V,0 )
P ''
P'
P
0
P =0
U ( 伏 )
t
? 当偏置电压一定时，
RL从零变化到无穷
大，负载线就从垂直
线向左旋转 90° 。
? 从图可知，
? 所以，在设计光电管
载偏置电路时，可利
用工作负载线的状态
来确定 V值和 RL值。
)μm(i
T ( 0,V / R
L
)
M' ( u ',i ' )
t t
Q
α ''
α'
α
N ( V,0 )
P ''
P'
P
0
P =0
U ( 伏 )
t?ta n1 ??
LR
光电管线性工作区的确定
? 所谓线性工作区是指，光功率的变化与电流
或电压变化成线性关系的区域。
? 从图可见，如果 P0表示光功率变化的直流分
量，则负载线与 P0伏安曲线的交点 Q，就是光
电管的静态工作点。
? 显然，当光功率 P以 P0为
平均值变化时，光电流和
电压都随光功率而变化。
? 要保证这种变化成线性关系，
? 对工作点 Q的位置就有要求 。
)μm(i
T ( 0,V / R
L
)
M' ( u ',i ' )
t t
Q
α ''
α'
α
N ( V,0 )
P ''
P'
P
0
P =0
U ( 伏 )
t
? 从图可见，当负载线从 M’点下方通过时，
就有明显的非线性出现。
? 故要保证线性工作，
负载线必须从相应的(由动态范围值决定
的 P’值确定 )M’点的
上方通过，
? 也就是说,RL值必
须小于由 M’点决定
RL值。
? 过大的 RL值将引起
非线性失真。
)μm(i
T ( 0,V / R
L
)
M' ( u ',i ' )
t t
Q
α ''
α'
α
N ( V,0 )
P ''
P'
P
0
P =0
U ( 伏 )
t
RL和 V值的设计公式
? 依据上述规律，可以综合出设计 RL和 V值的
计算公式。
? 若负载线刚好从 M’点穿过，则由可得：
? 最后得
? 式中 g’,g及 S值从特性曲线中可以求得，
? 即它们由光电管的特性决定。
?
?
??
?
? ?? 1
''
1
u
V
g
R L
gg
SPu
?
?
'
''
??
?
??
? ??? 1
'
)'(
'
1
SP
ggV
g
R L
光 电 倍 增 管
1、光电发射和二次电子发射
?光电发射及其基本定律；
?二次电子发射；
?倍增极相关知识；
?光电管
2,真空、充气光电管比较
真空光电管 充气光电管
优
点
1.光电阴极面积大，暗电流小； 光照灵敏度高
2.驰豫过程小。
缺
点
1.灵敏度低 ； 1.稳定性差；
2.体积大； 2.线性度差；
3.玻璃体，易碎。
4.和放大器配合使用受限
3.噪声大；
4.响应时间长
3、光电倍增管 (PMT)
?利用 外光电效应 和 二次电子发射 相结
合即
—— 把微弱的光输入转化为光电子，
并使光电子 获得倍增 的一种光电探测
器件。
4,光电倍增管 优缺 点
? 放大倍数很高，用于探测微弱信号；
? 光电特性的线性关系好 ；
? 工作频率高 ；
? 性能稳定，使用方便 ；
? 供电电压高；
? 玻璃外壳，抗震性差；
? 价格昂贵，体积大；
光电倍增管
一、光电倍增管组成及工作原理
?光电倍增管组成
? —— 光窗（ Input window )
? —— 光电阴极 (Photo cathode)
? —— 电子光学系统
? —— 电子倍增系统 (Dynodes)
? —— 阳极 (Anode)
光电倍增管组成
（ 1）光电倍增管工作原理
?光电倍增管（ PMT）是利用外光电效
应制成的一种光电探测器件。其光电
转换分为 光电发射 和 电子倍增 两个过
程。其工作原理如下图示。、、
（ 2）光电倍增管工作原理
原理图
K
f
1D
2D
3D
4D
A
（ 3）光电倍增管工作过程
（ 4）供电原理图
? 原理图
K A
1D 2D 3D nD
