光敏感材料02第八章第二讲

一
（2）杂质光电导
光电导效应
来自杂质能级上电子或空穴的电离引起的光电导 称为杂质光电导。
3、最大相应波长
入射光的光子能量等于或大于该激发过程相应的 能隙 Δ E (禁带宽度或杂质能级到某一能带限的距离)， 也就是光电导有一个最大的响应波长，称为光电导的 长波限λ C
λC = 1.24 / ΔE 单位：λC ：μm ；ΔE：eV
光—电转换特性及材料
光—电 转换特性
光电效应
当光照射到物体上使物体发射电子，或导电率发生变化， 或产生光电动势等，这种因光照而引起物体电学特性的改 变统称为光电效应。
光电效应可归纳为两大类：
外光电效应：物质受到光照后向外发射电子的现象称为。 这种效应多发生于金属和金属氧化物。 内光电效应：物质受到光照后所产生的光电子只在物质的内 部运动而不会逸出物质外部的现象。 包括（1）光电导效应－电导率发生变化； （2）光生伏特效应－产生光电动势。
（2）光电发射第二定律（也叫爱因斯坦定律）
发射出光电子的最大动能随入射光频率的增高而线性地增 大，而与入射光的光强无关。即光电子发射的能量关系符合爱 因斯坦方程：
光—电 转换特性
（3）光电发射第三定律
当光照射某一给定金属或某种物质时，无论光的强度如何， 如果入射光的频率小于这一金属的红限 v o ，就不会产生光电子 发射。显然，在红限处光电子的初速应该为零，因此，金属的 红限为 vo= φo/ h
光敏功能材料及传感器
二、 外光电效应器件
二次电子发射：
当用具有一定能量或速度的电子（或离子等其他粒子） 轰击金属等物质时,也会引起电子从这些物体中发射出来,这 种物理现象称为二次电子发射。
被发射出的电子叫做二次电子,而引起二次电子出现的入射粒子叫做 原粒子。如果在真空中用电子轰击金属表面,那么会发现从金属上发射出 的反电流（二次电子）。在一次电子能量足够大的情况下,与一次电子到 达这一表面的同时,从被轰击面上发出的二次电子数可以达到一个相当大 的数值。 对于相同的二次电子阴极材料和相同的一次电子能量,二次电子数和 一次电子数成正比。=n2/n1，式中， 为二次电子发射系数。它表示一 个一次电子所产生的二次电子数。 二次发射系数取决于一次电子的能量。随着一次电子能量增大, 很 快上升。在一次电子的能量约为400～800eV时达到极大值。继续增加一 次电子的能量,则发生了的下降。在一次电子的能量很大时, 重新降为 较小的数值。金属的发射系数极大值不大，大约在1～1.4的范围内。
硫光电倍增管
插入光电效应4:26——6:20
光敏功能材料及传感器
二、 外光电效应器件
由光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳极三部分组成。
（1）光阴极是由半导体光电材料锑铯做成； （2）次阴极是在镍或铜 -铍的衬底上涂上锑铯材料而形成 的，次阴极多的可达30级； （3）阳极是最后用来收集 光电阴极 阳极 电子的，收集到的电子数是 阴极发射电子数的105～106 倍。即光电倍增管的放大倍 数可达几万倍到几百万倍。 光电倍增管的灵敏度就比普 通光电管高几万倍到几百万 第一倍增极 第三倍增极 倍。因此在很微弱的光照时， 入射光 它就能产生很大的光电流。
Δ n 和Δ p—电子的浓度和空穴浓度增量。 , —电子、空穴的迁移率
n p
一
(2) 光电导的相对值为
光电导效应
n n p p n0 n p 0 p
(3) 实际应用光电导公式
nq 或 pq
n
p
对光电导率有贡献的载流子主要是多数载流子。在 本征半导体中，光激发的电子和空穴数量虽然相等， 但是在复合前，光生少数载流子往往被陷住，对光 电导无贡献。
一
光电导效应
（4）光电发射的瞬时性
光电发射的瞬时性是光电发射的一个重要特性。实验证明， 光电发射的延迟时间不超过 3 × 10-13 s 的数量级。因此，实 际上可以认为光电发射是无惯性的，这就决定了外光电效应器 件具有很高的频响。
二、 外光电效应器件 光电效应的实验规律
规律一
规律二
光电效应具有瞬时性。
光电流的大小与入射光的强度成正比。 单位时间内,从受光照射的电极上释放出来的光电 子数目N与入射光的强度I成正比。
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二、 外光电效应器件
国产 GD-4 型的光电管，阴极是用锑铯材料制成的。其红限 λ0=7000Å，
它对可见光范围的入射光灵敏度比较高，转换效率： 25%~30%。它适用
于白光光源，因而被广泛地应用于各种光电式自动检测仪表中。对红外光 源，常用银氧铯阴极，构成红外传感器。对紫外光源，常用锑铯阴极和镁
光敏功能材料及传感器
置于玻璃管的中央。
二、 外光电效应器件
GD-10型号光电管
光敏功能材料及传感器
二、 外光电效应器件
2、主要性能
光电器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光谱特 性、响应时间、峰值探测率和温度特性来描述。
（1） 光电管的伏安特性
IA/ μA
12
