2.3　光电探测器

2.3.1　光敏电阻

材料（或器件）受到光辐射后，电导率发生变化，称为光电导效应，光电导效应属于内光电效应。光敏电阻是最典型的光电导器件。利用具有光电导效应的半导体材料做成的光电探测器称为光敏电阻，光敏电阻是最典型的光电导器件。常用的光敏电阻有：硫化镉（CdS）和硒化镉（CdSe）光敏电阻；硫化铅（PbS）光敏电阻；锑化铟（InSb）光敏电阻和锗掺杂（HgCd_1-xTe）光敏电阻。CdS光敏电阻是工业应用最多的；PbS光敏电阻主要应用于军事装备。

光敏电阻与其他半导体光电器件相比具有以下特点。

①光谱响应范围相当宽，根据光电导材料的不同，光谱响应范围可从紫外、可见光、近红外扩展到远红外，尤其是对红光和红外辐射有较高的响应度。

②工作电流大，可达数毫安。

③所测的光强范围宽，既可测强光，也可测弱光。

④灵敏度高，光电导增益（由光照产生的外部电流与内部电流之比）远远大于1，最大可达10⁵。

⑤偏置电压低，无极性之分，使用方便。

光敏电阻的不足之处是，在强光照射下光电转换线性较差，光电弛豫过程较长，频率响应很低。

下面将介绍光敏电阻的工作原理、主要特性参数和基本偏置电路等。

（1）光敏电阻的工作原理

最简单的光敏电阻原理图及其符号如图2-12所示，它是在均质的光电导体两端加上电极后构成的光敏电阻，两电极加上一定电压后，当光照射到光电导体上，由光照产生的光生载流子在外加电场作用下沿一定方向运动，在电路中产生电流，达到了光电转换的目的。

根据半导体材料的分类，光敏电阻有两种类型，即本征型半导体光敏电阻和掺杂型半导体光敏电阻，其中本征型半导体光敏电阻只有当入射光子能量（hν）等于或大于半导体材料的禁带宽度时才能在外加电场作用下形成光电流，而掺杂型半导体（n型或p型）光敏电阻只要入射光子的能量等于或大于杂质电离能，就能在外加电场作用下形成电流。从原理上说，p型和n型半导体均可制成光敏电阻，但由于电子的迁移率比空穴的大，而且用n型半导体材料制成的光敏电阻性能较稳定，特性较好，故目前大都使用n型半导体光敏电阻。

光敏电阻按照它的光谱特性及最佳工作波长范围，基本上可分为三类。

①对紫外光灵敏的光敏电阻，如硫化镉（CdS）和硒化镉（CdSe）等；

②对可见光灵敏的光敏电阻，如硫化铊（TiS）、硫化镉（CdS）和硒化镉（CdSe）等；

③对红外光灵敏的光敏电阻，如硫化铅（PbS）、碲化铅（PbTe）、硒化铅（PbSe）、锑化铟（InSb）和锗掺杂等。

这其中，几种最常用光敏电阻都有各自的应用特点。

①硫化镉（CdS）光敏电阻　是可见光波段内最灵敏的光电导器件，峰值波长为0.52μm，广泛用于自动控制灯光，自动调光调焦和自动照相机中。

②硫化铅（PbS）光敏电阻　是近红外波段最灵敏的光电导探测器件。它的主要缺点是响应时间过长，室温条件下为100～300μs，在低温下（如77K）可达几十毫秒。

③锑化铟（InSb）光敏电阻　可用来制作红外探测器。

④锗掺杂探测器　其特点是响应时间较短（10^-8s～10^-6），要求工作温度低，如果要求探测峰值波长很长的红外辐射，则必须工作在绝对温度4.2K。锗掺杂探测器的探测波长可至130μm，这是其他探测器所达不到的。

根据理论计算，由光的辐射作用致使光敏电阻电导率增加而产生的光电流I_p与光电导体横截面积成正比，与光电导体长度L（图2-13）的平方成反比，因此在设计光敏电阻时常设法使L减小。为了减小电极间的距离L，一般光敏电阻中采用图2-13所示的梳状电极结构，这样既保证有较大的工作区，又减少了极间距离L。

（2）光敏电阻的主要特性参数

①光电导增益M　是表征光敏电阻特性的一个重要参数，它表示长度为L的光电导体两端加上电压V后，由光照产生的光生载流子在电场作用下所形成的外部光电流与光电子形成的内部电流之间的比值，即

