光电倍增光敏电阻.pptx
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1、光电子技术研究所 逐逐级级倍倍增增使使电电子子数数目目大大量量增增加加,被被阳阳极极收收集集形形成成阳阳极极电电流流。当当光光信信号号变变化化时时,阴阴极极发发射射的的光光电电子子数数目目发发生生相相应应变变化化由由于于各各倍倍增增极极的的倍倍增增因因子子基基本本上上是是常常数数阳阳极电流随光信号而变化极电流随光信号而变化阴极在光照下发射光电子,光电子阴极在光照下发射光电子,光电子被极间电场加速聚焦,轰击倍增极,被极间电场加速聚焦,轰击倍增极,倍增极在高速电子轰击下产生更多倍增极在高速电子轰击下产生更多的电子,电子数目增大若干倍。的电子,电子数目增大若干倍。光电子技术研究所 光光电电倍倍增增管
2、管的的性性能能主主要要由由光光阴阴极极和倍增极以及极间电压决定。和倍增极以及极间电压决定。负负电电子子亲亲合合势势材材料料是是目目前前最最好好的的光阴极材料:光阴极材料:二二次次电电子子发发射射特特性性用用二二次次发发射射系系数来描述,即数来描述,即光电子技术研究所 可对微弱光线进行放大,可对微弱光线进行放大,可使光电流放大可使光电流放大10105 510108 8 倍,倍,灵敏度高,用在工程、天文、灵敏度高,用在工程、天文、科研、军事等方面。科研、军事等方面。光电子技术研究所 如果倍增极的总级数为如果倍增极的总级数为n n,且各级性且各级性能相同,考虑到电子的传输损失,能相同,考虑到电子的传
3、输损失,则光电倍增管的电流增益为则光电倍增管的电流增益为M M M=IA/Ik=f(g)n良好的电子光学设计可良好的电子光学设计可使使f f、g g值在值在0 09 9以上。以上。光电子技术研究所 例例如如,锑锑化化铯铯材材料料,0 02V2V0.70.7,银镁合金的银镁合金的VV4040,V(V(伏特伏特)若若取取n n1010,则则前前面面的的电电流流增增益益为为M M1010(0(02)2)l0l0V V7 7,后者的后者的 M M(V(V40)40)1010。理论和实验表明,倍增极的电流增益理论和实验表明,倍增极的电流增益值主要取决于倍增极材料和极间电压,值主要取决于倍增极材料和极间电
4、压,可见,材料一定,总电流增益与极间电压的关可见,材料一定,总电流增益与极间电压的关系十分密切,工作电压微小变化将使系十分密切,工作电压微小变化将使M值有明值有明显的波动,这将使光电倍增管的工作不稳定。显的波动,这将使光电倍增管的工作不稳定。光电子技术研究所 但过多的倍增级数将使光电倍但过多的倍增级数将使光电倍增管的管长加长,体积加大,增管的管长加长,体积加大,同时还将使电子渡越效应变得同时还将使电子渡越效应变得严重,影响严重,影响光电倍增管的频率光电倍增管的频率特性和噪声性能特性和噪声性能。M=IA/Ik=f(g)n从上述讨论可知,从上述讨论可知,n n和和愈大,愈大,M M值值就愈高。就愈
5、高。光电子技术研究所 通通常常值值为为3 3-6 6,n n取取9 9-1414级级,M M为为10105 5-10107 7。负负电电子子亲亲合合势势打打拿拿极极的的值值可可高高达达2020-2525,这这可可使使级级数数n n大为减少又可得到良好的频率特性。大为减少又可得到良好的频率特性。综合上述诸因素,一般选用较大的综合上述诸因素,一般选用较大的值和较少的级数。值和较少的级数。实验发现,随着工作电压增大,实验发现,随着工作电压增大,趋于一最大饱和值,趋于一最大饱和值,过此值后电压过此值后电压V再增大时再增大时反而变小。反而变小。光电子技术研究所 因因为为倍倍增增作作用用,最最后后三三级级
