第6章 光电发射器件 6.1节
2.倍增极 ⑴ 倍增极材料的发射系数 倍增极用于将以一定动能入射来的电子增大δ 倍。即倍增
极将入射电子数N 1的电子以电子数为N 2的二次电子发射出去，
其中， N 2 =δ N 1。δ ＞1，称其为倍增极材料的发射系数。
倍增极发射二次电子的过程由高能电子的激发材料产生电
子发射，而不是光子激发所致。
⑵ 常用的倍增极材料
锑化铯（CsSb） 氧化的银镁合金 负电子亲合势材料 铜-铍合金
⑶ 倍增极结构
(a) 百叶窗倍增极结构
(b) 盒栅倍增极结构
(c) 瓦片静电聚焦结构
(d) 圆形鼠笼结构
图6-3 光电倍增管倍增极的结构
3.光电倍增管的基本原理
图6-4 光电倍增管工作原理示意图
6.2 光电管与光电倍增管的工作原理
6.2.1 光电管的原理 光电管分为
真空型光电管--管内常被抽成真空；
充气型光电管--在管壳内也充入某些低气压惰性气体。
光电管主要组成
光电阳极—正极 光电阴极—负极
图6-2 光电管原理电路
⑴ 真空型光电管的工作原理 当入射光透过真空型光电管的入射窗照射到光电阴极面上 时，光电子就从阴极发射出去，在阴极和阳极之间形成的电场 作用下，光电子在极间作加速运动，被高电位的阳极收集，其 光电流的大小主要由阴极灵敏度和入射辐射的强度决定。 ⑵ 充气型光电管的工作原理 光照产生的光电子在电场的作用下向阳极运动，由于途中 与惰性气体原子碰撞使其发生电离，电离过程产生新的电子， 它与光电子一起都被阳极收集，正离子向反方向运动被阴极接 收，形成数倍于真空型光电管的光电流 。
图6-1 几种光电发射阴极材料的光谱响应曲线
4.暗电流
光电发射阴极的暗电流与材料的光电发射阈值Eth有关。一
般光电发射阴极的暗电流极低，其强度相当于10-16~10-18Acm-2 的电流密度。 6.1.2 光电阴极材料 按光电发射材料种类区分，光电阴极基本上有 单碱与多碱锑化物光电阴极 银氧铯和铋银氧铯光电阴极 紫外光电阴极 Ⅲ~Ⅴ族元素的光电阴极
量纲为mA/lm。
2.量子效率 定义：在单色辐射作用于光电阴极时，光电发射阴极单位时 间发射出去的光电子数Ne,λ 与入射的光子数之比，为光电阴极 的量子效率η
λ
（或称量子产额）。即
量子效率和光谱灵敏度是一个物理量的两种表示方法。它 们之间的关系为 （6-1）
3.光谱响应 光电发射阴极的 光谱灵敏度或量子效 率与入射辐射波长的 关系曲线称为光谱响 应。
Se,λ = I K /Φ e,λ
其量纲为µ A/W或A/W。
⑵ 积分灵敏度
定义：在某波长范围内的积分辐射作用于光电阴极时，光 电阴极输出电流I k与入射辐射通量Φ e之比，称为光电阴极的
积分灵敏度Se。即
量纲为mA/W或A/W。
白光灵敏度Sv—在可见光波长范围内的“白光”作用于光电
ห้องสมุดไป่ตู้
阴极时，光电阴极电流Ik与入射光通量Φ v之比。即
6.1 光电发射阴极
光电发射阴极是是吸收光子能量发射光电子的部件。
6.1.1 光电发射阴极的主要参数
1.灵敏度
光电发射阴极的灵敏度应包括光谱灵敏度与积分灵敏度。
⑴ 光谱灵敏度 定义：在单色（单一波长）辐射作用于光电阴极时，光电 阴极输出电流Ik与单色辐射通量Φ e,λ 之比，为光电阴极的光谱 灵敏度Se,λ 。即
6.2.2 光电倍增管的原理和结构 光电倍增管（Photo-multiple tube，简称为PMT）组成 光入射窗 倍增极 光电阴极 阳极 电子光学系统
1.PMT的入射窗结构
光电倍增管通常有
端窗式—光通过管壳的端面入射到端面内侧光电阴极面
侧窗式—光通过玻璃管壳的侧面入射到安装在管壳内的 光电阴极面上 窗口玻璃的不同，直接影响光电倍增管光谱响应短波限。
