光电管的工作原理 光电管的主要应用

光电管的工作原理

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。

光电管原理是光电效应。一种是半导体材料类型的光电管,它的工作原理光电二极管又叫光敏二极管,是利用半导体的光敏特性制造的光接受器件。当光照强度增加时,PN结两侧的P区和N区因本征激发产生的少数载流子浓度增多,如果二极管反偏,则反向电流增大,因此,光电二极管的反向电流随光照的增加而上升。光电二极管是一种特殊的二极管,它工作在反向偏置状态下。常见的半导体材料有硅、锗等。如我们楼道用的光控开关。还有一种是电子管类型的光电管,它的工作原理用碱金属(如钾、钠、铯等)做成一个曲面作为阴极,另一个极为阳极,两极间加上正向电压,这样当有光照射时,碱金属产生电子,就会形成一束光电子电流,从而使两极间导通,光照消失,光电子流也消失,使两极间断开。

光照射到某些物质上,引起物质的电性质发生变化。这类光致电变的现象被人们统称为光电效应。金属表面在光辐照作用下发射电子的效应,发射出来的电子叫做光电子。光波长小于某一临界值时方能发射电子,即极限波长,对应的光的频率叫做极限频率。临界值取决于金属材料,而发射电子的能量取决于光的波长而与光强度无关,这一点无法用光的波动性解释。还有一点与光的波动性相矛盾,即光电效应的瞬时性,按波动性理论,如果入射光较弱,照射的时间要长一些,金属中的电子才能积累住足够的能量,飞出金属表面。可事实是,只要光的频率高于金属的极限频率,光的亮度无论强弱,光子的产生都几乎是瞬时的,不超过十的负九次方秒。正确的解释是光必定是由与波长有关的严格规定的能量单位(即光子或光量子)所组成。这种解释为爱因斯坦所提出。光电效应由德国物理学家赫兹于1887年发现,对发展量子理论起了根本性作用,在光的照射下,使物体中的电子脱出的现象叫做光电效应(Photoelectric effect)。 光电效应分为光电子发射、光电导效应和光生伏打效应。前一种现象发生在物体表面,又称外光电效应。后两种现象发生在物体内部,称为内光电效应。

光电效应里,电子的射出方向不是完全定向的,只是大部分都垂直于金属表面射出,与光照方向无关 ,光是电磁波,但是光是高频震荡的正交电磁场,振幅很小,不会对电子射出方向产生影响。

光电管的主要应用

PN结型光电二极管与其他类型的光探测器一样,在诸如光敏电阻、感光耦合元件以及光电倍增管等设备中有着广泛应用,它们能够根据所受光的照度来输出相应的模拟电信号(例如测量仪器)或者在数字电路的不同状态间切换(例如控制开关 数字信号处理)。

光电二极管在消费电子产品 例如CD播放器 烟雾探测器以及控制电视机 空调的红外线遥控设备中也有应用,对于许多应用产品来说,可以使用光电二极管或者其他光导材料,它们都可以被用于测量光,常常工作在照相机的测光器,路灯亮度自动调节等。

所有类型的光传感器都可以用来检测突发的光照 或者探测同一电路系统内部的发光光电二极管常常和发光器件(通常是发光二极管)被合并在一起组成一个模块 这个模块常被称为光电耦合元件 如果这样就能通过分析接收到光照的情况来分析外部机械元件的运动情况(例如光斩波器)光电二极管另外一个作用就是在模拟电路以及数字电路之间充当中介,这样两段电路就可以通过光信号耦合起来 这可以提高电路的安全性。

在科学研究和工业中,光电二极管常常被用来精确测量光强,因为它比其他光导材料具有更良好的线性。

在医疗应用设备中,光电二极管也有着广泛的应用 例如X射线计算机断层成像以及脉搏探测器。

PIN结型光电二极管一般不用来测量很低的光强 如果弱光情况下需要高灵敏度探测器,雪崩光电二极管,感光耦合元件或者光电倍增管就能发挥作用,例如天文学、光谱学、夜视设备、激光测距仪等应用产品。

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