2.4光电发射与光电导探测器件在线视频

好

同学们大家好

我们接着来讲

光探测器

光探测器主要的分为两大类

一种是光电发射

光电导

光伏探测器件

我们把它简称为光电型探测器件

另外一类

是热电偶热电堆

热释电探测器

测辐射热计

我们把它称为热电型探测器

这一节我们先来讲

光电发射

光电导

两种光电型探测器

光探测器

是光电子系统将被探测的光信号

转换为电信号

并将原始信号提取出来的器件

也就是说

它是光电子系统的末端

根据光探测器的工作的机理

可以将其分为

基于光电效应的光电型探测器

和基于光热效应的热电性探测器两大类

光电型探测器

又可分为基于外光电效应的

光电发射探测器

和基于内光电效应的光电导

和光伏探测器

热电型探测器又可分为

基于温差电效应的热电偶及热电堆

基于热释电效应的热释电探测器

和基于辐射热效应的测辐射热计等

我们看这几个产品图

最左边这个是光电倍增管的结构图

它是一种光电型的探测器

中间这个是硅光电的二极管

也是一种光电型的探测器

最右边这个是热电偶

是一种热电型的探测器

我们这两节的目的

就是要搞清楚这些

热电型光电型探测器的工作的机理

结构等等

我们先来看光电发射探测器件

基于光电发射效应的光电探测器

称为光电发射探测器件

主要的包括

光电导

和光电管

和光电倍增管

首先来看一下光电管

光电管是基于

外光电效应的最基本的光电转换器件

包括真空光电管和充气光电管两种

先看一下真空光电管

又叫做电子光电管

它是由封装于真空管内的光电阴极

和阳极构成

所以为啥说它是最基本的

因为它里边是光电阴极和阳极

在真空里面封装

当入射光

穿过光窗照到光阴极上的时候

通过光电发射效应

光电子就会从阴极里面被打出来

到真空中

然后在电场的作用下

光电子就加速向阳极运动

最后被高电位的这个阳极接收

阳极电路中就可以测得光电流

那这个电流的大小

就决定于它的光照的强度

或光阴极灵敏度等因素

我们再看一下

第二种形式叫做充气的光电管

又叫做离子光电管

这和刚刚的区别是

刚才都是真空的这里面是充气的

它是由封装于充气管里的

光电阴极和阳极构成

不同于真空管的是

它光电子在电场中的运动

向阳极运动的时候

与管内充有的这种气体

会发生碰撞

而使这些气体发生电离

所以电离会产生电子

它和原始的光电子一起会被阳极接收

而正离子反向运动被阴极接收

因此

在阳极电路里面

它形成的电流实际上

就比真空光电管的电流要大

因为它里面有电离产生的这些光电子

充气光电管的电极的结构

也与真空光电管不同

它的电极有中心阴极型

半圆柱阴极型

和平板阴极型几类

我们看一下光电管的工作的特性

如这个图所示

第一个图是光电管的伏安特性

它的横轴是电压

纵轴是电流

所以大家从这个图里面可以看到

在确定的光照度下

随着电压的增加

刚开始它的电流有一个激增

到后来

它的电流就趋于一个平衡

这实际上也符合

因为电压大的时候

它已经把光电阴极发射的电子

全部的吸收到了阳极

所以你再增大电压

实际上一定没有用了

然后当光照度增加的时候

当然因为光照度的增加

它打出的电子就会增多

所以大家可以看到

当确定的电压下光照度增加

当然它的电流就会增加

对不对

这个图实际上很好解释

那我们再看一下右边这个图

是光电管的光照特性

就是随着横轴是光照度

纵轴是电流

所以大家可以看到这里画出了两种

一种是1

它是一种近线性的

就是光照度增加它的电流增加

第二种是一种非线性的

刚开始

光照度增加它这个增加电流会

比较快一点

到后来相对比较慢

再看一下光电倍增管

光电倍增管是可以将微弱的光信号

通过光电发射效应转变为电信号

这实际和原来是一样的

但是它的信号相对比较弱

并且利用二次电子发射

来进行电子倍增的一个电真空器件

也就是说它和刚才的光电管的

区别是什么呢

它有二次倍增效果

所以它的灵敏度高

响应快

它可以对比较微弱的信号进行探测

光电倍增管的结构

光电倍增管的结构一般由光窗

光电阴极

这和原来差不多

有电子光学系统

电子倍增系统和阳极

它这主要的区别就是说

它这个倍增系统起到了比较大的作用

这五个部分构成

光窗是入射光的通道