1R 2R 3R nR 1?nR
LR
f
（ 4）供电原理图
二、光电倍增管分类
? 1.按进光方式, A侧窗式 B端窗式；
? 2.电极工作方式, A透射式 B反射式；
? 3.倍增极数目, A单极 B多极；
? 4.倍增极系统结构,
A盒状 B圆笼式
C百叶窗式 D直线瓦片式；
? 5.光电阴极材料, CsSb,Ag-O-Cs、碱
三、光电倍增管具体结构
? 1、光电阴极 (Photo cathode)
—— 把光电发射体镀在金属或透明材料
（玻璃或石英玻璃）上就制成了光电阴极。
（ 1）结构
?（ 2）常用材料,
? Ag-O-Cs：近红外唯一具有使用价值的阴极
材料；
? CsSb：可见、紫外区有较高的响应率 ;
? 多碱光电阴极 （双、三、、四 碱）；
光电倍增管具体结构
? 2、电子光学系统
—— 是指 光电阴极 至 第一倍增极之
间 的区域。
?电子光学系统在结构上主要由 聚焦电极
和 偏转电极 组成
对电子光学系统要求
? 要求：
? （ 1）使光电阴极发射的光电子尽可能多的会聚到第
一倍增极的有效区域内；
? （ 2）光电阴极各部分发射的
? 光电子到达第一倍增极所
? 经历的时间尽可能一致。
3、倍增系统 （ Dynodes ）
?倍增系统：是指由各倍增极构成的综合
系统，各倍增极都是由 二次电子发射体
构成。
?要求,二次电子发射系数要大
? 倍增极分类,
非聚焦型 —— 只加速
聚 焦 型 —— 加速聚焦
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
倍增系统分类 —— 百叶窗式
? 百叶窗式
1D 2D 3D 4D 5D 6D 7D 8D 9D A 10D
f K
倍增系统分类 —— 盒栅式
? 盒栅式
f K
1D
2D 3D
4D 5D
6D 7D
8D 2D
10D
11D
A
倍增系统分类 —— 直线瓦片式
? 直线瓦片式
f
1D
2D
3D
4D
5D
6D
7D
8D
9D
10D
A
K
倍增系统分类 —— 鼠笼式
? 鼠笼式
K
f
4D1D
2D
3D
5D
6D
7D
8D
A
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 。
4、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。
? 阳极结构示意图
?
一次电子
栅网状阳极
二次电子
?要求：
① 接收性能良好，尽可能多的收集电子，
工作在较大电流时，不至于产生 空间电荷效
应。
② 输出电容要小
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。
? 基本参数（静态参数）
? 应用参数（动态参数）
? 运行特性（例行特性）
光电倍增管使用注意要点
? 不宜用强光，容易引起疲劳
? 额定电压和电流内工作
? 入射光斑尺寸和管子的有效阴极面尺寸向对应
? 电场屏蔽和磁屏蔽
? 测交变光时，负载电阻不宜过大
光电倍增管应用中注意的几个问题,
?（一）光电倍增管型号的选择：
?（二）对高压电源的考虑：
?（ 1）负高压电源
?（ 2）正高压电源
?（ 3）倍增极为信号输出极
? （三）分压器的设计原则：
? （ 1）阴极与第一倍增极间
? （ 2）中间倍增极
? （ 3）末级倍增极
几种新型的光电倍增管
? （ 1） MCP倍增器多阳极倍增管：
? （ 2）最小的超小型光电倍增管
Homework
?1.解释光电检测器件的响应、噪声
等方面的特性参数。
?2.型号为 GDB-152，直径为 30毫米，
长度为 97的光电倍增管基本特性参
数是多少？并解释之。
预 习
?光敏电阻的特性参数与应用
?光电池的特性参数与应用
?光敏二极管的结构与特性
