第四章 真空光电器件

.光电子器件第一章1、光电探测器输出信号电压或电流与单位入射光功率之比，即单位入射光功率作用下探测器输出信号电压或电流称为响应率 .光谱响应率（ Rλ）：光电器件在单色 (在波长λ附近一个很小的波长范围里 ) 辐射功率作用下产生的信号电压或信号电流。

du s di s R R u R i R( )dP dP R m——其中 Rm 为光谱响应率的最大值——光谱电压响应率和光谱电流响应率合并称为光谱响应率Rλ（单位： A/W ）R R(λ )R m 1.0R i1.24光谱响应率及量子效率仅由器件的响应特性所决定，而与光源无关。

2. 器件的光谱响应与光源辐射功率谱密度紧密相关，它们之间的匹配系统α—称为器件与光源的光谱匹配系数，它反映了器件响应的波长范围同光源光谱的吻合程度。

在光源固定的情况下,面积 A1 是不变的 ,如果与曲线重合得愈多,面积 A2 愈大 , α愈大，也就是光谱匹配愈好;反之 ,如果两曲线没有重合之处,α =0,即二者完全失配 ,则该光电器件对光源辐射没有探测能力。

光谱匹配是选择光电子器件,如像管、光电倍增管、红外成像器件的材料的重要依据。

R( )P( )11A2R()P ( )A1A1A23.光电探测器输出的电流或电压在其平均值上下无规则的、随机的起伏，称为噪声。

噪声是物理过程所固有的，人为不可能消除。

它的计算是在足够长时间内求其平方平均或均方根。

.光电探测器的 噪声来源主要 有热噪声、散粒噪声、温度噪声、放大器噪声、频率噪声、复合噪声等。

Pu nPminu s u nR u当输出信号电压等于输出噪声电压均方根值时的探测器的入射辐射功率叫做最小可探测辐射功率，也叫做噪声等效功率 NEP 。

Pmin 越小，器件的探测能力越强。

对 Pmin 取倒数可作为衡量探测器探测能力的参数，称为探测率 。

研究指出 :探测率与器件的面积和工作带宽成反比。

4.光吸收厚度 ：设入射光的强度为I0，入射到样品厚度为 x 处的光强度为 I ，则：I Iexα为线吸收系数，单位为（ 1/cm ）α大时，光吸收主要发生在材料的表层；α小时，光入射得深。

4.1光電陰極一、光電陰極的主要參數1.靈敏度(1)光照靈敏度(2)色光靈敏度(3)光譜靈敏度就是局部光譜區域的積分靈敏度。

它表示在某些特定的波長區，通常用特性已知的濾光片（藍色為QB24、紅色為HB11、紅外為HWB3）插入光路，然後測得的光電流與未插入濾光片時陰極所受光照的光通量之比。

根據插入濾光片的光譜透射比的不同（圖4-1），它又分別稱為藍光靈敏度、紅光靈敏度及紅外靈敏度。

2.量子效率量子效率和光譜靈敏度是一個物理量的兩種表示方法。

它們之間的關係如下(4.1)：式中λ單位為nm；S(λ)為光譜靈敏度，單位為A/W。

3.光譜響應曲線光電陰極的光譜靈敏度或量子效率與入射輻射波長的關係曲線，稱為光譜響應曲線。

真空光電元件中的長波靈敏度極限，主要由光電陰極材料的截止波長決定。

4.熱電子發射光電陰極中有少數電子的熱能大於光電陰極游離能，因而產生熱電子發射。

室溫下典型陰極每秒每平方厘米發射二個數量級的電子，相當於10∼10Acm的電流密度。

這些熱發射電子會引起雜訊，限制著感測器的靈敏度極限。

二、銀氧銫（Ag-O-Cs）光電陰極銀氧銫陰極是最早出現的實用光電陰極。

目前，除了Ⅲ-Ⅴ族的光電陰極外，它仍然是在近紅外區具有使用價值的唯一陰極。

銀氧銫陰極是以Ag為基底，氧化銀為中間層，上面再有一層帶有過剩Cs原子及Ag原子的氧化銫，而表面由Cs原子組成，可用Ag−CsOAgCs-Cs的符號表示，如圖4-2⒜所示。

