2.3　光電探測器

2.3.1　光敏電阻

材料（或器件）受到光輻射后，電導率發生變化，稱為光電導效應，光電導效應屬于內光電效應。光敏電阻是最典型的光電導器件。利用具有光電導效應的半導體材料做成的光電探測器稱為光敏電阻，光敏電阻是最典型的光電導器件。常用的光敏電阻有：硫化鎘（CdS）和硒化鎘（CdSe）光敏電阻；硫化鉛（PbS）光敏電阻；銻化銦（InSb）光敏電阻和鍺摻雜（HgCd_1-xTe）光敏電阻。CdS光敏電阻是工業應用最多的；PbS光敏電阻主要應用于軍事裝備。

光敏電阻與其他半導體光電器件相比具有以下特點。

①光譜響應范圍相當寬，根據光電導材料的不同，光譜響應范圍可從紫外、可見光、近紅外擴展到遠紅外，尤其是對紅光和紅外輻射有較高的響應度。

②工作電流大，可達數毫安。

③所測的光強范圍寬，既可測強光，也可測弱光。

④靈敏度高，光電導增益（由光照產生的外部電流與內部電流之比）遠遠大于1，最大可達10⁵。

⑤偏置電壓低，無極性之分，使用方便。

光敏電阻的不足之處是，在強光照射下光電轉換線性較差，光電弛豫過程較長，頻率響應很低。

下面將介紹光敏電阻的工作原理、主要特性參數和基本偏置電路等。

（1）光敏電阻的工作原理

最簡單的光敏電阻原理圖及其符號如圖2-12所示，它是在均質的光電導體兩端加上電極后構成的光敏電阻，兩電極加上一定電壓后，當光照射到光電導體上，由光照產生的光生載流子在外加電場作用下沿一定方向運動，在電路中產生電流，達到了光電轉換的目的。

根據半導體材料的分類，光敏電阻有兩種類型，即本征型半導體光敏電阻和摻雜型半導體光敏電阻，其中本征型半導體光敏電阻只有當入射光子能量（hν）等于或大于半導體材料的禁帶寬度時才能在外加電場作用下形成光電流，而摻雜型半導體（n型或p型）光敏電阻只要入射光子的能量等于或大于雜質電離能，就能在外加電場作用下形成電流。從原理上說，p型和n型半導體均可制成光敏電阻，但由于電子的遷移率比空穴的大，而且用n型半導體材料制成的光敏電阻性能較穩定，特性較好，故目前大都使用n型半導體光敏電阻。

光敏電阻按照它的光譜特性及最佳工作波長范圍，基本上可分為三類。

①對紫外光靈敏的光敏電阻，如硫化鎘（CdS）和硒化鎘（CdSe）等；

②對可見光靈敏的光敏電阻，如硫化鉈（TiS）、硫化鎘（CdS）和硒化鎘（CdSe）等；

③對紅外光靈敏的光敏電阻，如硫化鉛（PbS）、碲化鉛（PbTe）、硒化鉛（PbSe）、銻化銦（InSb）和鍺摻雜等。

這其中，幾種最常用光敏電阻都有各自的應用特點。

①硫化鎘（CdS）光敏電阻　是可見光波段內最靈敏的光電導器件，峰值波長為0.52μm，廣泛用于自動控制燈光，自動調光調焦和自動照相機中。

②硫化鉛（PbS）光敏電阻　是近紅外波段最靈敏的光電導探測器件。它的主要缺點是響應時間過長，室溫條件下為100～300μs，在低溫下（如77K）可達幾十毫秒。

③銻化銦（InSb）光敏電阻　可用來制作紅外探測器。

④鍺摻雜探測器　其特點是響應時間較短（10^-8s～10^-6），要求工作溫度低，如果要求探測峰值波長很長的紅外輻射，則必須工作在絕對溫度4.2K。鍺摻雜探測器的探測波長可至130μm，這是其他探測器所達不到的。