6、倍倍增增极极的的电电流流较较大大。在在脉脉冲冲信信号号情情况况下下,将将突突然然使使这这几几级级极极间间电电压压下下降降,造造成成空空间间电电荷荷堆堆积积,反反而而使使阳阳极极电电流流下下降降。所所以以在在脉脉冲冲光光信信号号的的情情况况下下,必必须须采采用用稳稳压压电电容容C1,C2,C3来防止这几级极间电压的突变。来防止这几级极间电压的突变。它适用于高速光脉它适用于高速光脉冲或强度调制的激冲或强度调制的激光信号的探测,若光信号的探测,若光信号为平稳的连光信号为平稳的连续光波则图中的续光波则图中的电容电容C1,C2,C3可以不用。可以不用。光电子技术研究所 它们分别取值为它们分别取值为C C
7、3 3 100i100iA A/V/Vn+1n+1 C C2 2 C C3 3/n n C C1 1 C C2 2/n-1n-1由于阴极到第一打拿极之间,电子的聚由于阴极到第一打拿极之间,电子的聚焦、收集的好坏对阳极电流的影响最大,焦、收集的好坏对阳极电流的影响最大,故其极间电压故其极间电压V比其它倍增极的极间电比其它倍增极的极间电压要取得高些,即分压电阻要取得大些,压要取得高些,即分压电阻要取得大些,中间各倍增极一般均匀分压。末级极间电中间各倍增极一般均匀分压。末级极间电压压Vn+1般取得低些,即般取得低些,即Rn+1,值取得小值取得小些。些。(Rn的量级为的量级为100500千欧姆千欧姆)
8、。i iA A为阳极电流为阳极电流是脉冲信号的脉是脉冲信号的脉宽,宽,v vn+ln+l为末级电为末级电压,压,n n和和n n1 1分分别为第别为第n n级和级和n nl l级打拿极的二次级打拿极的二次电子发射系数电子发射系数光电子技术研究所 正高压正高压负高压负高压供电方式供电方式 负负高高压压供供电电方方式式是是指指电电源源正正极极接接地地,使使阳阳极极输输出出直直接接接入放大器输入端而无需隔直流电容。接入放大器输入端而无需隔直流电容。优优点点是是便便于于用用直直流流法法测测量量阳阳极极输输出出电电流流,能能响响应应变变化化非常缓慢的光信号。非常缓慢的光信号。缺点是地处于高电位,易受外界
9、电磁干扰,噪声大。缺点是地处于高电位,易受外界电磁干扰,噪声大。光电子技术研究所 正高压供电方式是指电源负极接地。这时阳极输出必正高压供电方式是指电源负极接地。这时阳极输出必须经过一耐高压低噪声的隔直流电容接入放大器输入须经过一耐高压低噪声的隔直流电容接入放大器输入端。由于阴极电位与地电位接近,因而暗电流小,噪端。由于阴极电位与地电位接近,因而暗电流小,噪声低,适用于低噪声要求严格的光脉冲信号探测。声低,适用于低噪声要求严格的光脉冲信号探测。光电子技术研究所 光光电电倍倍增增管管的的光光电电特特性性曲曲线线在在相相当当宽宽的的范范围围内内为直线。如图为直线。如图(a)所示。所示。当光功率接近当
10、光功率接近20微瓦时,微瓦时,特性曲线开始偏离直线,特性曲线开始偏离直线,出现饱和效应。出现饱和效应。原因是最后几级打拿极原因是最后几级打拿极的疲劳和电荷积累效应,的疲劳和电荷积累效应,使增益系数大大降低。使增益系数大大降低。光电子技术研究所 倍倍增增管管的的显显著著特特点点是是适适于于微弱光信号的探测。微弱光信号的探测。在使用时要切忌过度光照。在使用时要切忌过度光照。由由于于光光电电子子从从阴阴极极到到阳阳极极要要渡渡越越较较长长的的距距离离,所所以以在在使使用用时时对对光光电电倍倍增增管管进进行行良良好好的的电电磁磁屏屏蔽蔽也也是是十十分重要的分重要的.光光电电倍倍增增管管的的伏伏安安特特