有一些光電元件也有不用氧化，而是用硫化，或以鹼金屬代替銫原子，目的都是希望得到高的響應率及合適的光譜響應範圍。

Ag-O-Cs光電陰極的光譜響應曲線如圖4-2⒝所示。

銻銫陰極的典型光譜響應曲線如圖4-3所示。

它在可見光的短波區和近紫外區（0.3∼0.45μm）響應度最高，其量子效率可達25%，截止波長在0.65μm附近；它的典型光照靈敏度達60μA/lm，比銀氧銫陰極高得多。

CsSb陰極的熱電子發射（約10A/cm）和疲勞特性均優於銀氧銫陰極，而且製造技術簡單，目前使用比較普遍。

《光电检测技术》教学大纲课程代码：课程中文名：光电检测技术课程英文名：课程类别：专业技术科适用专业：光伏材料应用、光伏发电应用、电子技术等专业课程学时： 48学时课程学分： 3学分一、课程的专业性质、地位和作用（目的）1、性质：必修2、地位：光电检测技术是光学与电子学技术相结合而产生的一门新型检测技术，它是利用电子技术对光学信息进行检测，并进一步传递、存储、控制、计算和显示。

光电检测技术是现代检测技术最重要的手段和方法之一。

3、作用：通过本课程的教学，使学生了解和掌握各种光电器件的结构、工作原理、工作过程、工作特性及其基本的应用，培养学生通过了解器件的性能特点来搭建检测系统的能力，培养学生学习的能力和综合运用知识的能力，培养学生理论联系实际的学风和科学态度，提高学生的分析处理实际问题的能力，为以后的工作和学习打下基础。

二、教学内容、学时分配和教学的基本要求第一章光电检测应用中的基础知识6学时，其中理论教学 6 学时，实践或其他教学0 学时1.1 辐射度学和光度学基本概念1.2 半导体基础知识1.3 基本概念1.4 光电探测器的噪声和特性参数重点:辐射度学和光度学基本概念难点:光电探测器的噪声和特性参数教学要求:本章介绍了光电检测应用中的基础知识，要求学生对基本概念有理解，进而掌握光电探测器的噪声及特性参数第二章光电检测中的常用光源3学时，其中理论教学3学时，实践或其他教学0学时2.1 光源的特性参数2.2 热辐射源2.3 气体放电光源2.4 固体发光光源2.5 激光器重点：光源的特性参数难点：气体、固体发光光源和激光器的工作原理教学要求:本章要求学生掌握各种固体发光的工作原理及其应用第三章结型光电器件 6 学时，理论教学6 学时，实践或其他教学0学时3.1 结型光电器件工作原理3.2 硅光电池3.3 硅光电二极管和硅光电三极管3.4 结型光电器件的放大电路3.5 特殊结型光电二极管3.6 结型光电器件的应用举例——光电耦合器件重点：结型光电器件的工作原理；硅光电池的工作原理及特性；硅光电二极管和硅光电三极管的性能比较难点：结型光电器件的放大电路及应用举例——光电耦合器件教学要求：要求学生掌握硅光电池的工作原理；硅光电二极管和硅光电三极管的性能比较及结型光电器件的放大电路及应用——光电耦合器件第四章光电导器件6学时，其中理论教学 6 学时，实践或其他教学0学时4.1光敏电阻的工作原理4.2 光敏电阻的主要性能参数4.3 光敏电阻的偏置电路和噪声4.4 光敏电阻的特点和应用重点：光敏电阻的工作原理和特性参数难点：光敏电阻的应用教学要求：要求学生掌握光敏电阻的工作原理及性能参数及光敏电阻的应用第五章真空光电器件3学时，其中理论教学3学时，实践或其他教学0学时5.1 光电阴极5.2 光电管与光电倍增管5.3 光电倍增管的主要特性参数5.4 光电倍增管的供电和信号输出电路5.5 微通道板光电倍增管5.6 光电倍增管的应用重点：光电管与光电倍增管的工作原理、特性参数难点：光电倍增管的供电和信号输出电路及应用教学要求：要求学生掌握光电管与光电倍增管的工作原理、特性参数及实际应用第六章真空成像器件3学时，其中理论教学3学时，实践或其他教学0学时6.1像管6.2常见像管6.3摄像管6.4光导靶和存储靶6.5摄像管的特性参数6.6摄像管的发展方向重点：像管与摄像管的工作原理难点：光导靶和存储靶的原理及摄像管的特性参数教学要求：要求学生掌握像管与摄像管的工作原理及特性参数第七章固体成像器6学时，其中理论教学 6 学时，实践或其他教学0学时7.1 电荷耦合器件7.2 电荷耦合器件的分类7.3 CCD摄像机分类7.4 CCD的特性参数7.5 自扫描光电二极管阵列7.6 固体摄像器件的发展现状和应用重点：电荷耦合器件的工作原理；CCD的特性参数难点：自扫描光电二极管阵列教学要求：要求学生掌握CCD固体成像器件的工作原理第八章红外辐射与红外探测器6学时其中理论教学 6 学时，实践或其他教学0学时8.1 红外辐射的基础知识8.2 红外探测器8.3 红外探测器的性能参数及使用中应注意的事项8.4 红外测温8.5 红外成像8.6 红外无损检测8.7 红外探测技术在军事上的应用重点：红外探测器的工作原理、性能参数及使用中应注意的事项难点：红外探测器的具体应用教学要求：要求学生掌握红外辐射的基础知识，并掌握红外探测器的各种具体应用第九章光导纤维与光纤传感器6学时其中理论教学 6 学时，实践或其他教学0学时9.1 光导纤维基础知识9.2 光导纤维的应用9.3 光纤传感器的分类及构成9.4 功能型光纤传感器9.5 非功能型光纤传感器重点：光导纤维的基础知识及功能型光纤传感器的工作原理难点：非功能型光纤传感器的工作原理教学要求：要求学生掌握光导纤维的基础知识，并掌握光纤传感器的工作原理第十章太赫兹波的产生与检测3学时其中理论教学 3 学时，实践或其他教学0学时10.1 概述10.2 THz辐射光谱学10.3 THz辐射成像重点：THz辐射成像的原理难点：THz辐射成像的原理教学要求：要求学生掌握THz辐射成像的原理三、各章节教学课时分配表本课程各部分教学内容计划学时数分配如下：四、课程的考核办法和成绩评定：1、考试 2.笔试（闭卷）3.平时成绩比重：平时成绩（包括考勤、作业、答疑、课堂练习、课外实验、等）占30%4.期末成绩比重:卷面考试占70%。