　　 （2-22） 　　

式中，τ为载流子（电子和空穴）的寿命，s；t_dr为载流子渡越极间距离L所需要的有效渡越时间，s。

由于增益系数可看成是一个自由载流子的寿命τ与该载流子在光敏电阻两极间的有效渡越时间t_dr之比，因此只要载流子的平均寿命大于有效渡越时间，增益就可大于1。显然减小电极间的间距L，适当提高工作电压，对提高M值有利。但是，如果L减得太小，使受光面太小，也是不利的，一般M值可达10³数量级。

②光电特性　光敏电阻的光电流与入射光通量之间的关系称光电特性，光电流I_p与入射单色辐射通量ф（λ）之间的关系为

　　 （2-23） 　　

式中，ф（λ）为入射单色辐射通量，W；λ为入射的单色辐射波长，m；q为电子电荷量，C；η为量子效率；hν为单个入射光子的能量，J；τ为光生载流子的平均寿命，s；t_dr为载流子在光敏电阻两极间的有效渡越时间，s。

当弱光照时，τ和t_dr不变，I_p（λ）与ф（λ）成正比，保持线性关系。但当强光照时，τ与光电子浓度有关，t_dr也会随电子浓度变大或出现温升而产生变化，使得I_p（λ）与ф（λ）呈非线性。实验证明，当所加电压一定时，光电流I_p和照度E关系曲线如图2-14所示。

在实际使用中，常常将光敏电阻的光电特性曲线改画成电阻和照度的关系曲线，如图2-14所示。显然，它们是从不同角度来反映光敏电阻的光电特性，图2-15是典型的CdS光敏电阻在直角坐标中的光电特性曲线。从图2-15可见，随着光照的增加，阻值迅速下降，然后逐渐趋向饱和。

③时间常数　根据前面对光电导效应分析，光敏电阻在光照时的响应时间或弛豫时间可以反映光敏电阻的惰性程度，从前面的论述可知，响应时间等于光生载流子的平均寿命τ。增大载流子的寿命可提高器件的响应率，但器件的响应时间却增加（影响器件的高频性能）。此外，光照、温度等外界条件的变化同样直接影响光敏电阻的响应率和响应时间。如PbS光敏电阻的响应时间，在室温时，一般为100～300μs，低温时则长到几十毫秒；PbSe光敏电阻的响应时间，在室温时为5μs，当温度低到干冰温度（195K）时，响应时间为30μs。

④温度特性　光敏电阻的特性参数受工作温度的影响较大，只要温度略有变化，它的光谱响应率、峰值响应波长、长波限等参数都将发生变化，而且这种变化没有规律。为了提高光敏电阻性能的稳定性，降低噪声和提高探测率，采用冷却装置就十分必要。

（3）光敏电阻的基本偏置电路

光电导探测器作为一个支路与外电源组成的回路称为偏置电路，由外电源产生的电流和电压称为偏置电流（偏流）或偏置电压（偏压）。偏置电路是光电导探测器正常工作的必要基础。光敏电阻最基本的偏置电路如图2-16所示，R_p为光敏电阻；R_L为负载电阻；V_b为偏置电压。

根据此偏置电路，可得出

　　 （2-24） 　　

　　 （2-25） 　　

由以上两式得出，当光通量ф发生变化Δф时，亦即光敏电阻R_p有改变量ΔR_p时，相应的I和V_L的增量为

　　 （2-26） 　　

　　 （2-27） 　　

以上两式表明，ΔR_p越大，它输出信号电流ΔI和信号电压ΔV_L就越大。

（4）光敏电阻应用实例

①路灯自动点熄控制　图2-17为路灯自动点熄原理电路，由两部分组成：电阻R_L、电容C和二极管VD组成半波整流滤波电路；CdS光敏电阻和继电器组成光控继电器。路灯接在继电器常闭触点上，由光控继电器来控制路灯的点燃和熄灭。

晚上光线很弱，CdS光敏电阻阻值很大，流过继电器线圈的电流很小，使继电器J不工作，路灯接通电源点亮。早上，天逐渐变亮，即照度逐渐增大，CdS光敏电阻受光照后阻值逐渐变小，流过继电器线圈的电流逐渐增大，当照度增大到一定值时，流过继电器的电流足以使继电器J动作，动触点由常闭位置跳到常开位置，使路灯因继电器断开220V电源而熄灭，达到自动点熄的目的。