根據理論計算，由光的輻射作用致使光敏電阻電導率增加而產生的光電流I_p與光電導體橫截面積成正比，與光電導體長度L（圖2-13）的平方成反比，因此在設計光敏電阻時常設法使L減小。為了減小電極間的距離L，一般光敏電阻中采用圖2-13所示的梳狀電極結構，這樣既保證有較大的工作區，又減少了極間距離L。

（2）光敏電阻的主要特性參數

①光電導增益M　是表征光敏電阻特性的一個重要參數，它表示長度為L的光電導體兩端加上電壓V后，由光照產生的光生載流子在電場作用下所形成的外部光電流與光電子形成的內部電流之間的比值，即

　　 （2-22） 　　

式中，τ為載流子（電子和空穴）的壽命，s；t_dr為載流子渡越極間距離L所需要的有效渡越時間，s。

由于增益系數可看成是一個自由載流子的壽命τ與該載流子在光敏電阻兩極間的有效渡越時間t_dr之比，因此只要載流子的平均壽命大于有效渡越時間，增益就可大于1。顯然減小電極間的間距L，適當提高工作電壓，對提高M值有利。但是，如果L減得太小，使受光面太小，也是不利的，一般M值可達10³數量級。

②光電特性　光敏電阻的光電流與入射光通量之間的關系稱光電特性，光電流I_p與入射單色輻射通量ф（λ）之間的關系為

　　 （2-23） 　　

式中，ф（λ）為入射單色輻射通量，W；λ為入射的單色輻射波長，m；q為電子電荷量，C；η為量子效率；hν為單個入射光子的能量，J；τ為光生載流子的平均壽命，s；t_dr為載流子在光敏電阻兩極間的有效渡越時間，s。

當弱光照時，τ和t_dr不變，I_p（λ）與ф（λ）成正比，保持線性關系。但當強光照時，τ與光電子濃度有關，t_dr也會隨電子濃度變大或出現溫升而產生變化，使得I_p（λ）與ф（λ）呈非線性。實驗證明，當所加電壓一定時，光電流I_p和照度E關系曲線如圖2-14所示。

在實際使用中，常常將光敏電阻的光電特性曲線改畫成電阻和照度的關系曲線，如圖2-14所示。顯然，它們是從不同角度來反映光敏電阻的光電特性，圖2-15是典型的CdS光敏電阻在直角坐標中的光電特性曲線。從圖2-15可見，隨著光照的增加，阻值迅速下降，然后逐漸趨向飽和。

③時間常數　根據前面對光電導效應分析，光敏電阻在光照時的響應時間或弛豫時間可以反映光敏電阻的惰性程度，從前面的論述可知，響應時間等于光生載流子的平均壽命τ。增大載流子的壽命可提高器件的響應率，但器件的響應時間卻增加（影響器件的高頻性能）。此外，光照、溫度等外界條件的變化同樣直接影響光敏電阻的響應率和響應時間。如PbS光敏電阻的響應時間，在室溫時，一般為100～300μs，低溫時則長到幾十毫秒；PbSe光敏電阻的響應時間，在室溫時為5μs，當溫度低到干冰溫度（195K）時，響應時間為30μs。

④溫度特性　光敏電阻的特性參數受工作溫度的影響較大，只要溫度略有變化，它的光譜響應率、峰值響應波長、長波限等參數都將發生變化，而且這種變化沒有規律。為了提高光敏電阻性能的穩定性，降低噪聲和提高探測率，采用冷卻裝置就十分必要。

（3）光敏電阻的基本偏置電路

光電導探測器作為一個支路與外電源組成的回路稱為偏置電路，由外電源產生的電流和電壓稱為偏置電流（偏流）或偏置電壓（偏壓）。偏置電路是光電導探測器正常工作的必要基礎。光敏電阻最基本的偏置電路如圖2-16所示，R_p為光敏電阻；R_L為負載電阻；V_b為偏置電壓。