《光电发射器》课件
04
光电发射器的设计与优化
光源的选择与设计
总结词
光源的选择与设计是光电发射器性能的关键因素之一，直接影响到光电发射器的输出功 率、光束质量、稳定性等。
详细描述
在光源的选择上，需要根据光电发射器的应用需求和工作环境，选择合适的光谱范围、 功率、寿命等参数的光源。同时，还需要考虑光源的稳定性、抗干扰能力等因素。在光 源的设计上，需要采用先进的光学设计理论和技术，优化光源的光束质量、光强分布等
光电发射器的分类与特点
分类
根据光敏材料的种类，光电发射器可 分为硅基光电发射器、锗基光电发射 器、化合物半导体光电发射器等。
特点
光电发射器具有高灵敏度、快速响应 、低噪声等优点，广泛应用于光通信 、光检测、光传感等领域。
光电发射器的应用领域
光通信
光电发射器作为光信号发射端， 可将高速数字信号转换为光信号 ，实现高速、大容量信息传输。
光检测
光电发射器可用于各种光检测系统 中，如光谱分析、光学干涉、光学 成像等，提高检测精度和灵敏度。
光传感Байду номын сангаас
光电发射器可用于环境光传感、生 物传感等领域，实现非接触式测量 和实时监控。
02
光电发射器的基本结构
光源
01
02
03
光源类型
包括LED、激光、氙灯等 ，根据应用需求选择合适 的光源。
光谱特性
《光电发射器》课件
目录
• 光电发射器概述 • 光电发射器的基本结构 • 光电发射器的性能参数 • 光电发射器的设计与优化 • 光电发射器的应用实例
01
光电发射器概述
光电发射器的定义与工作原理
定义
光电发射器是一种能够将光信号 转换为电信号的器件，通常由光 敏材料和电路组成。
光电发射器件的原理和应用
光电发射器件的原理和应用1. 引言光电发射器件是一类能够将光能转换为电能的器件，在光通信、光电探测、太阳能电池等领域有着广泛的应用。
本文将介绍光电发射器件的原理和具体的应用。
2. 光电发射器件的原理光电发射器件主要基于光电效应原理工作。
光电效应是指当光照射到物质表面时，会使物质产生电子或电子空穴对的解离。
在光电发射器件中，通常采用半导体材料作为光电转换材料。
2.1 光电效应光电效应是由爱因斯坦提出的，他认为光是由光子组成的，而光子具有能量和动量。
当光子碰撞到物质表面时，如果其能量大于物质表面电子的结合能，光子就会将电子激发出来，产生电流。
这种现象就是光电效应。
光电发射器件利用这一原理将光能转换为电能。
2.2 光电发射器件的结构光电发射器件通常由光电转换材料、电极和其他必要的组件构成。
光电转换材料的选择主要考虑其能带结构和光学特性。
电极的设计和界面优化能够提高光电发射器件的效率和稳定性。
3. 光电发射器件的应用光电发射器件在各个领域都有着广泛的应用。
下面列举了一些常见的应用。
3.1 光通信光通信是指利用光作为传输介质进行信息传输的技术。
光电发射器件扮演着重要的角色，将电信号转换为光信号并进行传输。
光电发射器件的性能直接影响到光通信系统的传输速率和传输距离。
3.2 光电探测光电探测应用广泛，包括红外线探测、紫外线探测、光谱分析等。
光电发射器件能够将光信号转换为电信号，提供给其他电路进行分析或处理。
3.3 太阳能电池太阳能电池利用光电效应将太阳光转换为电能。
其中的光电发射器件起到关键的作用，将光能转化为电能。
太阳能电池的应用范围广泛，包括太阳能发电、无线传感器等领域。
3.4 其他应用除了以上应用外，光电发射器件还广泛应用于光学传感、光学成像、激光器、光伏发电等领域。
4. 总结光电发射器件是一类能够将光能转换为电能的器件，主要基于光电效应原理工作。
它在光通信、光电探测、太阳能电池等领域有着广泛的应用。
