光电管特性研究
物理实验技术中的光电特性测量方法
物理实验技术中的光电特性测量方法引言光电特性是研究物质的重要性质之一，它包括光的吸收、散射、透射、反射等过程，对于理解物质的结构和性质具有重要意义。
在物理实验中，我们常常需要利用光电特性测量方法来对物质进行研究和分析。
本文将以测量物质的光电特性为主题，介绍几种常用的测量方法。
一、紫外-可见分光光度计紫外-可见分光光度计是常用的光电特性测量仪器之一。
它利用光的吸收特性来研究物质的结构和性质。
通过测量物质对不同波长光的吸收能力，可以得到物质的吸收谱。
基于吸收谱的特征，我们可以推测物质的化学成分和分子结构。
紫外-可见分光光度计在化学、生物学、医学等领域中得到广泛应用。
二、色散测量色散测量是研究物质的光学性质的重要手段之一。
物质对不同波长光的折射率存在差异，这种差异导致了光的色散现象。
利用色散现象，我们可以通过测量光的折射率来研究物质的光学性质。
色散测量常用的方法有折射法和干涉法。
折射法是通过测量光经过物质后的折射角度来计算折射率；干涉法则是利用光的干涉现象来测量物质的折射率。
色散测量在光学器件制备、光纤通信等领域具有广泛应用。
三、光电流测量光电流测量是研究物质光电特性的重要手段之一。
光电流是指物质在受光照射时产生的电流。
光电流的大小与光的强度以及物质表面的光电子发射能力有关。
利用光电流测量方法，我们可以研究物质对不同波长、不同强度光的光电响应特性。
光电流测量常用的方法有光电管法和光电二极管法。
光电流测量技术在光电传感器、太阳能电池等领域中具有广泛应用。
四、荧光光谱测量荧光光谱测量是研究物质光电特性的重要手段之一。
荧光光谱是指物质在受光激发后，在退激发时放出的光的能量分布。
通过荧光光谱测量，我们可以研究物质的能级结构和发光机制。
荧光光谱测量常用的方法有荧光光谱仪和荧光显微镜。
荧光光谱测量技术在材料科学、生物学等领域中得到广泛应用。
结论光电特性测量方法在物理实验技术中具有重要地位。
紫外-可见分光光度计、色散测量、光电流测量和荧光光谱测量是常用的测量方法。
APD光电二极管的特性测试及应用研究1
[5]王庆有.光电传感器应用技术[M].北京:机械工业出版社,2007.10.
[6]其他：可网上搜索查找相关中文和外文文献。
3．进度安排
设计（论文）各阶段名称
起止日期
1
查阅文献资料，确定方案，写文献综述
2014.1.18-3.20
2
学习APD光电二极管的工作原理
2014.3.21-3.30
3
理解APD光电二极管的各项参数指标并测试
因此，拓宽硅基光电探测器件的探测波长范围及探测效率，不仅成为一个较为热点的研究领域，引起了各国科研工作者的兴趣，同时也成为光通信领域迫切需要克服的难题，是市场应用所需迫切解决的问题。最近几年人们尝试了各种方法来提高Si基APD的近红外探测效率，其中有增加Si基APD吸收层的厚度从而提高光子在Si中的吸收，然而随着APD体积的增加，不但提高了近红外处的量子效率，同样增加APD器件的暗电流和噪声，也提高了APD的响应时间，所以用这种方法提高APD近红外的敏感率并不是最好的方法。还有一种方法就是在APD器件表面设计一层防反射层，这层防反射层可以使入射光在APD器件的表面发生多次反射，从而增加了透入到器件内部的光子，也不会增加APD器件的体积，但是这种方法对工艺制作流程要求严格，成本较高，虽然能提高器件的整体效果但依然不能将1064nm处的光探测效率提高到理想的程度。
制约硅基APD在近红外方向特别是1064nm波段发展的原因有两个，第一，硅的禁带宽度是1.12eV，从而导致硅对1100nm处光的吸收截止。Si是间接带隙材料，在300K时硅的禁带宽度是1.12eV。因此硅的吸收截止波长是1100nm。从而导致由间接半导体材料制做的APD器件在截止波长附近吸收效率非常低。为了使硅基APD在1064nm处获得较高的量子效率，人们研发出使用其它半导体材料(锗、铟或者砷化镓)制作光电子器件，但是这些材料的光电子器件暗电流和噪声比较高，价格昂贵，而且与硅的晶格不匹配。或者改变硅基APD的结构设计，还可以使用飞秒激光微构造技术，来改变硅在近红外处的光吸收特性。第二，APD制造工艺过程中必须引入尽可能少的缺陷以减少暗电流，从而保证器件具有较高的信噪比。
