光电效应与光电器件（二）：光电倍增管与内光电效应

光电效应与光电器件（二）：光电倍增管与内光电效应

本文件是光电式传感器章节的第二部分，详细介绍了光电倍增管（PMT）的结构、工作原理、主要参数及应用，并阐述了内光电效应的两种类型——光电导效应和光生伏特效应，以及基于这些效应的典型光电器件。

光电倍增管

光电倍增管（Photo-Multiple Tube, PMT）是一种灵敏度极高、响应速度极快的光探测器，其输出信号在很大范围内与入射光子数成线性关系。它由光阴极、次阴极（倍增电极）和阳极三部分组成。

结构与工作原理

光电倍增管利用二次电子发射现象实现电流放大。其工作电路如图9-7所示，各倍增电极上加有依次升高的电压。从光阴极发出的光电子在电场加速下轰击第一个倍增电极，每个电子可打出3~6个次级电子。这些次级电子再经加速轰击下一个倍增电极，电子数再次倍增。经过n级（通常9~11级）倍增后，阳极收集到的电子数可达阴极发射电子数的10^5~10^8倍，即放大倍数可达几十万倍到上亿倍。因此，光电倍增管的灵敏度比普通光电管高几十万倍到上亿倍，即使在微弱光照下也能产生很大的光电流。

主要参数

1. 倍增系数 M：等于各倍增电极二次电子发射系数δ的乘积。阳极电流 I = iM = iδ^n，电流放大倍数 β = I/i = δ^n = M。M一般在10^5~10^8之间，与所加电压有关。

1. 灵敏度：光电阴极灵敏度指一个光子在阴极上激发的平均电子数；总灵敏度指一个光子入射后在阳极上收集到的总电子数。最大灵敏度可达10 A/lm。极间电压越高灵敏度越高，但过高会导致阳极电流不稳。由于灵敏度极高，光电倍增管不能受强光照射，否则易被损坏。

1. 暗电流：无光信号输入时，加上电压后阳极仍有电流，称为暗电流。正常情况下的暗电流很小，一般为10^-16~10^-10 A。暗电流主要由热电子发射引起，随温度增加而增加。其他影响因素包括欧姆漏电、残余气体放电等。暗电流通常可用补偿电路加以消除。

1. 光谱特性：主要取决于光阴极材料，与相同材料的光电管相似。

应用

光电倍增管是高能物理实验的关键通用部件，被称作中微子实验中技术含量最高、最关键的器件之一。中国已成功研制出世界一流的高性能20英寸微通道板型光电倍增管，打破了国际垄断，解决了大科学工程的“卡脖子”问题。自主研制产品已成功用于高海拔宇宙线观测站（LHAASO）和江门中微子测试基地等大科学工程。

内光电效应型光电器件

内光电效应是指物体受到光照后所产生的光电子只在物体内部运动，而不会逸出物体的现象。多发生于半导体内，可分为光电导效应和光生伏特效应两种。

光电导效应

光电导效应是指物体在入射光能量的激发下，其内部产生光生载流子（电子-空穴对），使物体中载流子数量显著增加而电阻减小的现象。这种效应在大多数半导体和绝缘体中都存在，但金属不会产生光电导效应。基于光电导效应的典型光电器件是光敏电阻。

光生伏特效应

光生伏特效应是指光照在半导体中激发出的光电子和空穴在空间分开而产生电位差的现象，是将光能变为电能的一种效应。当光照在半导体PN结或金属-半导体接触面上时，由于内建电场的作用，光生电子和空穴向相反方向移动和积聚，从而产生电位差。基于光生伏特效应的典型光电器件包括光电池、光敏二极管和光敏晶体管。