10 120μlm 100μlm 80μlm 60μlm 40μlm 20μlm 50 100 150 200
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二、 外光电效应器件
放大倍数
106
105 104 103 极间电压/V
25
50
75
100 125
光电倍增管的特性曲线
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二、 外光电效应器件
（2）光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度
一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光电倍增管的阴极灵 敏度。而一个光子在阳极上产生的平均电子数叫做光电倍增管的总灵敏 度。 光电倍增管的最大灵敏度可达 10A/lm，极间电压越高，灵敏度越高； 但极间电压也不能太高，太高反而会使阳极电流不稳。 另外，由于光电倍增管的灵敏度很高，所以不能受强光照射，否则 将会损坏。
镉阴极。另外，锑钾钠铯阴极的光谱范围较宽，为3000~8500Å，灵敏度也
较高，与人的视觉光谱特性很接近，是一种新型的光电阴极；但也有些光 电管的光谱特性和人的视觉光谱特性有很大差异，因而在测量和控制技术 中，这些光电管可以担负人眼所不能胜任的工作，如坦克和装甲车的夜视 镜等。
一般充气光电管当入射光频率大于8000Hz时，光电流 将有下降趋势，频率愈高，下降得愈多。
光电倍增管的应用：
由于光电倍增管增益高和响应时间短，又由于它的输 出电流和入射光子数成正比，所以它被广泛使用在天体广 度测量和天体分光光度测量中。 其优点是：测量精度高，可以测量比较暗弱的天体， 还可以测量天体光度的快速变化。天文测光中，应用较 多的是锑铯光阴极的倍增管,如RCA1P21。这种光电倍 增管的极大量子效率在4200埃附近，为20％左右。还有 一种双硷光阴极的光电倍增管,如GDB-53。它的信噪比 的数值较RCA1P21大一个数量级，暗流很低。为了观测 近红外区，常用多硷光阴极和砷化镓阴极的光电倍增管， 后者量子效率最大可达50％。
M 与所加电压有关，M 在105 ～ 108之间，稳定性为1 ％左右，加速电压稳定性要在0.1％以内。如果有波动， 倍增系数也要波动，因此M具有一定的统计涨落。一般阳 极和阴极之间的电压为1000 ～ 2500V，两个相邻的倍增电 极的电位差为50 ～ 100V。对所加电压越稳越好，这样可以 减小统计涨落，从而减小测量误差。
100 75
2 1
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Φ/1m
50
25
曲线1表示氧铯阴极光 电管的光照特性，光电流I 与光通量成线性关系。曲 线2为锑铯阴极的光电管光 照特性，它成非线性关系。 光照特性曲线的斜率（ 光
光电管的光照特性
电流与入射光光通量 之间比 ）称为 光电管的 灵敏度。
光敏功能材料及传感器
光敏功能材料及传感器
二、 外光电效应器件
（二）、光电倍增管及其基本特性
当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只有零 点几 μA ，很不容易探测。这时常用光电倍增管对电流进行放大， 下图为其内部结构示意图。
1. 结构和工作原理
用于ANTEK9000硫氮分 析仪上的硫检测器中， 是检测荧光信号的关键 部件 。
播放视频光电效应
光—电 转换特性
（1）光电发射第一定律（也叫斯托列托夫定律）
当入射光线的频谱成分不变时，光电阴极的饱和光电发射 电流 IK 与被阴极所吸收的光通量Φ K 成正比。即 IK = SK Φ K 式中 SK 为表征光电发射灵敏度的系数。它是用光电探测器进 行光度测量、光电转换的一个最重要的依据。
规律三
当光照射某一金属时,无论光强如何,照射时间多长, 只要入射光的频率ν小于这一物质的红限ν0 (ν<ν0 ) , 就不会产生光电效应。 光电子的最大初动能随入射光的频率 呈线性地 增加,与入射光强度无关。
光敏功能材料及传感器
规律四
二、 外光电效应器件
(一)光电管及其基本特性
1. 结构与工作原理
8
6
4
2 0
在一定的光照射下 ， 对光电器件的阴极所 加电压与阳极所产生 的电流之间的关系称 为光电管的伏安特性 。 光电管的伏安特性 如图所示。它是应用 光电传感器参数的主 要依据。
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光电管的伏安特性
U/V
二、 外光电效应器件
（2）光电管的光照特性
通常指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时， 光通量与光电流之间的关系为光电管的光照特性。其特性 曲线如图所示。 IA/ μA
一
4、数学描述
（1）附加电导率
光电导效应
光照引起半导体电导率的增加量。
：半导体在光照下的电导率
q
0
n


0
q
n