根據此偏置電路，可得出

　　 （2-24） 　　

　　 （2-25） 　　

由以上兩式得出，當光通量ф發生變化Δф時，亦即光敏電阻R_p有改變量ΔR_p時，相應的I和V_L的增量為

　　 （2-26） 　　

　　 （2-27） 　　

以上兩式表明，ΔR_p越大，它輸出信號電流ΔI和信號電壓ΔV_L就越大。

（4）光敏電阻應用實例

①路燈自動點熄控制　圖2-17為路燈自動點熄原理電路，由兩部分組成：電阻R_L、電容C和二極管VD組成半波整流濾波電路；CdS光敏電阻和繼電器組成光控繼電器。路燈接在繼電器常閉觸點上，由光控繼電器來控制路燈的點燃和熄滅。

晚上光線很弱，CdS光敏電阻阻值很大，流過繼電器線圈的電流很小，使繼電器J不工作，路燈接通電源點亮。早上，天逐漸變亮，即照度逐漸增大，CdS光敏電阻受光照后阻值逐漸變小，流過繼電器線圈的電流逐漸增大，當照度增大到一定值時，流過繼電器的電流足以使繼電器J動作，動觸點由常閉位置跳到常開位置，使路燈因繼電器斷開220V電源而熄滅，達到自動點熄的目的。

②鈴聲報警器　圖2-18示出一個簡單的光觸發報警電路，其工作原理是，光敏電阻R_p和電阻R₂形成一個電位分壓器，在黑暗的條件下，R_p的阻值很高，所以節點A處的電壓很小而不能觸發可控硅整流器S的控制極B，但在明亮環境下，R的阻值變低，加到控制極B的偏壓提高，于是可控硅S導通，并激活報警電鈴W。

2.3.2　光生伏特探測器

利用PN結的光生伏特效應工作的光電探測器稱為光生伏特探測器，或光伏探測器。

圖2-19是一個連接了負載電阻的PN結在光照時的光電反應。只要入射光子能量大于材料禁帶寬度，就會在結區產生電子-空穴對。這些非平衡載流子在內建電場的作用下，空穴順著電場運動，電子逆電場運動，在開路狀態，最后在n區邊界積累光生電子，p區邊界積累光生空穴，產生了一個與內建電場方向相反的光生電場，即在p區和n區之間產生了光生電壓V_oc，這就是光生伏特效應。只要光照不停止，這個光生電壓將永遠存在。光生電壓V_oc的大小與PN結的性質及光照度有關。

光生伏特效應與光電導效應同屬于內光電效應，PN結型光伏器件與光電導器件（如光敏電阻）相比較，有以下一些主要區別。

①產生光電變換的部位不同，光敏電阻任何部分受光，受光部分電導率就增大，而結型器件，只有PN結區或結區附近受光才產生光電效應。

②光敏電阻無極性，工作時須外加電壓，而結型光電器件有正負極性，沒有外加電壓下也可以把光信號轉換成電信號。

③光敏電阻弛豫過程時間常數較大，頻率響應較差；結型器件弛豫過程的時間常數相應較小，因此響應速度較快。

④與光敏電阻不同，光伏探測器的內電流增益等于1（但有些結型光電器件，如光電三極管、雪崩光電管等有較大的內增益作用），因此靈敏度較高，也可以通過較大的電流。

由于以上這些特點，使得這一類器件應用非常廣泛，一般應用于精密光學儀器、光度色度測量、光電自動控制、光電開關、光繼電器、報警系統、電視傳真、圖像識別等方面。

（1）光伏探測器的工作模式

PN結光伏探測器用圖2-20（a）中的符號表示，它的等效電路為一個普通二極管和一個恒流源（光電流源）I_p的并聯。光伏探測器可以有兩種不同的工作模式，由偏壓回路決定。在零偏壓（即無外電源）時，稱為光伏工作模式，如圖2-20（b）所示；反向偏壓（即外加p極為負，n極為正的電壓）時，稱為光電導工作模式，如圖2-20（c）所示。對于另一種偏壓形式（即正偏壓），光伏探測器只相當于一個普通二極管的功能，呈單向導電性而無光電效應。