随着技术的不断进步，光电发射器件的性能将会继续提升，为各个领域的应用带来更多可能性。
光电式传感器 光电效应及常用的光电元件 光电发射效应及典型器件
3. 光电倍增管
光电倍增管外形
➢光电倍增管由光阴极、倍增极、阳极组成，其中倍增极通常为12-14级，多的可达 30级。倍增极能在电子轰击下发射出更多“次级电子”，可将阴极的光电流放大几万 至几百万倍，故其灵敏度要比普通光电管高得多。
3. 光电倍增管
光电倍增管工作原理图
当光照射到光阴极时，光阴极向真空中激发出光电子。这些光电子按聚焦极电场 进入倍增系统，并利用二次电子释放效应得到倍增放大，最后把放大后的电子用阳极 收集作为信号输出。
2. 光电管
光电管外形
课程内容
1 . 光电发射效应 2. 光电管 3. 光电倍增管
3. 光电倍增管 ➢光电倍增管（photomultiplier）建立在外光电效应、二次电子发射和电子光学理论 基础上，结合了高增益、低噪声、高频率响应和大信号接收区等特征，是一种具有极 高灵敏度和超快时间响应的光敏电真空器件。
课程内容
1 . 光电发射效应 2. 光电管 3. 光电倍增管
2. 光电管
➢ 光电管是（phototube）基于外光电效应的基本光电转换器件。 ➢光电管分为真空光电管和充气光电管。 ➢光电管的典型结构是将球形玻璃壳抽成真空，在内半球面上涂一层光电材料作为阴极，球心 放置小球形或小环形金属作为阳极。若球内充低压惰性气体就成为充气光电管。光电子在飞向 阳极的过程中与气体分子碰撞而使气体电离，可增加光电管的灵敏度。 ➢光电管灵敏度低、体积大、易破损，已被固体光电器件所代替。
4.1.2 光电发射效应及典型器件
课程内容
1 . 光电发射效应 2. 光电管 3. 光电倍增管
教案1061 光电效应及光电器件PPT课件
§6.1光电效应及光电器件
光电效应是物理学中一个重要而神奇的现象， 在光的照射下，某些物质内部的电子会被光子激 发出来而形成电流，即光生电 。光电现象由德国 物理学家赫兹于1887年发现，而正确的解释为爱 因斯坦所提出。
d．从实验知道，产生光电流的过程非常快， 一般不超过10的-9次方秒；停止用光照射，光电 流也就立即停止。这表明，光电效应是瞬时的。
§6.1光电效应及光电器件
基于外光电效应的电子元件有光电管、光电倍 增管。光电倍增管能将一次次闪光转换成一个个 放大了的电脉冲，然后送到电子线路去，记录下 来。
§6.1光电效应及光电器件
然（天然）光源和人造光源。如：太阳、电灯、燃 烧着的蜡烛等都是光源。光也有能量。
光电式传感器中的光源可采用白炽灯、激光器、 发光二极管及能发射可见光谱、紫外线光谱和红外 光谱的其他器件。
§6.1光电效应及光电器件
2.光学通路 光学通路中常用的光学器件有：透镜、滤光
片、光阑、棱镜、反射镜、光栅等，主要是对光 参数进行选择、调整和处理。被测信号可以通过 以下两种作用途径转换成光器件的入射光通量的 变化：
§6.1光电效应及光电器件
光伏发电，其基本原理就是“光伏效应”。 太阳能专家的任务就是要完成制造电压的工作。 因为要制造电压，所以完成光电转化的太阳能电 池是阳光发电的关键。
简单来说就是在光作用下能使物体产生一定 方向电动势的现象。基于该效应的器件有光电池 和光敏二极管、三极管。
§6.1光电效应及光电器件
§6.1光电效应及光电器件
4．测量电路 测量电路的功能：把光电器件输出电信号转换 成后续可用的信号。 一般情况下，光电器件的输出电信号较小，需 设定放大器。
《光电材料与器件》课程教学大纲