光电管的特性
q0
－－电子电量
Voc
KT q0
ln
IL I SO
1
K
－－玻尔兹曼常数
T
－－热力学温度
Voc －－光电池开路输出电压
I L mA
UOC mV
100 80 60
1.0 0.8 0.6
40
20
0.4
0.2
0
2000
4000
Ge光电池光电特性
I L mA
UOC V
300
反向偏压/V 硅光电二极管伏安特性
Ic mA
8 6 500lx 700lx
600lx
4
2
400lx
300lx
0
10
20
30
40
V
硅光电三极管伏安特性
I L A
40 30
20
10
0
200
400
600
800
1000
E / lx
硅光电二级管光照特性
I L A
6
5 4 3 2 1 0 500 1000
0
4000
6000Leabharlann 800010000
波长 A
光电池的光谱特性
100
硅光电池
相 对 光 电 流 / ％
80 60 40 20 硒光电池
0
1500
3000
4500 6000
7500
/Hz
光电池的频率特性
§7－3－3光敏二级管和光敏三级管
一、光敏二级管
P
N
E
I
E
R
100lx 200lx 300lx 400lx
光电管特性的研究.(DOC)
光电管特性的研究.(DOC)光电管是一种转换光信号为电信号的电子学元件，也被称为光电二极管。
它的原理是光电效应，即光引起半导体中的电子跃迁，使其产生电荷，并使得光电管形成电流输出。
光电管具有很好的线性性和高速性能，被广泛应用于光电通信、光谱分析、遥感技术、光学测量等各个领域。
本文主要研究光电管的特性。
一、光电管的工作原理光电管的结构一般由光敏元件、放大器和输出接口三部分组成。
其中，光敏元件是本元件的核心部分，其内部由光电阴极和阳极组成。
光电阴极由光敏材料制成，通常是碱金属或硅酸盐材料，它的工作原理是光电效应。
当光照射到光电阴极上时，光子会使得光电阴极内部的电子跃迁，从而产生电荷，这些电荷便成为光电流的形式输出。
阳极则主要起到收集光电阴极所产生的光电流的作用。
光电管的放大器一般采用光电管光电效应放大器，电子从光电阴极发射后，经过放大器放大后形成光电流。
这个过程可以通过不同的放大器电路来实现。
二、光电管的特性1. 光电流与光照强度关系光电管的输出光电流与光照强度是成正比例关系的，这种关系反映了光电管对光的灵敏度。
灵敏度高的光电管可以对低强度光源产生足够的响应。
光电流与反向电压之间存在一定的关系，即光电流随着反向电压增大而减小。
这是由于在反向电压下，光电流就需要克服外部电势阻力才能达到阳极，所以光电流会逐渐降低。
光电管的封装通常是半导体材料，而半导体材料与温度的关系密切。
随着温度的升高，光电流也会逐渐增大，但是增长速度很慢。
4. 噪声噪声是光电管的一个重要特性，它是指输出信号中不希望出现的随机变化。
光电管的噪声主要来自光电阴极本身，因为光敏材料内部的电子运动是随机的。
随着技术的不断进步，噪声大大降低，光电管的性能得到了极大提升。
三、应用光电管是一种非常重要的光电元件，它的应用范围非常广泛。
目前主要应用于下列几个领域：1. 通讯技术光电管在通讯技术中被广泛应用，例如光电调制器、光电探测器和光放大器等。
这些光电元件对于视觉和声学信号的处理具有重要作用。
测试技术-7.2 光电管及光电倍增管
在同样的极间电压和同样幅值的光强度下，当入射光强度以不同
的正弦交变频率调制时，光电管输出的光电流I（或灵敏度）与频率f
的关系，称为频率特性。由于光电发射几乎具有瞬时性，所以真空光 电管的调制频率可高达1MHz以上。 • (7) 稳定性和衰老
7.2 光电管及光电倍增管
（2）光谱特性