光电检测考试题第一章光电检测应用中的基础知识1、分别解释光电导效应、光生伏特效应、光电发射效应。

答：（1）光电导效应：当半导体材料受到光照时，由于吸收光子使其中的载流子浓度增大，导致材料的电导率增大。

（2）光生伏特效应：在PN结光伏器件中，当光投向P区时，在近表面层内激发出电子-空穴对，其中电子将扩散到PN 结区并被结电场拉到N区，同时空穴将进入P区，若P层的厚度小于电子的扩散长度，光子也可能穿透P区到达N区，激发出电子-空穴对，这些光生载流子被结电场分离后，空穴流入P区，电子流入N区，在结区两边参生势垒。

（3）光电发射效应：也称外光电效应，就是在光的作用下，物体内部的电子逸出物体表面向外表发射的现象。

2、光电探测器特性参数有哪些。

答：①响应率②光谱响应率③等效噪声率④探测率与比探测率⑤时间常数⑥线性⑦量子效率3、光电探测系统的噪声有哪几类。

答：可分三类：（1）光子噪声：①信号辐射产生的噪声②背景辐射产生的噪声；（2）探测器噪声：①热噪声②散粒噪声③产生-复合噪声④1/f噪声⑤温度噪声；（3）信号放大及处理电路噪声；4、光辐射探测器的几种噪声，并分别解释。

答：①热噪声：载流子热运动引起的电流起伏或电压起伏；②散粒噪声：随机起伏所形成的噪声；③产生-复合噪声：在外加电压下，电导率的起伏使输出电流中出现产生-复合噪声；④1/f噪声：噪声的功率谱近似与频率成反比；⑤温度噪声：由于器件本身温度变化引起的噪声。

5、如何合理选择光电探测器。

答：①根据待测光信号的大小，确定探测器的动态范围；②探测器和光源的光谱匹配；③须知道探测器的等效噪声功率，所产生电信号的信噪比；④测量调制或脉冲光信号时，要考虑探测器的响应时间或频率响应范围；⑤当测量的光信号幅值变化时，探测输出信号线性程度。

