7.2光电元件 光电元件是光电传感器中最重要的部件,常见的有真空光电元件和半导体光电元件两 大类。它们的工作原理都基于不同形式的光电效应。根据光的波粒二像性,我们可以认 为光是一种以光速运动的粒子流,这种粒子称为光子。每个光子具有的能量为 E=hv 式中,为光波频率;h为普朗克常数,h=6.63×103J 对不同频率的光,其光子能量是不相同的,光波频率越高,光子能量越大。用光照射 某一物体,可以看作是一连串能量为Au的光子轰击在这个物体上,此时光子能量就传递 给电子,并且是一个光子的全部能量一次性地被一个电子所吸收,电子得到光子传递的 能量后其状态就会发生变化,从而使受光照射的物体产生相应的电效应,我们把这种物 理现象称为光电效应。通常把光电效应分为三类 1)在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应,基于外光电效应的光 电元件有光电管、光电倍增管等 2)在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应。基于内光电效应的光 电元件有光敏电阻、光敏晶体管等 3)在光线作用下,物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应,基于光生伏 特效应的光电元件有光电池等
7.2 光电元件 光电元件是光电传感器中最重要的部件，常见的有真空光电元件和半导体光电元件两 大类。它们的工作原理都基于不同形式的光电效应。根据光的波粒二像性，我们可以认 为光是一种以光速运动的粒子流，这种粒子称为光子。每个光子具有的能量为 (7.1) 式中，为光波频率；h为普朗克常数，h＝6.63 对不同频率的光，其光子能量是不相同的，光波频率越高，光子能量越大。用光照射 某一物体，可以看作是一连串能量为Au的光子轰击在这个物体上，此时光子能量就传递 给电子，并且是一个光子的全部能量一次性地被一个电子所吸收，电子得到光子传递的 能量后其状态就会发生变化，从而使受光照射的物体产生相应的电效应，我们把这种物 理现象称为光电效应。通常把光电效应分为三类： 1)在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，基于外光电效应的光 电元件有光电管、光电倍增管等。 2)在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应。基于内光电效应的光 电元件有光敏电阻、光敏晶体管等。 3)在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应，基于光生伏 特效应的光电元件有光电池等。 E = h 10 J s -34 •
7.2.1外光电效应器件 7.2.1.1工作原理 光电管是利用外光电效应制成的光电元件,其外形和结构如图7.2.1所示,半圆筒形金属 片制成的阴极K和位于阴极轴心的金属丝制成的阳极A封装在抽成真空的玻壳内,当入射光 照射在阴极上时,单个光子就把它的全部能量传递给阴极材料中的一个自由电子,从而使 自由电子的能量增加h。当电子获得的能量大于阴极材料的逸出功A时,它就可以克服金属 表面束缚而逸出,形成电子发射。这种电子称为光电子,光电子逸出金属表面后的初始动 能为(1/2)m。 根据能量守恒定律有 mv2=hv-A 式中,m为电子质量;为电子逸出的初速度。 由上式可知,要使光电子逸出阴极表面的必要条件是h>A。由于不同材料具有不同的逸出 功,因此对每一种阴极材料,入射光都有一个确定的频率限,当入射光的频率低于此频率 限时,不论光强多大,都不会产生光电子发射,此频率限称为“红限”。相应的波长入为 (7.3) 式中,c为光速;A为逸出功。 A 光电管正常工作时,阳极电位高于阴极,如图722所示。在人射光频率大于“红限” 的前提下,从阴极表面逸出的光电子被具有正电位的阳极所吸引,在光电管内形成空间电 子流,称为光电流。此时若光强增大,轰击阴极的光子数增多,单位时间内发射的光电子 数也就增多,光电流变大。在图722所示的电路中,电流I和电阻只RL上的电压降U就和 光强成函数关系,从而实现光电转换