（2）光伏探測器的伏安特性

有光照時，若PN結外電路接上負載電阻R_L，在PN結內將出現兩種方向相反的電流，如圖2-20（b）所示：一種是光激發產生的電子-空穴對，形成的光生電流I_p，它與光照有關，其方向與PN結反向飽和電流I₀相同；另一種是光生電流I_D流過負載電阻R_L產生電壓降，相當于在PN結施加正向偏置電壓，從而產生正向電流I_D，總電流I_L是兩者之差，即流過負載的總電流（以光電流方向為正向）為

I_L=I_p-I_D=I_p-I₀（e^qV/kT-1）（A）　　（2-28）

上式中的光電流I_p正比于與光照度E，比例常數S_E稱為光照靈敏度，即

I_p=S_EE（A）　　（2-29）

當負載電阻R_L斷開時，I_L=0，稱p端對n端電壓為開路電壓V_oc，且由于I_p?I₀，則近似地有

　　 （2-30） 　　

當負載電阻R_L短路時，R_L=0，稱流過回路的電流為短路電流I_sc，短路電流就是光生電流I_p。I_p與照度E或光通量ф成正比，從而得到最大線性區，這在線性測量中被廣泛應用。

如果給PN結加上一個反向偏置電壓V_b，外加電壓所建的電場方向與PN結內建電場方向相同，使光生電子空穴對在強電場作用下更容易產生漂移運動，提高了器件的頻率特性。

PN結光電器件在不同的照度下的伏安特性曲線如圖2-21所示，無光照（E=0）時，伏安特性曲線與一般二極管的伏安特性曲線相同，受光照后，光生電子空穴對在電場作用下形成大于反向飽和電流I₀的光電流I_p，并與I₀同向，因此曲線將沿電流軸向下平移，平移幅度與光照度E_i（i=1、2、3、…）的變化成正比，當PN結上加有反向偏壓時，非光生的暗電流隨反向偏壓的增大有所增大，最后等于反向飽和電流I₀，而光電流I_p幾乎與反向電壓的高低無關。

2.3.3　光電管

光電管有真空光電管和充氣光電管兩種。真空光電管由一個陰極和一個陽極密封于真空玻璃管內構成。陰極通常是用逸出功小的光敏材料涂敷在玻璃管內壁做成，陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。當光照在陰極上時，便有電子逸出，在外電場作用下飛向陽極形成電流，從而在電阻上形成壓降輸出，其工作原理如圖2-22所示。

充氣光電管在管子內部充了少量的惰性氣體（如氬或氖），光電子在飛向陽極的途中，和氣體的原子發生碰撞而使氣體電離，增大了光電流，因此使光電管的靈敏度增加。但光電管內充氣后，將導致光電管的光電流與入射光強度不成比例關系，從而使光電管穩定性變差、惰性增大、受溫度影響大、容易衰老，因此，在自動檢測等要求測量精確度較高的場合，一般都采用真空光電管。

光電管是典型的光伏探測器件，具有量子效率高、噪聲低、響應快、線性工作范圍大、耗電少、體積小、壽命長和使用方便等優點，最適合激光探測等應用。制造光電管的半導體材料有硅（Si）、鍺（Ge）、砷化鎵（GaAs）和磷砷化鎵（GaAsP）等。其中用硅材料制造的光電管的暗電流很小，溫度系數很低，性能穩定，目前在可見光區應用最多的是硅光電管，因而使用廣泛。下面將主要介紹硅光電管的結構、工作原理和特性等。

（1）硅光電管結構及工作原理

硅光電管和光電池一樣，都是基于PN結的光電效應而工作的，它主要用于可見光及紅外光譜區。硅光電管通常在反向偏置條件下工作，即光電導工作模式。這樣可以減小光生載流子渡越時間及結電容，可獲得較寬的線性輸出和較高的響應頻率，適用于測量甚高頻調制的光信號。硅光電管也可用在零偏置狀態，即光伏工作模式，這種工作模式突出優點是暗電流等于零。后繼線路采用電流電壓變換電路，線性區范圍擴大，得到廣泛應用。