②铃声报警器　图2-18示出一个简单的光触发报警电路，其工作原理是，光敏电阻R_p和电阻R₂形成一个电位分压器，在黑暗的条件下，R_p的阻值很高，所以节点A处的电压很小而不能触发可控硅整流器S的控制极B，但在明亮环境下，R的阻值变低，加到控制极B的偏压提高，于是可控硅S导通，并激活报警电铃W。

2.3.2　光生伏特探测器

利用PN结的光生伏特效应工作的光电探测器称为光生伏特探测器，或光伏探测器。

图2-19是一个连接了负载电阻的PN结在光照时的光电反应。只要入射光子能量大于材料禁带宽度，就会在结区产生电子-空穴对。这些非平衡载流子在内建电场的作用下，空穴顺着电场运动，电子逆电场运动，在开路状态，最后在n区边界积累光生电子，p区边界积累光生空穴，产生了一个与内建电场方向相反的光生电场，即在p区和n区之间产生了光生电压V_oc，这就是光生伏特效应。只要光照不停止，这个光生电压将永远存在。光生电压V_oc的大小与PN结的性质及光照度有关。

光生伏特效应与光电导效应同属于内光电效应，PN结型光伏器件与光电导器件（如光敏电阻）相比较，有以下一些主要区别。

①产生光电变换的部位不同，光敏电阻任何部分受光，受光部分电导率就增大，而结型器件，只有PN结区或结区附近受光才产生光电效应。

②光敏电阻无极性，工作时须外加电压，而结型光电器件有正负极性，没有外加电压下也可以把光信号转换成电信号。

③光敏电阻弛豫过程时间常数较大，频率响应较差；结型器件弛豫过程的时间常数相应较小，因此响应速度较快。

④与光敏电阻不同，光伏探测器的内电流增益等于1（但有些结型光电器件，如光电三极管、雪崩光电管等有较大的内增益作用），因此灵敏度较高，也可以通过较大的电流。

由于以上这些特点，使得这一类器件应用非常广泛，一般应用于精密光学仪器、光度色度测量、光电自动控制、光电开关、光继电器、报警系统、电视传真、图像识别等方面。

（1）光伏探测器的工作模式

PN结光伏探测器用图2-20（a）中的符号表示，它的等效电路为一个普通二极管和一个恒流源（光电流源）I_p的并联。光伏探测器可以有两种不同的工作模式，由偏压回路决定。在零偏压（即无外电源）时，称为光伏工作模式，如图2-20（b）所示；反向偏压（即外加p极为负，n极为正的电压）时，称为光电导工作模式，如图2-20（c）所示。对于另一种偏压形式（即正偏压），光伏探测器只相当于一个普通二极管的功能，呈单向导电性而无光电效应。

（2）光伏探测器的伏安特性

有光照时，若PN结外电路接上负载电阻R_L，在PN结内将出现两种方向相反的电流，如图2-20（b）所示：一种是光激发产生的电子-空穴对，形成的光生电流I_p，它与光照有关，其方向与PN结反向饱和电流I₀相同；另一种是光生电流I_D流过负载电阻R_L产生电压降，相当于在PN结施加正向偏置电压，从而产生正向电流I_D，总电流I_L是两者之差，即流过负载的总电流（以光电流方向为正向）为

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

上式中的光电流I_p正比于与光照度E，比例常数S_E称为光照灵敏度，即

I_p=S_EE（A）　　（2-29）

当负载电阻R_L断开时，I_L=0，称p端对n端电压为开路电压V_oc，且由于I_p?I₀，则近似地有

　　 （2-30） 　　

当负载电阻R_L短路时，R_L=0，称流过回路的电流为短路电流I_sc，短路电流就是光生电流I_p。I_p与照度E或光通量ф成正比，从而得到最大线性区，这在线性测量中被广泛应用。

如果给PN结加上一个反向偏置电压V_b，外加电压所建的电场方向与PN结内建电场方向相同，使光生电子空穴对在强电场作用下更容易产生漂移运动，提高了器件的频率特性。

PN结光电器件在不同的照度下的伏安特性曲线如图2-21所示，无光照（E=0）时，伏安特性曲线与一般二极管的伏安特性曲线相同，受光照后，光生电子空穴对在电场作用下形成大于反向饱和电流I₀的光电流I_p，并与I₀同向，因此曲线将沿电流轴向下平移，平移幅度与光照度E_i（i=1、2、3、…）的变化成正比，当PN结上加有反向偏压时，非光生的暗电流随反向偏压的增大有所增大，最后等于反向饱和电流I₀，而光电流I_p几乎与反向电压的高低无关。

