1、光電管
(1) 原理
光電管是利用外光電效應(yīng)制成的光電元件。光電管有真空光電管和充氣光電管或稱電子光電管和離子光電管兩類。兩者結(jié)構(gòu)相似，如圖/1。它們由一個(gè)陰極和一個(gè)陽(yáng)極構(gòu)成，并且密封在一只真空玻璃管內(nèi)。陰極裝在玻璃管內(nèi)壁上，其上涂有光電發(fā)射材料。陽(yáng)極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。
圖 光電管的結(jié)構(gòu)示意圖
(2) 主要性能
光電管器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光譜特性、響應(yīng)時(shí)間、峰值探測(cè)率和溫度特性來(lái)描述。
1. 光電管的伏安特性
在一定的光照射下，對(duì)光電器件的陰極所加電壓與陽(yáng)極所產(chǎn)生的電流之間的關(guān)系稱為光電管的伏安特性。光電管的伏安特性如2圖所示。它是應(yīng)用光電傳感器參數(shù)的主要依據(jù)。
圖2a 真空光電管的伏安特性
圖2b 充氣光電管的伏安特性
2. 光電管的光照特性
通常指當(dāng)光電管的陽(yáng)極和陰極之間所加電壓一定時(shí)，光通量與光電流之間的關(guān)系為光電管的光照特性。其特性曲線如3圖所示。曲線1表示氧銫陰極光電管的光照特性，光電流i與光通量成線性關(guān)系。曲線2為銻銫陰極的光電管光照特性，它成非線性關(guān)系。光照特性曲線的斜率（光電流與入射光光通量之間比）稱為光電管的靈敏度。
圖3 光電管的光照特性
3. 光電管光譜特性
由于光陰極對(duì)光譜有選擇性，因此光電管對(duì)光譜也有選擇性。保持光通量和陰極電壓不變，陽(yáng)極電流與光波長(zhǎng)之間的關(guān)系叫光電管的光譜特性。一般對(duì)于光電陰極材料不同的光電管，它們有不同的紅限頻率，因此它們可用于不同的光譜范圍。除此之外，即使照射在陰極上的入射光的頻率高于紅限頻，并且強(qiáng)度相同，隨著入射光頻率的不同，陰極發(fā)射的光電子的數(shù)量還會(huì)不同，即同一光電管對(duì)于不同頻率的光的靈敏度不同，這就是光電管的光譜特性。所以，對(duì)各種不同波長(zhǎng)區(qū)域的光，應(yīng)選用不同材料的光電陰極。
2、光電倍增管
(1) 原理
當(dāng)入射光很微弱時(shí)，普通光電管產(chǎn)生的光電流很小，只有零點(diǎn)幾μa，很不容易探測(cè)。這時(shí)常用光電倍增管對(duì)電流進(jìn)行放大，/4為光電倍增管內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4 光電倍增管內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖
光電倍增管由光陰極、次陰極(倍增電極)以及陽(yáng)極三部分組成。光陰極是由半導(dǎo)體光電材料銻銫做成；次陰極是在鎳或銅-鈹?shù)囊r底上涂上銻銫材料而形成的，次陰極多的可達(dá)30級(jí)；陽(yáng)極是最后用來(lái)收集電子的，收集到的電子數(shù)是陰極發(fā)射電子數(shù)的倍。即光電倍增管的放大倍數(shù)可達(dá)幾萬(wàn)倍到幾百萬(wàn)倍。光電倍增管的靈敏度就比普通光電管高幾萬(wàn)倍到幾百萬(wàn)倍。因此在很微弱的光照時(shí)，它就能產(chǎn)生很大的光電流。
(2) 主要特性
1. 倍增系數(shù)m
倍增系數(shù)m等于n個(gè)倍增電極的二次電子發(fā)射系數(shù)δ的乘積。m與所加電壓有關(guān)，在之間，穩(wěn)定性為1％左右，此時(shí)要求加速電壓穩(wěn)定性要在0.1％以內(nèi)。
2. 光電陰極靈敏度和光電倍增管總靈敏度