7.2.1 外光电效应器件 7.2.1.1 工作原理 光电管是利用外光电效应制成的光电元件，其外形和结构如图7.2.1所示，半圆筒形金属 片制成的阴极K和位于阴极轴心的金属丝制成的阳极A封装在抽成真空的玻壳内，当入射光 照射在阴极上时，单个光子就把它的全部能量传递给阴极材料中的一个自由电子，从而使 自由电子的能量增加h。当电子获得的能量大于阴极材料的逸出功A时，它就可以克服金属 表面束缚而逸出，形成电子发射。这种电子称为光电子，光电子逸出金属表面后的初始动 能为(1／2)m。 根据能量守恒定律有 (7.2) 式中，m为电子质量；为电子逸出的初速度。 由上式可知，要使光电子逸出阴极表面的必要条件是h>A。由于不同材料具有不同的逸出 功，因此对每一种阴极材料，入射光都有一个确定的频率限，当入射光的频率低于此频率 限时，不论光强多大，都不会产生光电子发射，此频率限称为“红限”。相应的波长λK为 (7.3) 式中，c为光速；A为逸出功。 光电管正常工作时，阳极电位高于阴极，如图7.2.2所示。在人射光频率大于“红限” 的前提下，从阴极表面逸出的光电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电 子流，称为光电流。此时若光强增大，轰击阴极的光子数增多，单位时间内发射的光电子 数也就增多，光电流变大。在图7.2.2所示的电路中，电流IФ和电阻只RL上的电压降U0就和 光强成函数关系，从而实现光电转换。 m h - A 2 1 2 = A hc K =
图721光电管结构示意图 图722光电管测量电路图 阴极材料不同的光电管,具有不同的红限,因此适用于不同的光谱范围。此外,即使入 射光的频率大于红限,并保持其强度不变,但阴极发射的光电子数量还会随入射光频率的 变化而改变,即同一种光电管对不同频率的入射光灵敏度并不相同。光电管的这种光谱特 性,要求人们应当根据检测对象是紫外光、可见光还是红外光去选择阴极材料不同的光电 管,以便获得满意的灵敏度。 由于真空光电管的灵敏度低,因此人们研制了具有放大光电流能力的光电倍增管。图 723是光电倍增管结构示意图。 光电倍增管主要由光阴极K、倍增极D和阳极A组成,并根据要求采用不同性能的玻璃 壳进行真空封装。依据分装方法,可分成端窗式和侧窗式两大类。端窗式光电倍增管的阴 极通常为透射式阴极,通过管壳的端面接受入射光。侧窗式阴极则是通过管壳的侧面接收 入射光,它的阴极通常为反射式阴极
A K I Φ U 0 R L E 图7.2.1 光电管结构示意图 图7.2.2 光电管测量电路图 阴极材料不同的光电管，具有不同的红限，因此适用于不同的光谱范围。此外，即使入 射光的频率大于红限，并保持其强度不变，但阴极发射的光电子数量还会随入射光频率的 变化而改变，即同一种光电管对不同频率的入射光灵敏度并不相同。光电管的这种光谱特 性，要求人们应当根据检测对象是紫外光、可见光还是红外光去选择阴极材料不同的光电 管，以便获得满意的灵敏度。 由于真空光电管的灵敏度低，因此人们研制了具有放大光电流能力的光电倍增管。图 7.2.3是光电倍增管结构示意图。 光电倍增管主要由光阴极K、倍增极D和阳极A组成，并根据要求采用不同性能的玻璃 壳进行真空封装。依据分装方法，可分成端窗式和侧窗式两大类。端窗式光电倍增管的阴 极通常为透射式阴极，通过管壳的端面接受入射光。侧窗式阴极则是通过管壳的侧面接收 入射光，它的阴极通常为反射式阴极