除此之外，还需考虑其稳定性、测量精度、测量方式等因素。

6、光电效应分为哪几种，分别解释。

答：光电效应分为内光电效应和外光电效应，内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应。

1、光电效应应按部位不同分为内光电效应和外光电效应，内光电效应包括〔光电导〕和〔光生伏特效应〕。

2、真空光电器件是一种基于〔外光电〕效应的器件，它包括〔光电管〕和〔光电倍增管〕。

结构特点是有一个真空管，其他元件都放在真空管中3、光电导器件是基于半导体材料的〔光电导〕效应制成的，最典型的光电导器件是〔光敏电阻〕。

4、硅光电二极管在反偏置条件下的工作模式为〔光电导〕，在零偏置条件下的工作模式为〔光生伏特模式〕。

5、变象管是一种能把各种〔不可见〕辐射图像转换成为可见光图像的真空光电成像器件。

6、固体成像器件〔CCD〕主要有两大类，一类是电荷耦合器件〔CCD〕，另一类是〔SSPD〕。

CCD电荷转移通道主要有：一是SCCD〔外表沟道电荷耦合器件〕是电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输；二是BCCD称为体内沟道或埋沟道电荷耦合器件，电荷包存储在离半导体外表一定深度的体内，并沿着半导体内一定方向传输7、光电技术室〔光子技术〕和〔电子技术〕相结合而形成的一门技术。

8、场致发光有〔粉末、薄膜和结型三种形态。

9、常用的光电阴极有正电子亲合势光电阴极〔PEA〕和负电子亲合势光电阴极〔NEA〕，正电子亲和势材料光电阴极有哪些〔Ag-O-Cs,单碱锑化物，多碱锑化物〕。

10、根据衬底材料的不同，硅光电二极管可分为〔2DU〕型和〔2CU〕型两种。

11、像增强器是一种能把微弱图像增强到可以使人眼直接观察的真空光电成像器件，因此也称为〔微光管〕。

12、光导纤维简称光纤，光纤有〔纤芯〕、〔包层〕及〔外套〕组成。

13、光源按光波在时间，空间上的相位特征可分为〔相干〕和〔非相干〕光源。

14、光纤的色散有材料色散、〔波导色散〕和〔多模色散〕。

15、光纤面板按传像性能分为〔普通OFP〕、〔变放大率的锥形OFP〕和〔传递倒像的扭像器〕。

16、光纤的数值孔径表达式为，它是光纤的一个基本参数、它反映了光纤的〔集光〕能力，决定了能被传播的光束的半孔径角17、真空光电器件是基于〔外光电〕效应的光电探测器，他的结构特点是有一个〔真空管〕，其他元件都置于〔真空管〕。

真空光电管真空光电管是一种重要的电子元件，它在现代科技中起着重要的作用。

它是一种利用光电效应产生电流的器件，由于其独特的工作原理和特性，被广泛应用于通信、测量、控制等领域。

我们来了解一下真空光电管的结构和原理。

真空光电管由阴极、阳极和控制网格组成。

阴极是发射电子的地方，而阳极则用来收集电子。

控制网格可以用来调节电子的流动。

当光照射到阴极上时，光子会激发阴极上的电子，使其获得足够的能量，从而跨越能隙，逃离阴极并流向阳极，产生电流。

真空光电管的工作原理基于光电效应。

光电效应是指当光照射到金属或半导体表面时，会使金属或半导体中的电子获得足够的能量，从而跨越能隙，逃离原子束缚，形成自由电子。

这些自由电子可以被收集，并用来产生电流。

真空光电管利用了光电效应的这一特性，将光能转化为电能。

真空光电管具有许多优点。

首先，它具有高速响应和高灵敏度。

由于光电子的速度很快，真空光电管可以在极短的时间内响应光信号，并将其转换为电信号。

其次，它具有宽波长范围。

不同类型的真空光电管可以对不同波长的光进行检测和测量。

此外，真空光电管还具有较低的噪声和较高的信噪比，使其在高精度测量和通信系统中得到广泛应用。

在通信领域，真空光电管常用于光通信系统中的光接收器。

光接收器是将光信号转换为电信号的关键元件。

真空光电管通过将光信号转换为电流信号，实现了光与电的转换，从而实现了光信号的传输和接收。

在光纤通信系统中，真空光电管可以高效地接收光信号，并将其转换为电信号，然后通过电缆传输至目标设备。

在测量和控制领域，真空光电管也有着广泛的应用。

例如，在光谱仪中，真空光电管可以用来测量不同波长的光强度，并通过电信号输出结果。

在光电测量中，真空光电管可以用来测量光的强度、能量和频率等参数。

此外，真空光电管还可以用于光控制系统中，通过光信号控制电路的开关和调节。

尽管真空光电管在现代科技中已经被许多新型器件所取代，但它仍然在一些特殊领域中得到广泛应用。