硅光電管在結構和工作原理上與硅光電池相似。如果應用于光伏工作模式，其機理與光電池基本相同，都是屬于PN結型光生伏特效應。硅光電管與光電池的區別之處在于：

①光電池襯底材料的摻雜濃度較高，為10¹⁶～10¹⁹/cm³原子數，而硅光電管摻雜濃度為10¹²～10¹³/cm³原子數；

②光電池電阻率低，為0.01～0.1Ω/cm，而硅光電管則為1000Ω/cm；

③光電池在零偏置下工作，而硅光電管通常在反向偏置下工作；

④一般說來，光電池的光敏面面積比硅光電管的光敏面大得多，因此硅光電管的光電流小得多，通常在微安量級。

硅光電管在無光照條件下，若給PN結加一個適當的反向電壓，則反向電壓加強了內建電場，使PN結空間電荷區拉寬，勢壘增大，流過PN結的反向飽和電流（稱或暗電流）很小。反向電流是由少數載流子的漂移運動形成的。

當硅光電管被光照，且入射光子能量滿足電子躍遷條件，即hν>E_g時，則在結區產生的光生載流子將被內建電場拉開，光生電子被拉向n區，光生空穴被拉向p區，于是在外加電場的作用下形成了以少數載流子漂移運動為主的光電流。顯然，光電流比無光照時的反向飽和電流大得多，光照越強，表示在同樣條件下產生的光生載流子越多，光電流就越大，反之，則光電流越小。

當硅光電管與負載電阻R_L串聯時，則在R_L的兩端可得到隨光照度變化的電壓信號，從而完成了將光信號轉變成電信號的轉換，如圖2-22所示。

（2）硅光電管的主要特性

①光電特性　當光電管的陽極和陰極之間所加電壓一定時，光通量與光電流之間的關系稱為光電特性，其特性曲線如圖2-23所示。曲線1表示氧鉑陰極光電管的光電特性，光電流與光通量成線性關系；曲線2為銻銫陰極光電管的光照特性，它呈非線性關系。光電特性曲線的斜率稱為光電管的靈敏度。硅光電管的光電流與照度之間的關系曲線，見圖2-24。從圖2-24中可以看出，硅光電管的光照特性的線性較好。

②伏安特性　當入射光的頻譜及光通量一定時，對光電器件所加電壓與陽極所產生的電流之間的關系稱為光電管的伏安特性。真空光電管的伏安特性如圖2-25所示。圖2-26表示硅光電管的伏安特性曲線。

③溫度特性　硅光電管的光電流I_L也隨溫度而變化，如圖2-27所示，這不利于弱光信號的探測。對弱信號檢測時要考慮溫度的影響，要采取恒溫或補償措施。

④頻率響應特性　硅光電管的頻率特性主要決定于負載電阻R_L。圖2-28給出了硅光電管的響應時間與負載R_L的關系曲線，從圖2-28中可以看出，當負載超過10⁴Ω以后，響應時間增加得更快。

⑤光電管光譜特性　由于光電陰極對光譜有選擇性，因此光電管對光譜也有選擇性。保持光通量和陽極與陰極之間所加電壓一定時，光電管的靈敏度與入射光波長之間的關系稱為光電管的光譜特性。真空光電管的光譜特性如圖2-29所示。

2.3.4　光電變換電路

（1）硅光電池光電變換電路

圖2-30所示電路中，硅光電池與運算放大器相連，硅光電池處于零偏置狀態，由于運放倒向輸入端與非倒向輸入端為虛短路狀態，相當于硅光電池零偏置電路的等效負載電阻為零，則運算放大器的輸出電壓即等于硅光電池短路電流I_sc與放大器反饋電阻R_f之乘積（V₀=I_scR_f），因而輸出電壓V₀與入射光照度之間具有良好的線性關系。