DI D5 D2 D6 图723光电倍增管结构示意图 光阴极的量子效率是一个重要的参数。波长为λ的光辐射入射到光阴极时,一个入射 光子产生的光电子数,定义为光阴极的量子效率。光阴极有很多种,常用的有双碱,S1l 及S20三种。光阴极通常由脱出功较小的锑铯或钠钾锑铯的薄膜组成,光阴极接负高压, 各倍增极的加速电压由直流高压电源经分压电阻分压供给,灵敏检流计或负载电阻接在阳 极A处,当有光子入射到光阴极K上,只要光子的能量大于光阴极材料的脱出功,就会有 电子从阴极的表面逸出而成为光电子。在K和D1之间的电场作用下,光电子被加速后轰击 第一倍增极D1,从而使Dl产生二次电子发射.每一个电子的轰击约可产生3~5个二次电 子,这样就实现了电子数目的放大。D1产生的二次电子被D2和D1之间的电场加速后轰击 D,。这样的过程一直持续到最后一级倍增极Dn,每经过一级倍增极,电子数目便 被放大一次,倍増极的数目有8~13个,最后一级倍增极Dn发射的二次电子被阳极A收集。 若倍增电极有n级,各级的倍增率为6,则光电倍增管的倍增率可以认为是6n,因此,光电 倍增管有极高的灵敏度。在输出电流小于1mA的情况下,它的光电特性在很宽的范围内具 有良好的线性关系。光电倍增管的这个特点,使它多用于微光测量。若将灵敏检流计串接 在阳极回路中,则可直接测量阳极输出电流。若在阳极串接电阻RL作为负载,则可测量 RL两端的电压,此电压正比于阳极电流
Φ D1 D2 D3 D4 D5 D6 A K RL I Φ U0 图7.2.3 光电倍增管结构示意图 光阴极的量子效率是一个重要的参数。波长为λ的光辐射入射到光阴极时，一个入射 光子产生的光电子数，定义为光阴极的量子效率。光阴极有很多种，常用的有双碱，S11 及S20三种。光阴极通常由脱出功较小的锑铯或钠钾锑铯的薄膜组成，光阴极接负高压， 各倍增极的加速电压由直流高压电源经分压电阻分压供给，灵敏检流计或负载电阻接在阳 极A处，当有光子入射到光阴极K上，只要光子的能量大于光阴极材料的脱出功，就会有 电子从阴极的表面逸出而成为光电子。在K和D1之间的电场作用下，光电子被加速后轰击 第一倍增极D1，从而使D1产生二次电子发射．每一个电子的轰击约可产生3～5个二次电 子，这样就实现了电子数目的放大。D1产生的二次电子被D2和D1之间的电场加速后轰击 D2，……。这样的过程一直持续到最后一级倍增极Dn，每经过一级倍增极，电子数目便 被放大一次，倍增极的数目有8～13个，最后一级倍增极Dn发射的二次电子被阳极A收集。 若倍增电极有n级，各级的倍增率为б，则光电倍增管的倍增率可以认为是бn，因此，光电 倍增管有极高的灵敏度。在输出电流小于1mA的情况下，它的光电特性在很宽的范围内具 有良好的线性关系。光电倍增管的这个特点，使它多用于微光测量。若将灵敏检流计串接 在阳极回路中，则可直接测量阳极输出电流。若在阳极串接电阻RL作为负载，则可测量 RL两端的电压，此电压正比于阳极电流
Rr-l nl 1C3 C 图724光电倍增管的基本电路 图725光敏电阻结构示意图及符号 图724所示为光电倍增管的基本电路。各倍增极的电压是用分压电阻R1 R2、Rn获得的,阳极电流流经负载电阻RL得到输出电压U0。当用于测量稳定的辐射 通量时,图中虚线连接的电容C1、C2、…、Cn和输出隔离电容C0都可以省去。这时电路 往往将电源正端接地,并且输出可以直接与放大器输入端连接,从而使它能够响应变化 缓慢的入射光通量。但当入射光通量为脉冲通量时,则应将电源的负端接地,因为光电 倍增管的阴极接地比阳极接地有更低的噪声,此时输岀端应接人隔离电容,同时各倍増 极的并联电容亦应接人,以稳定脉冲工作时的各级工作电压,稳定增益并防止饱和
C1 C2 C3 Cn C Ca +U1 -U RL Rn Rn-1 Rn-2 R1 +U2 Ia i Φ mA IΦ 图7.2.4 光电倍增管的基本电路 图7.2.5 光敏电阻结构示意图及符号 图7.2.4所示为光电倍增管的基本电路。各倍增极的电压是用分压电阻R1、 R2、……Rn获得的，阳极电流流经负载电阻RL得到输出电压U0。当用于测量稳定的辐射 通量时，图中虚线连接的电容C1、C2、…、Cn和输出隔离电容C0都可以省去。这时电路 往往将电源正端接地，并且输出可以直接与放大器输入端连接，从而使它能够响应变化 缓慢的入射光通量。但当入射光通量为脉冲通量时，则应将电源的负端接地，因为光电 倍增管的阴极接地比阳极接地有更低的噪声，此时输出端应接人隔离电容，同时各倍增 极的并联电容亦应接人，以稳定脉冲工作时的各级工作电压，稳定增益并防止饱和