光电管的光谱特性主要取决于光电阴极的材料。不同的阴极材料 对同一种波长的光有不同的灵敏度；同一种阴极材料对不同波长的 光也具有不同的灵敏度。这可用光谱特性来描述。 光谱特性又称频谱特性，如图7-3所示为光电管的光谱特性，特性 曲线峰值对应的波长称为峰值波长，特性曲线占据的波长范围称为 光谱响应范围。
光电阴极
第一倍增极 入射光
阳极 第三倍增极
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 百万倍。因此在很微弱的 光照时，它就能产生很大 的光电流。
7.2 光电管及光电倍增管
2．光电倍增管的的基本特性
7.2 光电管及光电倍增管
7.2.1 光电管
1．光电管的结构原理
光电管有真空光电管和充 气光电管或称电子光电管和离 子光电管两类。两者结构相似， 如图。它们由一个阴极和一个 阳极构成，并且密封在一只真 空玻璃管内。阴极装在玻璃管 内壁上，其上涂有光电发射材 料。阳极通常用金属丝弯曲成 矩形或圆形，置于玻璃管的中 央。
7.2 光电管及光电倍增管
（3）伏安特性 光电管的伏安特性是指在一定的光通量照射下，光电流与光电管 两端的电压关系。如图7-4所示，在不同的光通量照射下，伏安特性 是几条相似的曲线。
光电效应实验中光电管的选择与使用
光电效应实验中光电管的选择与使用光电效应是物理学中的一项重要实验，通过观察物质受光照射后电子的发射情况，可以研究光和物质之间的相互作用。
而在光电效应实验中，光电管的选择和使用方法对于实验结果的准确性和可靠性起着至关重要的作用。
首先，我们需要选择合适的光电管。
在市场上，有多种型号和类型的光电管可供选择。
常见的有金属光电管和半导体光电管两种。
金属光电管适用于短波长光的实验，例如紫外线实验；而半导体光电管则适用于长波长光的实验，例如红外线实验。
根据实验需要，我们可以选择合适的光电管进行实验。
其次，光电管的特性参数也需要考虑。
光电管的特性参数包括灵敏度、最大电流、最大电压等。
灵敏度是指光电管对光的响应程度，一般用光电流与光照强度之间的关系来表示。
光电管的灵敏度越高，说明它对光的响应越敏感。
而最大电流和最大电压则决定了光电管的工作范围。
在实验中，我们需要根据实验要求选择具有合适特性参数的光电管，以保证实验结果的准确性。
值得一提的是，为了减小实验误差，我们可以在光电管的前端加装滤光器。
滤光器可以根据实验需要，选择性地吸收或透过特定波长范围的光线，从而降低背景光的影响。
例如，在紫外线实验中，可以使用紫外线滤光器来屏蔽短波长的紫外线背景光。
通过这种方式，可以提高实验的信噪比，从而获得更准确的实验结果。
在实验中，使用光电管需要注意一些使用方法。
首先，要保持光电管表面的清洁。
由于光电管的工作原理是通过光的照射来释放电子，因此光电管表面的污染会影响实验结果。
我们可以使用专用的光学纸轻轻擦拭光电管表面，以确保其干净无尘。
此外，使用光电管时需要注意光源的选择和位置调整。
光源的选择应根据实验所需的波长和光强来确定。
如果光强过弱，可以使用准直透镜或增强器来增大光强。
同时，还要注意调整光源和光电管的位置，使得光射入光电管的光斑尽可能均匀，以获得准确的实验结果。
最后，光电管的信号输出需要经过放大和测量处理。
在实验中，我们可以使用放大器将光电管输出的微弱信号放大到可以测量的范围。
光电管
真空
真空光电管真空光电管（又称电子光电管）由封装于真空管内的光电阴极和阳极构成。当入射光线穿过光窗 照到光阴极上时，由于外光电效应（见光电式传感器），光电子就从极层内发射至真空。在电场的作用下，光电 子在极间作加速运动，最后被高电位的阳极接收，在阳极电路内就可测出光电流，其大小取决于光照强度和光阴 极的灵敏度等因素。按照光阴极和阳极的形状和设置的不同，光电管一般可分为5种类型。①中心阴极型：这种类 型由于阴极面积很小，受照光通量不大，仅适用于低照度探测和光子初速度分布的测量。②中心阳极型：这种类 型由于阴极面积大，对入射聚焦光斑的大小限制不大；又由于光电子从光阴极飞向阳极的路程相同，电子渡越时 间的一致性好;其缺点是光电子接收特性差，需要较高的阳极电压。③半圆柱面阴极型：这种结构有利于增加极间 绝缘性能和减少漏电流。④平行平板极型：这种类型的特点是光电子从阴极飞向阳极基本上保持平行直线的轨迹， 电极对于光线入射的一致性好。⑤带圆筒平板阴极型：它的特点是结构紧凑、体积小、工作稳定。