2.3.3　光电管

光电管有真空光电管和充气光电管两种。真空光电管由一个阴极和一个阳极密封于真空玻璃管内构成。阴极通常是用逸出功小的光敏材料涂敷在玻璃管内壁做成，阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。当光照在阴极上时，便有电子逸出，在外电场作用下飞向阳极形成电流，从而在电阻上形成压降输出，其工作原理如图2-22所示。

充气光电管在管子内部充了少量的惰性气体（如氩或氖），光电子在飞向阳极的途中，和气体的原子发生碰撞而使气体电离，增大了光电流，因此使光电管的灵敏度增加。但光电管内充气后，将导致光电管的光电流与入射光强度不成比例关系，从而使光电管稳定性变差、惰性增大、受温度影响大、容易衰老，因此，在自动检测等要求测量精确度较高的场合，一般都采用真空光电管。

光电管是典型的光伏探测器件，具有量子效率高、噪声低、响应快、线性工作范围大、耗电少、体积小、寿命长和使用方便等优点，最适合激光探测等应用。制造光电管的半导体材料有硅（Si）、锗（Ge）、砷化镓（GaAs）和磷砷化镓（GaAsP）等。其中用硅材料制造的光电管的暗电流很小，温度系数很低，性能稳定，目前在可见光区应用最多的是硅光电管，因而使用广泛。下面将主要介绍硅光电管的结构、工作原理和特性等。

（1）硅光电管结构及工作原理

硅光电管和光电池一样，都是基于PN结的光电效应而工作的，它主要用于可见光及红外光谱区。硅光电管通常在反向偏置条件下工作，即光电导工作模式。这样可以减小光生载流子渡越时间及结电容，可获得较宽的线性输出和较高的响应频率，适用于测量甚高频调制的光信号。硅光电管也可用在零偏置状态，即光伏工作模式，这种工作模式突出优点是暗电流等于零。后继线路采用电流电压变换电路，线性区范围扩大，得到广泛应用。

硅光电管在结构和工作原理上与硅光电池相似。如果应用于光伏工作模式，其机理与光电池基本相同，都是属于PN结型光生伏特效应。硅光电管与光电池的区别之处在于：

①光电池衬底材料的掺杂浓度较高，为10¹⁶～10¹⁹/cm³原子数，而硅光电管掺杂浓度为10¹²～10¹³/cm³原子数；

②光电池电阻率低，为0.01～0.1Ω/cm，而硅光电管则为1000Ω/cm；

③光电池在零偏置下工作，而硅光电管通常在反向偏置下工作；

④一般说来，光电池的光敏面面积比硅光电管的光敏面大得多，因此硅光电管的光电流小得多，通常在微安量级。

硅光电管在无光照条件下，若给PN结加一个适当的反向电压，则反向电压加强了内建电场，使PN结空间电荷区拉宽，势垒增大，流过PN结的反向饱和电流（称或暗电流）很小。反向电流是由少数载流子的漂移运动形成的。

当硅光电管被光照，且入射光子能量满足电子跃迁条件，即hν>E_g时，则在结区产生的光生载流子将被内建电场拉开，光生电子被拉向n区，光生空穴被拉向p区，于是在外加电场的作用下形成了以少数载流子漂移运动为主的光电流。显然，光电流比无光照时的反向饱和电流大得多，光照越强，表示在同样条件下产生的光生载流子越多，光电流就越大，反之，则光电流越小。

当硅光电管与负载电阻R_L串联时，则在R_L的两端可得到随光照度变化的电压信号，从而完成了将光信号转变成电信号的转换，如图2-22所示。

（2）硅光电管的主要特性

①光电特性　当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系称为光电特性，其特性曲线如图2-23所示。曲线1表示氧铂阴极光电管的光电特性，光电流与光通量成线性关系；曲线2为锑铯阴极光电管的光照特性，它呈非线性关系。光电特性曲线的斜率称为光电管的灵敏度。硅光电管的光电流与照度之间的关系曲线，见图2-24。从图2-24中可以看出，硅光电管的光照特性的线性较好。

②伏安特性　当入射光的频谱及光通量一定时，对光电器件所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。真空光电管的伏安特性如图2-25所示。图2-26表示硅光电管的伏安特性曲线。