（2）太陽能電源裝置

光電池可將太陽光的能量直接轉變成電能供給負載。但單片光電池的電壓很低，輸出電流很小，因此不能直接用作負載的電源。一般把很多片光電池組裝成光電池組作為電源使用。由于在輻射照度一定的條件下，單片光電池的開路電壓是定值，與光電池面積大小無關，而光電流的大小則是與光電池面積成正比的。因此，在用單片光電池組裝成電池組時，可以采用增加串聯片數的方法來提高輸出電壓，用增加并聯片數的方法來增大輸出電流。為了在無光照射時仍能正常供電，往往把光電池組和蓄電池組裝在一起使用，這種組合裝置稱為太陽能電源。圖2-31給出了太陽能電源的典型電路。光電池組有兩種接線方式，圖2-31（a）所示的是把單片光電池分組串聯后再并聯；圖2-31（b）所示的是分組并聯后再把各組串聯起來，此接線方式的優點是不會因一片光電池損壞而使整組元件不能工作。圖2-31中，R_L是負載電阻，VD是防逆流二極管。VD可以防止因輻射照度減弱而造成光電池組輸出電壓降低，從而使蓄電池對光電池放電。

在設計太陽能電源時，元件的選擇應注意以下幾點。

①同一串聯光電池組中各片光電池的面積應相等，并聯的各組光電池中所串聯的光電池片數必須相同，這樣才能保證并聯各支路的電壓相同。此外，應盡可能選擇開路電壓和短路電流與溫度的關系都相同的光電池。

②防逆流二極管應選用正向壓降小的、反向耐壓必須高于蓄電池組最高工作電壓的1.2倍，允許工作電流必須大于蓄電池組最大充電電流和最大負載電流之和。

③蓄電池應選用壽命長、漏電小、維護簡單和價格低的，目前選用鎳鎘電池較好。

此外，帶有蓄電池的太陽能電源裝置只能提供低壓直流電源，對于使用高壓交流電源的儀器儀表，可采用直流電源變換器（即逆變器），將直流低壓變換成交流高壓后提供給儀器儀表使用。

（3）硅光電管光電變換電路

在實際應用中，由光電管產生的光電流（或信號電壓）比較小，不能直接用于測量或控制，一般應在其后設置放大器，圖2-32為變換電路的低頻等效電路。圖中R_L為負載電阻；r為放大器輸入阻抗。總負載電阻為R_L與r的并聯電阻，即=R_L∥r。則輸出電壓信號由上式可知，當r?R_L時，輸出電壓信號最大。所以光電管的前置放大器應具有很高的輸入阻抗，如果采用運算放大器，則應選擇場效應管型的運算放大器。

2.3.5　光電池

光電池是一種工作在零偏壓模式的、將光能直接轉換成電能的PN結光電器件。按光電池的用途可分為太陽能光電池和測量光電池兩類。太陽能光電池主要用作電源，對它的要求是轉換效率高、成本低，由于它具有結構簡單、體積小、重量輕、可靠性高、壽命長、在空間能直接利用太陽能轉換成電能的特點，應用廣泛。測量光電池主要用于光電探測，即在不加偏置的情況下將光信號轉換成電信號，對它的要求是線性范圍寬、靈敏度高、光譜響應合適、穩定性好、壽命長，被廣泛地應用在光度、色度、光學精密計量和測試中。

光電池的基本結構就是一個PN結，由于制作PN結材料不同，目前有硒光電池、硅光電池、砷化鎵光電池和鍺光電池四大類。

（1）光電池的基本結構和等效電路

以單晶硅為材料制造的光電池有2DR型和2CR型兩種系列。2DR型是以p型硅為襯底，進行n型摻雜，形成PN結，硅光電池襯底材料的電阻率低（0.01～0.1Ω·cm）。圖2-33為常用硅光電池的結構示意圖和符號，為了提高效率，在器件的受光面上要進行氧化，形成SiO₂保護膜，以防止表面反射光，并且正面電極往往做成梳狀結構，以便于透光和減小串聯電阻。單晶硅光電池的轉換效率一般在10％左右，高的可達15％～20％。