光电管
用于光电转换的工具
01 产品介绍
03 真空 05 参数及特性
目录
02 原理 04 充气
光电管（phototube）基于外光电效应的基本光电转换器件。光电管可使光信号转换成电信号。光电管分为 真空光电管和充气光电管两种。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。用作光电阴极的金属有碱金属、汞、金、银等， 可适合不同波段的需要。光电管灵敏度低、体积大、易破损，已被固体光电器件所代替。
感谢观性
的光谱特性
2019年光电管特性的研究.doc
课题光电管特性的研究1．了解光电效应实验的基本规律和光的量子性；教学目的 2．测定光电管的伏安特性，研究光电流强度与加在光电管两极间电压的关系；3．测定光电管的光电特性，研究光电流强度与照在光电管阴极上光通量的关系。
重难点 1．光电管的伏安特性和光电特性；2．最小二乘法处理数据。
教学方法讲授、讨论、实验演示相结合。
学时 3个学时一、前言光电效应是指在光的作用下，从物体表面释放电子的现象，所逸出的电子称为光电子。
这种现象是1887年赫兹研究电磁波时发现的。
在光电效应中，光不仅在被吸收或发射时以能量h 的微粒出现，而且以微粒形式在空间传播，充分显示了光的粒子性。
1905年爱因斯坦引入光量子理论，给出了光电效应方程，成功地解释了光电效应的全部实验规律。
1916年密立根用光电效应实验验证了爱因斯坦的光电效应方程，并测定了普朗克常量。
爱因斯坦和密立根都因为光电效应方面的杰出贡献，分别获得1921年和1923年诺贝尔物理学奖。
而今光电效应已经广泛地应用于各科技领域，例如利用光电效应制成的光电管、光电倍增管等光电转换其间，把光学量转换成电学量来测量。
光电元件已成为石油钻井、传真电报、自动控制等生产和科研中不可缺少的元件。
二、实验仪器暗匣（内装光电管及小灯泡及米尺）；光电效应实验仪（包括24V稳压电源、12V可调稳压电源、13位数子电压表和电流表，分别指示光电管电压、光源电流和光电2流、调节光电管电压的电位器、调小灯电流的可变电阻）。
三、实验原理金属或金属化合物在光的照射下有电子逸出的现象，称为光电效应，或称为光电发射。
产生光电发射的物体表面通常接电源负极，所以又称为光电阴极，光电阴极往往不由纯金属制成，而常用锑钯或银氧钯的复杂化合物制成，因为这些金属化合物阴极的电子逸出功远较纯金属小，这样就能在较小光照下得到较大的光电流。
把光电阴极和另一个金属电极－阳极仪器封装在抽成真空的玻璃壳里就成了光电管。
光电管在现代科学技术中如自动控制、有声电影、电视、以及光讯号测量等方面都有重要的应用。
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光电管特性的研究
光电效应是指在光的作用下，从物体表面释放电子的现象，所逸出的电子称为光电子。
这种现象是1887年赫兹研究电磁波时发现的。
在光电效应中，光不仅在被吸收或发射时以能量h 的微粒出现，而且以微粒形式在空间传播，充分显示了光的粒子性。
1905年爱因斯坦引入光量子理论，给出了光电效应方程，成功地解释了光电效应的全部实验规律。
1916年密立根用光电效应实验验证了爱因斯坦的光电效应方程，并测定了普朗克常量。
爱因斯坦和密立根都因为光电效应方面的杰出贡献，分别获得1921年和1923年诺贝尔物理学奖。
而今光电效应已经广泛地应用于各科技领域，例如利用光电效应制成的光电管、光电倍增管等光电转换其间，把光学量转换成电学量来测量。
光电元件已成为石油钻井、传真电报、自动控制等生产和科研中不可缺少的元件。
一、教学目的
1、了解光电效应实验的基本规律和光的量子性。
2、测定光电管的伏安特性，研究光电流强度与加在光电管两极间电压的关系。