一個(gè)光子在陰極上能夠打出的平均電子數(shù)叫做光電倍增管的陰極靈敏度。而一個(gè)光子在陽(yáng)極上產(chǎn)生的平均電子數(shù)叫做光電倍增管的總靈敏度。光電倍增管的最大靈敏度可達(dá)10a/lm，極間電壓越高，靈敏度越高；但極間電壓也不能太高，太高反而會(huì)使陽(yáng)極電流不穩(wěn)。另外，由于光電倍增管的靈敏度很高，所以不能受強(qiáng)光照射，否則將會(huì)損壞。
3. 暗電流和本底脈沖
一般在使用光電倍增管時(shí)，必須把管子放在暗室里避光使用，使其只對(duì)入射光起作用；但是由于環(huán)境溫度、熱輻射和其它因素的影響，即使沒有光信號(hào)輸入，加上電壓后陽(yáng)極仍有電流，這種電流稱為暗電流，這是熱發(fā)射所致或場(chǎng)致發(fā)射造成的，這種暗電流通?？梢杂醚a(bǔ)償電路消除。如果光電倍增管與閃爍體放在一處，在完全蔽光情況下，出現(xiàn)的電流稱為本底電流，其值大于暗電流。增加的部分是宇宙射線對(duì)閃爍體的照射而使其激發(fā)，被激發(fā)的閃爍體照射在光電倍增管上而造成的，本底電流具有脈沖形式。
4. 光電倍增管的光譜特性
光譜特性反應(yīng)了光電倍增管的陽(yáng)極輸出電流與照射在光電陰極上的光通量之間的函數(shù)關(guān)系。對(duì)于較好的管子，在很寬的光通量范圍之內(nèi)，這個(gè)關(guān)系是線性的，即入射光通量小于lm時(shí)，有較好的線性關(guān)系。光通量大，開始出現(xiàn)非線性，如圖5所示。
圖5光電倍增管的光照特性
2、內(nèi)光電效應(yīng)器件
利用物質(zhì)在光的照射下電導(dǎo)性能改變或產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的光電器件稱內(nèi)光電效應(yīng)器件，常見的有光敏電阻、光電池、光敏二極管和光敏三極管等。
2.1 光敏電阻
光敏電阻又稱光導(dǎo)管，為純電阻元件，其工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)，其阻值隨光照增強(qiáng)而減小。其優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，光譜響應(yīng)范圍寬，體積小、重量輕、機(jī)械強(qiáng)度高，耐沖擊、耐振動(dòng)、抗過(guò)載能力強(qiáng)和壽命長(zhǎng)等。不足有需要外部電源，有電流時(shí)會(huì)發(fā)熱。
2.2 光電池
光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的器件。由于它可把太陽(yáng)能直接變電能，因此又稱為太陽(yáng)能電池。它是基于光生伏特效應(yīng)制成的，是發(fā)電式有源元件。它有較大面積的pn結(jié)，當(dāng)光照射在pn結(jié)上時(shí)，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動(dòng)勢(shì)。
2.3 光敏二極管和光敏三極管
光電二極管和光電池一樣，其基本結(jié)構(gòu)也是一個(gè)pn結(jié)。它和光電池相比，重要的不同點(diǎn)是結(jié)面積小，因此它的頻率特性特別好。光生電勢(shì)與光電池相同，但輸出電流普遍比光電池小，一般為幾μa到幾十μa。按材料分，光電二極管有硅、砷化鎵、銻化銦光電二極管等許多種。按結(jié)構(gòu)分，有同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)之分。其中最典型的是同質(zhì)結(jié)硅光電二極管。國(guó)產(chǎn)硅光電二極管按襯底材料的導(dǎo)電類型不同，分為2cu和2du兩種系列。2cu系列以n-si為襯底，2du系列以p-si為襯底。2cu系列的光電二極管只有兩條引線，而2du系列光電二極管有三條引線。