光电阴极的作用是进行光电的转换

电子光学系统的任务有两个

一个是通过适当的设计

使前一级发射出来的电子

尽可能无散失地

落到下一个倍增的电极上

二是前一级各部分发射出来的电子

落到后一级上

所经历的时间尽可能的相同

电子倍增系统

实现这个倍增效果

阳极用来收集

最末一级倍增极发射出来的电子

这就是它五个部分的作用

它具体的结构如下面这个图

大家从这个图里面的可以看到

对吧

入射光照射到光电阴极上打出光电子

那这个光电子再不断地

打到相应的一级一级的倍增电极上

又打出二次电子

所以这个二次电子在不断的增加

最终被阳极接收

所以

从这里大家可以看到它有一个

二次电子倍增的效果

所以它可以对比较弱的光信号

进行检测

这是它的特点

光电倍增管的特性

包括它的光电

伏安和光谱特性

这个图是给出了它的光电特性

可以看到

光照度增加的时候它的电流是增加的

一般来说

我们希望它线性区

当然后面会出现一部分的非线性区

然后它的

伏安特性和我们的光电管

是差不多的

但是大家可以看到它的电流会比较大

因为刚才说的还有倍增

所以这里的电流的量级是毫安

刚才的电流是微安

比这里要小

再看一下它的光谱特性

这里是一种端窗型的

双碱光电倍增管的典型的光谱曲线

为什么叫双碱呢

大家看它那个光电阴极的材料

采取的是锑铷铯

或者锑钾铯

铷铯钾铯

这大家知道都是碱金属

所以叫双碱

就是它的阴极上

它的那个材料由两种

碱金属材料构成的

这里画出了它的阴极灵敏度

和量子效率

大家可以看到它就是在

它的响应的波长

在这里最大的大概是500纳米

所以这些

探测的时候一定要在它的适当的

波长范围内才行

好

我们来看第二种光电导探测器件

基于光电导效应工作的光电探测器

称为光电导探测器件

由于它在光照下它的自身的电阻率变化

所以我们就把它称为光导管

或者光敏电阻

这是它的基本工作的一个原理

就是光照引起它的电阻的变化

或者电导的变化

光电导的元件主要由

二六族的化合物半导体

如硫化镉

碲化镉

硫化铅

等烧结体

和锑化铟

砷化镓等

三五族的化合物

以及Ge:Cu

Ge:Au等四族的半导体材料来构成

它的光电导的基材

它的光电导探测器的特点是什么

一般是薄片的结构

梳状的电极

我们来看这个结构

这是画的硫化镉的光敏电阻的结构

和它的符号等等

这里的12345

这里的1

就是它的光导层

就是光照从哪个窗口

从2

从2照进来

然后是1

光电导使它的电导变化

对不对

然后通过这里的电极

那实际上就可以测得相应的电流

对不对

那它这个电极是什么形式呢

叫做梳状电极

为什么梳状电极大家看这个图

是不是像一个梳子一样

它中间的画的那个线

实际上是那个光电导材料

两边的是电极

电极像梳子一样

长成这样

为什么要长成这样

这是在光电导理论部分

可以进行推导

感兴趣的同学可以参考其它的一些书

或者期待我们下一集

光电子技术的理论部分

来讲解

所以要做成这种梳状电极

主要是要提高它的探测的这样一个效率

这是有理论基础的

那光电导的探测器件的特性

首先看一下它的光谱特性

和刚才一样

不同的材料做的这种探测器

它的光谱的响应的灵敏度

就是说敏感的地方不太一样

大家可以看这个图

它的伏安特性

随着电压的增加它的电流增加

这个大家都很好理解

它的光照特性

随着光照强度的增加

它的电流增加这个都没有问题

然后它的温度特性

就说这个

光电导的温度变化实际上也会引起

它的探测的这个电流的这样一个变化

我们看一下光电导器件的优点

它的光谱的响应比较宽

大家刚才已经看到了它的谱宽相对比较宽

它的工作的电流比较大

可以达到数毫安

它所测的光强范围也比较广

它可以测量强光和弱光它都可以测

它的灵敏度比较高

因为它本身

利用这个梳状电极实际上有一个内增益

这个增益一般大于1

偏置电压低

而且它没有极性

后面我们讲到光伏大家看的是有极性的

而这种它没有极性

使用比较方便

这是它的优点

好

我们做一个总结

我们讲了光电发射的器件

包括光电管和光电倍增管

然后讲到光电导探测器件

下一节我们讲

光探测器里边的光伏探测器件

好

我们这一节就讲到这里

谢谢大家