《光电材料与器件》课程教学大纲一、课程名称（中英文）中文名称：光电材料与器件英文名称：Optoelectronics Materials and Devices二、课程代码及性质专业选修课程三、学时与学分总学时：32学分：2四、先修课程无五、授课对象材料及材料加工类专业本科生六、课程教学目的（对学生知识、能力、素质培养的贡献和作用）【注：教学目的要突出各项“能力”，且与表1中的某项指标点相对应】本课程是功能材料专业的选修课之一，其教学目的包括：1、掌握激光的产生机制，光纤的传导机制以及熟悉光调制的基本原理。
2、理解光电技术在信息传输，光探测以及光伏等领域的应用原理。
3、能够关注和了解光电材料与技术在日常生活中的应用。
掌握文献检索、资料查询、现代网络搜索工具的使用方法。
能够应用现代工具撰写报告、设计文稿、陈述发言、清晰表达或回应指令。
七、教学重点与难点：课程重点：（1）光电材料的工作原理和应用。
本课程重点介绍针对半导体材料的电学性能和其在激光领域的应用。
（2）在了解半导体材料相关物理理论知识的基础上，重点学习基于半导体的光电器件的种类、应用和影响性能的因素等。
（3）重点学习的章节内容包括：第2章“激光”（6学时）、第3章“波导”（6学时）、第5章“光探测器”（4学时）。
课程难点：（1）通过本课程的学习，充分理解基于半导体材料的激光基本原理，激光器的基本构造以及应用范围。
（2）通过对光电材料及其光电器件的学习，了解影响光电材料与器件性能的因素和改进策略，从而具备设计和改进光电器件响应性能的能力。
八、教学方法与手段：教学方法：（1）课程邀请相关科研工作者做前沿报告，调动学生学习积极性。
（2）课堂讲授和相关多媒体小视频相结合，提高学生听课积极性，视频与课程内容相关，加深记忆和理解概念；（3）通过期末专题报告的形式，让学生讲解生活中与课程相关的知识或技术，台下的学生听众提问，而台上的学生为自己的观点进行辩护，从而产生互动，加深记忆和理解，更主要是能激发学生的兴趣。
光电成像技术第六章直视型光电成像系统与
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1 夜视成像物镜
包沃斯-卡塞格伦系统
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1 夜视成像物镜
·包沃斯-卡塞格伦系统：
由于包沃斯系统的焦点在球面反射镜和校 正透镜中间，接收器造成中心挡光，为此 开展成包沃斯-卡塞格伦系统系统把校正 透镜的中心局部镀上铝或银等反射层作次 镜用，将焦点引到主反射镜之外。
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6.2.2 主动红外成像的照明系统
2.
红外滤光片是一种光学滤波器，主要滤除光源 辐射中的可见光成分。对红外滤光片的根本要求 是： 在红外波段光能损失应尽可能地小，而对其 他波段的辐射应尽量全部吸收或反射；光谱透射 比与光阴极光谱灵敏度曲线红外局部相匹配；热 稳定性好，防潮性和机械性能好，耐光源工作时
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1 夜视成像物镜
· 格里高里系统：
由抛物面主镜和椭球次镜组成。次镜 位于主镜焦距之外，椭球面的一个焦 点和抛物面主镜焦点重合，另一个焦 点为整个系统的焦点。系统对无穷远 轴上的点没有像差。
人们研究改进反射系统，把反射镜的
主镜和次镜都采用球面镜，而用参加
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施密特校正板工作原理 (a) 施密特校正板；(b) 改进的施密特校正板
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6.2.2 主动红外成像的照明系统
3.