3、测定光电管的光电特性，研究光电流强度与照在光电管阴极上光通量的关系。
二、教学要求
1、实验三小时完成。
2、观察光电管结构和光电效应现象，理解光的量子性。
3、测定光电管的伏安特性，研究光电流强度与加在光电管两极间电压的关系。
4、测定光电管的光电特性，研究光电流强度与照在光电管阴极上光通量的关系。
5、用所学过的知识解释本次实验所测得的曲线，并对实验结果进行评价，写出合格的实验报告。
三、教学重点和难点
1、重点：通过光电管的伏安特性和光电特性，掌握光电效应迈的实验原理。
2、难点：最小二乘法处理数据。
四、讲授内容（约20分钟）
采用讲授、讨论、演示相结合的教学方法。
1、光电效应的实验原理。
2、与学生们共同探讨光电效应在现代生产生活中的应用。
(1)光电管
利用饱和电流与照射光强的线性关系，实现光信号和电信号之间的转换。
如：光控继电器、自动控制、自动计数、自动报警等。
(2)光电倍增管
光电倍增管可使光电阴极发出的光电子增至48
10~10倍，在探测弱光方面得到广泛的应用。
（3）光电成像器件
光电导摄像管等，可以将辐射图像转换成或增强为可观察、记录、传输、存储和进行处理的图像，广泛地应用于天文学、空间科学、电视等领域。
3、光电管的伏安特性曲线的特点和光电特性的特点，留给学生思考如何用所学知识解释这些特点，并在实验报告中回答。
4、结合仪器演示实验的主要步骤。
（1）测光电管的伏安特性曲线
⑴按教材图5.12－4接好线路，使光电管阳极为高电势，检查正负极插线无误后，打开光电效应仪的电源开关，并预热10分钟。
⑵选取合适的小灯电流值。
测量前先测出小灯泡与光电管阴极间的初始间
r，并记录。
距0
⑶研究光电管正向伏安特性。
由于光电管的伏安特性为非线性曲线，因此，在非线性区域，测试点应多一些。
⑷测临界截止电压。
将光电管接线的极性对调，即在光电管两极加上反向电压，使光电管阳极为负电势，慢慢增大反向电压，记下使光电流刚好为零的电压值，即为临界截止电压。
⑸研究光电管在不同光强照射下的伏安特性，采用两种方法。
①使小灯电流降低10mA，重复步骤⑶、⑷，测读并记录实验数据。
注意不要改变光源与光电管的距离。
r（一般取7cm左右），重复步骤⑶、⑷，测读并记录实
②使暗箱滑板距离为
2
验数据。
注意不要改变灯电流值的大小。
⑹根据记录数据，绘制三条伏安特性曲线。
（2）测定饱和光电流与阴极上光通量的关系
⑴根据光电管伏安特性的实验结果，在产生饱和光电流的电压区域中取一电压值（注意不要取拐点，取饱和区域中间点），加在光电管的两极上并保持不变。
注意光源电流值不改变。
调整粘滞系数测量装置
⑵将光源放在离光电管较近的位置，通过拖动暗箱滑板，使光电管阴极逐
r（每次改变0.50cm或1.00cm）及对应的饱和渐远离光电管，记下暗箱滑板读数
i
I。
至少测读10组数据。
光电流值
H
6、用所测数据粗略描点画出伏安特性曲线和光电特性曲线。
五、实验注意事项？
1、实验仪器在打开后要预热10分钟。
2、光源电流不得超过400mA，如光源电流过大，容易烧坏灯泡。
3、在研究光电特性中，选取饱和光电流的电压值最好不要选取拐点，因为拐点不稳定，一般选取饱和区域中间值，以确保能够获得饱和光电流。
4、开启关闭实验仪器时，将电压旋钮和光源电流都应顺时针调至最小，以免启动仪器时，电流过大烧坏灯泡。
六、指导要点
1、打开暗箱观察内部结构，暗箱由光电管、小灯泡和滑板构成。
2、将暗箱与光电效应仪用导线相连，测量出光电管阴极与光源（小灯泡的发光点）的初始距离。
3、第一条伏安特性曲线的光源电流需调节合适，一般让这个值尽量大，在确定光源到光电管距离后，调节光源电流只要光电流不溢出即可。
4、第二条伏安特性时r不变，光源电流降低10mA左右；第三条曲线光源电流不变，拉大r。
5、研究光电管的光电特性时，应根据伏安特性曲线找到加在光电管两极的电压为产生饱和光电流的电压值，将光电管电压调到此电压，保持此电压和光源电流不变，改变光源到光电管阴极的距离，一般从近到远，以免向里推导致光电流溢出。