11、性性曲曲线线与与真真空空光光电电管管的的伏伏安安特特性十分相似。性十分相似。光电子技术研究所 在在一一些些弱弱光光直直流流测测量量中中,信信号号电电流流小小到到与与暗暗电电流流可可以以比比拟拟的的程程度度,这这时时在在阳阳极极输输出出电电路路中中,可可采采用用暗电流补偿的方法。暗电流补偿的方法。图图(a)是一种最简单的补偿电路。是一种最简单的补偿电路。在检流计上并联可变电阻且与电在检流计上并联可变电阻且与电池串联的支路,调节可变电阻,池串联的支路,调节可变电阻,产生一个反方向的电流。正好抵产生一个反方向的电流。正好抵消暗电流,即所谓调零。经补偿消暗电流,即所谓调零。经补偿之后,测出的就是信号电
12、流。之后,测出的就是信号电流。由于暗电流经常变化,所以使用由于暗电流经常变化,所以使用时要随时调零。时要随时调零。光电子技术研究所 光电倍增管的响应频率为光电倍增管的响应频率为上式,可见,为获得足够上式,可见,为获得足够宽的频率响应,必须降低宽的频率响应,必须降低负载电阻负载电阻R RL L,并相应地提高并相应地提高管子增益,保证有足够的管子增益,保证有足够的信号输出幅度。信号输出幅度。对于交流信号和脉冲信号,阳极对对于交流信号和脉冲信号,阳极对地电容不可忽略,它已是输出电路地电容不可忽略,它已是输出电路的组成部分。的组成部分。输出电路及其等效电路,如图输出电路及其等效电路,如图(b)所示。其
13、中所示。其中Ca正是阳极对其他所有正是阳极对其他所有电极的电容、引线寄生电容、后继电极的电容、引线寄生电容、后继电子线路输入电容三者之和。输出电子线路输入电容三者之和。输出电路的时间常数电路的时间常数 cRLCa。光电子技术研究所 光电子技术研究所 光电倍增管的噪声特性。光电倍增管的噪声特性。因因为为是是一一个个非非常常灵灵敏敏的的微微弱弱信信号号探探测测器器,它的噪声特性很重要。它的噪声特性很重要。对电磁屏蔽良好的光电倍增对电磁屏蔽良好的光电倍增管来说,其噪声主要来源是管来说,其噪声主要来源是暗电流、光信号电流、背景暗电流、光信号电流、背景光电流以及负载电阻的热噪光电流以及负载电阻的热噪声。
14、如果光信号变化缓慢,声。如果光信号变化缓慢,还应考虑还应考虑1/f 噪声。噪声。光阴极的热电子发射所产生的光阴极的热电子发射所产生的暗电流暗电流iT的大小由理查逊的大小由理查逊(Richardson)方程决定,即方程决定,即光电子技术研究所 式中式中 为光阴级量子效率,为光阴级量子效率,Ps和和Pb为信号和为信号和背景光功率。背景光功率。决定的散粒噪声为决定的散粒噪声为光电流光电流ik为为所以总电流所以总电流iA为为光电子技术研究所 所以光电倍增管的总噪声为所以光电倍增管的总噪声为另外,负载电阻另外,负载电阻RL有热噪声有热噪声光电子技术研究所 在在光光照照下下会会改改变变自自身身的的电电阻阻
15、率率,光光照照愈愈强强,器件电阻愈小器件电阻愈小光敏电阻。光敏电阻。光电导探测器光电导探测器本征型光敏电阻本征型光敏电阻:可见光和近红外辐射探测可见光和近红外辐射探测非本征型光敏电阻:必须在低温下工作中、远非本征型光敏电阻:必须在低温下工作中、远 红外辐射探测。红外辐射探测。由于光敏电阻没有极性,可把它当作阻值随光由于光敏电阻没有极性,可把它当作阻值随光照强度变化而变化的可变电阻来对待照强度变化而变化的可变电阻来对待。光电子技术研究所 光光电电导导探探测测器器的的光光谱谱响响应应,主主要要由由材料和工艺过程决定。材料和工艺过程决定。CdS、CdSe和和PbS三种光敏电阻的光谱响应特性曲线三种光