(1)
白炽灯(包括普通、充气和卤钨白炽灯)是根
据热辐射原理制成，用电流加热灯丝使之到达
白炽而发光。白炽灯工作在白热状态，要求灯
丝材料有高熔点和低蒸发率。灯丝形状影响光
(单位为lm/W)。充气白炽灯比
真空白炽灯有更高的工作温度和发光效率，但
也只有10～20 lm/W，在～的近红外辐射光谱
第六章 光电发射与光阴级
金属的光电发射特性差
半 导 体
非间并的半导体在室温状态下，自由电子很少 自由电子散射几率显著下降。自由电子散射可以忽略不计 主要光电发射体都采用半导体材料
（b）晶格散射
半导体光电发射材料中比较主要的一种散射
晶体中晶格振动能量的改变是量子化的，改变量的大小为声子 当晶格振动对受激电子散射时，相互交换的是一个声子的能量 受激电子每经过一次晶格散射会损失0. 005~0.l eⅤ的能量，比 自由电子散射的损失要小得多 两次晶格散射之间受激电子的平均自由程也较长 受激电子可以迁移较长的距离而不损失过多的能量 迁移到表面后，受激电子仍能具有克服表面电子亲和势的能量
Wc Eg EA
光电逸出功
本征半导体在绝对零度时
本征半导体的能带图
的长波阈(红限)波长
光电发射体内电子可由小于阈值波长的光子 受激电子能否逸出表面主要取决于电子亲和势 激发成为灼热的电子，它经散射迁移到真空 hc
0
Eg E A
界面时，如具有克服电子亲和势正EA的能 量则可逸出表面，形成光电发射
u ( x) 0
4 0 J ( x) 9
2e u( x) m x2
3
2
连续工作状态下的光电发射极限电流密度关系式
五、光阴极面发射电子过渡过程 研究光阴极的电阻及等效电容的影响 阴极面电 像管的光阴极是半导体薄膜，具有较高的面电阻 光电发射 散焦、像差 位变化
当光阴极中心区接受瞬间强辐射而产生光电发射时，将失去大量的电子 由于光阴极的面电阻很高，在瞬间不能及时从电源补充上所失去的负电
透 入 射 光 射 式 光 阴 极 x 子 光 电
x截面处单位体积所吸收的光子速率 α：吸收系数
σ) ：光阴极厚度 dN( x N 0 (1 )e ( x)
第6章 发光器件与光电耦合器件
图中（d）反光型光电耦合器，LED和光电二极管封装在 一个壳体内，两者发射光轴同接收光轴夹一锐角，LED发 出的光被测物体反射，并被光电二极管接收，构成反光型 光电耦合器。
图中（e）为另一种反光型光电耦合器，LED和光电二极 管平行封装在一个壳体内，LED发出的光可以在较远的位 置上放置的器件反射到光电二极管的光敏面上。显然，这 种反光型光电耦合器要比成锐角的耦合器作用距离远。
6.4.1 光电耦合器件的结构与电路符号
用来制造光电耦合器件的发光元件与光电接收元件 的种类都很多，因而它具有多种类型和多种封装形式。 本节仅介绍几种常见的结构。
1. 光电耦合器件的结构
光电耦合器件的基本结构如图6-28所示，图6-28（a） 为发光器件（发光二极管）与光电接收器件（光电二极 管或光电三极管等）被封装在黑色树脂外壳内构成光电 耦合器件。图6-28（b）者将发光器件与光电器件封装在 金属管壳内构成的光电耦合器件。使发光器件与光电接 收器件靠得很近，但不接触。
本章主要介绍目前已得到广泛应用的注入式半导 体发光器件及光电耦合器件。
6.1 发光二极管的基本工作原理与特性
1907年首次发现半导体二极管在正向偏置的情况下发 光。70年代末，人们开始用发光二极管作为数码显示器和 图像显示器。进十年来，发光二极管的发光效率及发光光 谱都有了很大的提高，用发光二极管作光源有许多优点。
2. 异质结注入发光
为了提高载流子注入效率，可以采用异质结。图2-13（a） 表示理想的异质结能带图。由于p区和n区的禁带宽度不相等，当 加上正向电压时小区的势垒降低，两区的价带几乎相同，空穴就 不断向n区扩散。
对n区电子，势垒仍然较高，不能注入p区。这样，禁带宽的p 区成为注入源，禁带窄的n区成为载流子复合发光的发光区（图213（b））。例如，禁带宽EG2=1.32eV 的p-GaAs与禁带宽EG1＝ 0.7eV p-GaAs与禁带宽EG1＝0.7eV的n-GaSb组成异质结后，nGaAs的空穴注入n-GaAs区复合发光。