硅光電池的工作原理和等效電路與前面兩小節中敘述的光伏探測器的工作原理和等效電路相同。

（2）硅光電池的主要特性

①光照特性　光電池的光生電壓或光電流與入射光照度的關系稱為光電池的光照特性。由前面的討論可知，開路電壓與光照度成對數關系［見式（2-30）］，短路電流與光照度成線性關系［見式（2-29）］。因此，光電池作為測量元件時，負載電阻應盡可能取得小些，使之近似地滿足“短路”條件。

②光電轉換效率　光電池的最大輸出功率與輸入光功率的比值稱為光電轉換效率。

③頻率特性　對于PN結型光電器件，由于載流子在PN結區內的擴散、漂移，產生與復合都要有一定的時間，所以當光照變化很快時，光電流就滯后于光照變化。要得到短的響應時間，必須選用小的負載電阻R_L。光電池面積越大，則響應時間越大。因為光電池面積越大，則結電容越大，故要求短的響應時間，必須選用小面積光電池。

總的來說，由于硅光電池光敏面大，結電容大，使得頻響較低。為了提高頻響，光電池可在光電導模式下使用，例如，只要加1～2V的反向偏置電壓，則響應時間就會從1μs下降到幾百納秒。

④溫度特性　光電池的參數都是在室溫（25～30℃）下測得的，參數值隨工作環境溫度改變而變化。光電池光照時開路電壓V_oc與短路電流I₀隨溫度變化，開路電壓具有負溫度系數，即隨著溫度的升高V_oc值反而減小，其值為2～3mV/℃，短路電流I₀具有正溫度系數，即隨著溫度的升高，I₀值增大，但增大比例很小，為10～10mA/℃。

當光電池接受強光照射時，必須考慮光電池的工作溫度，如硒光電池超過50℃或硅光電池超過200℃時，它們因晶格受到破壞而導致器件的破壞。因此光電池作為探測器件時，為保證測量精度，應考慮溫度變化的影響。

2.3.6　光電倍增管

（1）結構與工作原理

當入射光微弱時，普通光電管產生的光電流很小（零點幾個微安以下），不易檢測，這時常用光電倍增管對電流進行放大。其工作原理如圖2-34所示，在光陰極和陽極之間裝入許多次陰極（倍增電極），次陰極所用材料具有在一定能量的電子轟擊下，能夠產生更多的“次級電子”的特性。光電倍增管在使用時，各個倍增電極上均加上電壓，且陰極電位最低，各個倍增電極的電位依次升高，陽極電位最高。由于相鄰兩個倍增電極之間有電位差，因此存在加速電場，對電子加速。從陰極發出的光電子，在電場的加速下，逐次打到倍增電極上，逐次引起二次電子發射，電子數量迅速遞增，陽極最后收集到的電子數將達到陰極發射電子數的幾萬倍到幾百萬倍。因此在很微弱的光照時，它就能產生很大的光電流。

（2）主要性能

①倍增系數　一個加速電子打到次陰極上將產生3～6個次級電子，這個數目稱為次陰極的倍增系數，記為σ。總共有n個次陰極，則總的倍增系數為

M=（c'σ）ⁿ=cσⁿ　　（2-31）

式中，c'為各次陰極的收集效率；c為光電倍增管總的倍增系數。

如果電壓有波動，倍增系數也會波動，因此所加電壓越穩越好，這樣可以減小統計漲落，從而減小測量誤差。

②光電陰極靈敏度和光電傳增管總靈敏度　一個光子在陰極上能夠打出的平均電子數稱為光電陰極的靈敏度。入射一個光子在陰極上，最后在陽極上能收集到的平均電子數稱為光電倍增管的總靈敏度。

③暗電流　在沒有光信號輸入時，光電倍增管加上電壓后陽極仍有電流，這種電流稱為暗電流。暗電流通常可以用補償電路加以消除。

④光電倍增管的光譜特性　光電倍增管的光譜特性與相同材料的光電管的光譜特性很相似。