③温度特性　硅光电管的光电流I_L也随温度而变化，如图2-27所示，这不利于弱光信号的探测。对弱信号检测时要考虑温度的影响，要采取恒温或补偿措施。

④频率响应特性　硅光电管的频率特性主要决定于负载电阻R_L。图2-28给出了硅光电管的响应时间与负载R_L的关系曲线，从图2-28中可以看出，当负载超过10⁴Ω以后，响应时间增加得更快。

⑤光电管光谱特性　由于光电阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有选择性。保持光通量和阳极与阴极之间所加电压一定时，光电管的灵敏度与入射光波长之间的关系称为光电管的光谱特性。真空光电管的光谱特性如图2-29所示。

2.3.4　光电变换电路

（1）硅光电池光电变换电路

图2-30所示电路中，硅光电池与运算放大器相连，硅光电池处于零偏置状态，由于运放倒向输入端与非倒向输入端为虚短路状态，相当于硅光电池零偏置电路的等效负载电阻为零，则运算放大器的输出电压即等于硅光电池短路电流I_sc与放大器反馈电阻R_f之乘积（V₀=I_scR_f），因而输出电压V₀与入射光照度之间具有良好的线性关系。

（2）太阳能电源装置

光电池可将太阳光的能量直接转变成电能供给负载。但单片光电池的电压很低，输出电流很小，因此不能直接用作负载的电源。一般把很多片光电池组装成光电池组作为电源使用。由于在辐射照度一定的条件下，单片光电池的开路电压是定值，与光电池面积大小无关，而光电流的大小则是与光电池面积成正比的。因此，在用单片光电池组装成电池组时，可以采用增加串联片数的方法来提高输出电压，用增加并联片数的方法来增大输出电流。为了在无光照射时仍能正常供电，往往把光电池组和蓄电池组装在一起使用，这种组合装置称为太阳能电源。图2-31给出了太阳能电源的典型电路。光电池组有两种接线方式，图2-31（a）所示的是把单片光电池分组串联后再并联；图2-31（b）所示的是分组并联后再把各组串联起来，此接线方式的优点是不会因一片光电池损坏而使整组元件不能工作。图2-31中，R_L是负载电阻，VD是防逆流二极管。VD可以防止因辐射照度减弱而造成光电池组输出电压降低，从而使蓄电池对光电池放电。

在设计太阳能电源时，元件的选择应注意以下几点。

①同一串联光电池组中各片光电池的面积应相等，并联的各组光电池中所串联的光电池片数必须相同，这样才能保证并联各支路的电压相同。此外，应尽可能选择开路电压和短路电流与温度的关系都相同的光电池。

②防逆流二极管应选用正向压降小的、反向耐压必须高于蓄电池组最高工作电压的1.2倍，允许工作电流必须大于蓄电池组最大充电电流和最大负载电流之和。

③蓄电池应选用寿命长、漏电小、维护简单和价格低的，目前选用镍镉电池较好。

此外，带有蓄电池的太阳能电源装置只能提供低压直流电源，对于使用高压交流电源的仪器仪表，可采用直流电源变换器（即逆变器），将直流低压变换成交流高压后提供给仪器仪表使用。

（3）硅光电管光电变换电路

在实际应用中，由光电管产生的光电流（或信号电压）比较小，不能直接用于测量或控制，一般应在其后设置放大器，图2-32为变换电路的低频等效电路。图中R_L为负载电阻；r为放大器输入阻抗。总负载电阻为R_L与r的并联电阻，即=R_L∥r。则输出电压信号由上式可知，当r?R_L时，输出电压信号最大。所以光电管的前置放大器应具有很高的输入阻抗，如果采用运算放大器，则应选择场效应管型的运算放大器。

2.3.5　光电池

光电池是一种工作在零偏压模式的、将光能直接转换成电能的PN结光电器件。按光电池的用途可分为太阳能光电池和测量光电池两类。太阳能光电池主要用作电源，对它的要求是转换效率高、成本低，由于它具有结构简单、体积小、重量轻、可靠性高、寿命长、在空间能直接利用太阳能转换成电能的特点，应用广泛。测量光电池主要用于光电探测，即在不加偏置的情况下将光信号转换成电信号，对它的要求是线性范围宽、灵敏度高、光谱响应合适、稳定性好、寿命长，被广泛地应用在光度、色度、光学精密计量和测试中。