(整理)光电器件基础讲义
光电器件基础讲义中研传输业务部汪微1．概述光电器件分为发光器件和光探测器两大类，发光器件是把电信号变成光信号的器件，在光纤通信中占有重要的地位。
性能好、寿命长、使用方便的不源是保证光纤通信可靠工作的关键。
光纤通信对光源的基本要求有如下几个方面：首先，光源发光的峰值波长应在光纤的低损耗窗口之内，要求材料色散较小。
其次，光源输出功率必须足够大，入纤功率一般应在10微瓦到数毫瓦之间。
第三，光源应具有高度可靠性，工作寿命至少在10万小时以上才能满足光纤通信工程的需要。
第四，光源的输出光谱不能太宽以利于传高速脉冲。
第五，光源应便于调制，调制速率应能适应系统的要求。
第六，电－光转换效率不应太低，否则会导致器件严重发热和缩短寿命。
第七，光源应省电，光源的体积、重量不应太大。
光探测器则是将光信号转换为电信号的光电子器件，作为光通信系统用的光探测器需要满足以下要求：首先，其响应波长范围要与光纤通信的低衰耗窗口匹配，第二，具有很高的量子效率和响应度，第三，具有很高的响应速度，第四，具有高度的可靠性。
2．光电器件原理2.1半导体中光的发射和激射原理2.1-1半导体价带、导带、带隙与发光半导体单晶材料的原子是按一定规律紧密排列的。
在各个原子之间保持一定的距离，是由于在各原子之间存在着互相作用力的结构，这些结合力就是共价键。
固体物理学告诉我们，单晶中各个原子的最外层轨道是互相重叠的，这样就使分立的能级变成了能带。
与原子的最多层轨道的价电子相对应的能带叫做价带。
价带上面的能带称为导带。
在温度低至绝对零度的情况下，晶体中的电子均在价带之中，而导带是完全空着的。
如果价带中的电子受热或光的激发，则受激发的电子就会跃迁到上面的导带中去。
这样一来，晶体材料就可以导电了。
把导带底的能量记作E C，把价带顶的能量记作E VO在E C和E V之间是不可能有电子的，故称为禁带。
把E C与E V之差记作E g，称为禁带宽度或带隙。
如果Eg较大，则需要较大的激励能量把价带中的电子激发到导带中去。
光电元件知识点总结
光电元件知识点总结一、光电元件的定义光电元件是一种可以把光信号转换成电信号的器件，或者把电信号转换成光信号的器件。
光电元件具有灵敏度高、响应速度快、可靠性好等特点，广泛应用于光通信、光电子、光电测量、光电开关等领域。
二、光电元件的分类光电元件主要包括光电探测器、光电脉冲调制器、光发射器件等几大类。
其中光电探测器主要包括光电二极管、光电三极管、光敏电阻、光电场效应管等；光电脉冲调制器主要包括光电开关、光电倍增管、光电触发器等；光发射器件主要包括LED、LD、光电继电器等。
三、光电二极管光电二极管是一种将光信号转换为电信号的器件。
它主要由PN结及PN结两侧的金属电极组成。
当光线照射到PN结上时，光子能量会导致PN结的电子和空穴对被激发出来，从而产生电流。
光电二极管的工作波长范围取决于所使用的半导体材料，一般包括可见光和红外光等不同波长范围。
四、光电三极管光电三极管是一种依靠光信号控制电信号的器件。
它是在三极管基础上加上一个光敏电阻接在基极和发射极间的器件，当光线照射到光敏电阻上时，会改变光敏电阻的电阻值，从而影响基极与发射极之间的电流。
光电三极管的输出电流与输入光信号的强度呈线性关系。
五、光敏电阻光敏电阻是一种可以将光信号转换为电阻信号的器件。
它是一种半导体材料加工成薄膜状，当光线照射到其表面时，光子能量会激发出电子和空穴对，从而改变材料的电阻值。
光敏电阻的灵敏度取决于其材料的光敏特性和加工工艺。
六、光电场效应管光电场效应管是一种可以将光信号转换为电信号的器件。
它采用光电效应和场效应相结合的原理来实现。
当光线照射到场效应管的栅极上时，会激发出光电子，从而改变栅极和源极之间的电流，实现光信号的转换功能。
七、光电开关光电开关是一种利用光信号控制电信号开关的器件。
它主要由发光器件和光敏探测器两部分组成，当光线照射到光敏探测器上时，会产生电信号，从而控制开关的闭合和断开。
八、光电倍增管光电倍增管是一种可以将光信号转换为电信号并进行放大处理的器件。