16、敏电阻的光谱响应特性曲线光电子技术研究所 光电导材料的响应截止波长和工作温度光电导材料的响应截止波长和工作温度光电子技术研究所 利利用用半半导导体体材材料料的的掺掺杂杂以以及及用用两两种种半半导导体体材材料料按按一一定定比比例例混混合合并并烧烧结结形形成成固固溶溶体体的的技技术术,可可使使光光敏敏电电阻阻的的光光谱谱响响应应范范围围、峰峰值值响响应应波波长长获获得一定程度的改善。得一定程度的改善。在在一一定定的的偏偏压压条条件件下下,光光敏敏电电阻阻的的光光照照特特性性呈呈非线性关系,回路电流有非线性关系,回路电流有光电子技术研究所 式式中中u是是光光敏敏电电阻阻两两端端的的电电压压,见见图图
17、所所示示,、k均均为为常常数数。K与与器器件件的的材材料料、尺尺寸寸、形形状状以以及及载载流流子子寿寿命命有有关关,值值一一般般在在1.01.2之之间间,值值约约在在0.51.0之之间间.在在低低偏偏压压(几几伏伏到到几几十十伏伏)、弱弱光光照照(101103勒勒克克斯斯)条条件件下下,通通常常取取 =1,=1。于于是是上上式式变为变为这样无论是光照特性(这样无论是光照特性(I-P关系)还是伏安特关系)还是伏安特性(性(iu关系)都认为是线性特性。关系)都认为是线性特性。CdS的光的光照特性如图所示,可见有明显的非线性。照特性如图所示,可见有明显的非线性。光电子技术研究所 光光敏敏电电阻阻的的
18、暗暗电电阻阻在在10兆兆欧欧以以上上,光光照照后后电电阻阻值值显显著著降降低低,亮亮阻阻和和暗暗阻阻之之比比在在102-l06。这这一一比比值值越越小小光光敏敏电电阻阻的的灵灵敏敏度度越越高高,光光敏敏电电阻阻是是具具有有电电流内增益的探测器内增益流内增益的探测器内增益M为为式中可见,为了得到较大的电流增式中可见,为了得到较大的电流增益益M,总是设法减小极间距离总是设法减小极间距离L。M=nV/L2n为电子的迁移率。为电子的迁移率。V为为外加偏压,外加偏压,为电子的平为电子的平均寿命。均寿命。L是半导体在外是半导体在外加电压方向的长度。加电压方向的长度。光电子技术研究所 光光电电导导探探测测器
19、器的的实实际际结结构构,如如图图所所示示。掺掺杂杂半半导导体体薄薄膜膜淀淀积积在在绝绝缘缘基基底底上上,然然后后在在薄薄膜膜面面上上蒸蒸镀镀金金或或铜铜等等金金属属,形形成成梳梳状状电电极极结结构构。这这种种结结构构使使得得间间距距很很近近(即即L小小,M大大)的的电电极极之之间间,具具有有较较大大的的光光敏敏面面积积,从而获得高的灵敏度。从而获得高的灵敏度。为为防防止止潮潮湿湿对对灵灵敏敏度度的的影影响响,整整个个管管子子采采用用密密封结构。封结构。由由图图可可知知,光光敏敏电电阻阻两两端端电电压压u为为 u=ViRL=iRg光电子技术研究所 由由负负载载电电阻阻R RL L决决定定的的负负
20、载载线线为为图图上上的的NTNT直直线线。R Rg g为为P PO O光光照照时时的的亮亮电电阻阻,当当光光照照发发生生变变化化时时,R Rg g变为变为 R Rg g+R Rg g,电流变化电流变化式中负号表示光照增大时,式中负号表示光照增大时,Rg减小减小(0,增大。增大。光电子技术研究所 电流的变化,将引起电压电流的变化,将引起电压u的变化,即有的变化,即有由上式可见,输出电压由上式可见,输出电压u并不随负载电阻线并不随负载电阻线性变化,性变化,要使要使u最大的条件为最大的条件为 RL=RgRg是工作点是工作点Q处的亮电阻。这种状态称匹配工处的亮电阻。这种状态称匹配工作状态。显然,当入射
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