光电池的基本结构就是一个PN结，由于制作PN结材料不同，目前有硒光电池、硅光电池、砷化镓光电池和锗光电池四大类。

（1）光电池的基本结构和等效电路

以单晶硅为材料制造的光电池有2DR型和2CR型两种系列。2DR型是以p型硅为衬底，进行n型掺杂，形成PN结，硅光电池衬底材料的电阻率低（0.01～0.1Ω·cm）。图2-33为常用硅光电池的结构示意图和符号，为了提高效率，在器件的受光面上要进行氧化，形成SiO₂保护膜，以防止表面反射光，并且正面电极往往做成梳状结构，以便于透光和减小串联电阻。单晶硅光电池的转换效率一般在10％左右，高的可达15％～20％。

硅光电池的工作原理和等效电路与前面两小节中叙述的光伏探测器的工作原理和等效电路相同。

（2）硅光电池的主要特性

①光照特性　光电池的光生电压或光电流与入射光照度的关系称为光电池的光照特性。由前面的讨论可知，开路电压与光照度成对数关系［见式（2-30）］，短路电流与光照度成线性关系［见式（2-29）］。因此，光电池作为测量元件时，负载电阻应尽可能取得小些，使之近似地满足“短路”条件。

②光电转换效率　光电池的最大输出功率与输入光功率的比值称为光电转换效率。

③频率特性　对于PN结型光电器件，由于载流子在PN结区内的扩散、漂移，产生与复合都要有一定的时间，所以当光照变化很快时，光电流就滞后于光照变化。要得到短的响应时间，必须选用小的负载电阻R_L。光电池面积越大，则响应时间越大。因为光电池面积越大，则结电容越大，故要求短的响应时间，必须选用小面积光电池。

总的来说，由于硅光电池光敏面大，结电容大，使得频响较低。为了提高频响，光电池可在光电导模式下使用，例如，只要加1～2V的反向偏置电压，则响应时间就会从1μs下降到几百纳秒。

④温度特性　光电池的参数都是在室温（25～30℃）下测得的，参数值随工作环境温度改变而变化。光电池光照时开路电压V_oc与短路电流I₀随温度变化，开路电压具有负温度系数，即随着温度的升高V_oc值反而减小，其值为2～3mV/℃，短路电流I₀具有正温度系数，即随着温度的升高，I₀值增大，但增大比例很小，为10～10mA/℃。

当光电池接受强光照射时，必须考虑光电池的工作温度，如硒光电池超过50℃或硅光电池超过200℃时，它们因晶格受到破坏而导致器件的破坏。因此光电池作为探测器件时，为保证测量精度，应考虑温度变化的影响。

2.3.6　光电倍增管

（1）结构与工作原理

当入射光微弱时，普通光电管产生的光电流很小（零点几个微安以下），不易检测，这时常用光电倍增管对电流进行放大。其工作原理如图2-34所示，在光阴极和阳极之间装入许多次阴极（倍增电极），次阴极所用材料具有在一定能量的电子轰击下，能够产生更多的“次级电子”的特性。光电倍增管在使用时，各个倍增电极上均加上电压，且阴极电位最低，各个倍增电极的电位依次升高，阳极电位最高。由于相邻两个倍增电极之间有电位差，因此存在加速电场，对电子加速。从阴极发出的光电子，在电场的加速下，逐次打到倍增电极上，逐次引起二次电子发射，电子数量迅速递增，阳极最后收集到的电子数将达到阴极发射电子数的几万倍到几百万倍。因此在很微弱的光照时，它就能产生很大的光电流。

（2）主要性能

①倍增系数　一个加速电子打到次阴极上将产生3～6个次级电子，这个数目称为次阴极的倍增系数，记为σ。总共有n个次阴极，则总的倍增系数为

M=（c'σ）ⁿ=cσⁿ　　（2-31）

式中，c'为各次阴极的收集效率；c为光电倍增管总的倍增系数。

如果电压有波动，倍增系数也会波动，因此所加电压越稳越好，这样可以减小统计涨落，从而减小测量误差。

②光电阴极灵敏度和光电传增管总灵敏度　一个光子在阴极上能够打出的平均电子数称为光电阴极的灵敏度。入射一个光子在阴极上，最后在阳极上能收集到的平均电子数称为光电倍增管的总灵敏度。

③暗电流　在没有光信号输入时，光电倍增管加上电压后阳极仍有电流，这种电流称为暗电流。暗电流通常可以用补偿电路加以消除。

④光电倍增管的光谱特性　光电倍增管的光谱特性与相同材料的光电管的光谱特性很相似。