光电阴极与光电倍增管.ppt

知识回顾 1 光电二极管 分类 符号 接法 光敏二极管接法 2 光电二极管跟普通二极管和光电池的区别 与普通二极管相比 共同点 一个PN结 单向导电性 不同点 1 受光面大 PN结面积更大 PN结深度较浅 2 表面有防反射的SiO2保护层 3 外加反偏置 与光电池相比 共同点 均为PN结 利用光伏效应 SiO2保护膜 不同点 1 结面积比光电池的小 频率特性好 2 光生电势与光电池相同 但电流比光电池小 3 可在零偏压下工作 常在反偏置下工作 3 光电三极管的电流关系及电连接方法 根据共发射极电流关系有 Ib IpIc Ie 1 Ib 1 Ip 1 E SE 4 象限探测器 5 PIN光电二极管 6 PSD位置传感器 第3章光电阴极与光电倍增管 本章主要内容 3 1阴极与阴极电子学3 2外光电效应3 2光电阴极2 3光电管和光电倍增管 阴极 Cathode 电子器件中发射电子的一极 电子源 阴极电子学研究 1 电子和离子从固体表面的发射过程 2 粒子固体表面相互作用的物理过程 从能带理论浅谈电子发射 思考 如何使体内电子逸出 第一种方式 第二种方式 使体内电子逸出的方法 1 增加电子能量2 削弱阻碍电子逸出的力 阴极发射电子 第一种方式 1 增加电子能量 克服表面势垒而逸出 阴极加热 T足够高 部分电子获得足够能量 1 热电子发射 热阴极 金属 阴极发射电子 第一种方式 1 增加电子能量 克服表面势垒而逸出 阴极加热 T足够高 部分电子获得足够能量 1 热电子发射 热阴极 2 光电子发射 光电阴极 阴极发射电子 第一种方式 2 光电子发射 光电阴极 半导体光电子主要发射分三类 本征发射 价带电子 导带电子h EC EV 杂质发射 杂质能级电子 导带电子h Eg 自由载流子发射 自由载流子 导带电子忽略不计 半导体光电子主要发射分三步 对光子的吸收 电子向表面运动 克服表面势垒而逸出 阴极发射电子 第一种方式 1 增加电子能量 克服表面势垒而逸出 阴极加热 T足够高 部分电子获得足够能量 1 热电子发射 热阴极 2 光电子发射 光电阴极 3 次级电子发射 次级电子发射体 2 降低阻碍电子逸出的力 4 场致发射 场发射阴极 固体表面施加强电场削弱势垒体内部分电子通过隧道效应进入真空 量子隧穿示意图 阴极发射电子 第二种方式 CRT CathodeRayTube 和FED FieldEmissionDisplay 阴极的应用举例 阴极射线管 CRT CRT CathodeRayTube 和FED FieldEmissionDisplay Mo SiO2 Glass Mo Si 场发射阵列制作过程 金属或半导体受光照时 如果入射的光子能量h 足够大 它和物质中的电子相互作用 使电子从材料表面逸出的现象 也称为外光电效应 它是真空光电器件光电阴极的物理基础 当照射到光阴极上的入射光频率或频谱成分不变时 饱和光电流 即单位时间内发射的光电子数目 与入射光强度成正比 Ik 光电流 e 光强Se 该阴极对入射光线的灵敏度 光电发射第一定律 斯托列托夫定律 光电发射第二定律 爱因斯坦定律 光电子的最大动能与入射光的频率成正比 而与入 射光强度无关 Emax 光电子的最大初动能 h 普朗克常数 0 产生光电发射的极限频率 频率阈值 W 金属电子的逸出功 从材料表面逸出时所需的最低能量 单位eV 与材料有关的常数 也称功函数 Emax 1 2 m 2max h h 0 h W 入射光子的能量至少要等于逸出功时 才能发生光电发射 波长阈值 h W hc W 0 76 m 发射电子 必须寻求低于 的低能阈值材料 1 63eV 图光电子最大动能与入射光频率的关系 0 Wmax 0 1 2 m 2max h h 0 h W 为什么会弯曲 能够产生光电发射效应的物体称为光电发射体 光电发射体在光电器件中常与阴极相联故称为光电阴极 什么是光电阴极 阴极 常用的光电阴极材料 反射系数大 吸收系数小 碰撞损失能量大 逸出功大 适应对紫外灵敏的光电探测器 光吸收系数大得多 散射能量损失小 量子效率比金属大得多 光谱响应 可见光和近红外波段 金属 半导体 常规光电阴极 负电子亲和势阴极 半导体材料广泛用作光电阴极 1 灵敏度 色温2856K的钨丝灯 1 光照灵敏度 在一定的白光照射下 光电阴极的光电流与入射的白光光通量之比 也称白光灵敏度或积分灵敏度 它表示在某些特定的波长区域 阴极光电流与入射光的光通量之比 2 色光灵敏度 一般用插入不同的滤光片来获得不同的光谱范围 滤光片的透射比不同 它又分别称为蓝光灵敏度 红光灵敏度及红外灵敏 实际上是局部波长范围的积分灵敏度 QB 中国青色或兰色玻璃 德国 BG HB 中国红色玻璃 2 量子效率 阴极发射的光电子数Ne 与入射的光子数Np 之比 称为量子效率 根据定义 量子效率和光谱灵敏度之间的关系为 式中 单位为nm S 为光谱灵敏度 单位为A W 波长一定的单色光照射时 光电阴极发出的光电流与入射的单色光通量之比 3 光谱灵敏度 光电阴极中有一些电子的热能有可能大于光电阴极逸出功 因而可产生热电子发射 室温下典型光电阴极每秒每平方厘米发射的热电子相当于 l0 16 10 17A cm2的电流密度 3 光谱响应曲线 光电阴极的光谱灵敏度与入射光波长的关系曲线 称为光谱响应曲线 4 暗电流 S nm 为什么会有峰值 光电阴极一般分为 透射型与反射型两种 不透明阴极通常较厚 光照射到阴极上 光电子从同一面发射出来 所以不透明光电阴极又称为反射型阴极 二 光电阴极的分类 透射型阴极通常制作在透明介质上 光通过透明介质后入射到光电阴极上 光电子则从光电阴极的另一边发射出来 所以透射型阴极又称为半透明光电阴极 三 常用光电阴极材料 透射型光谱响应 300nm到1200nm 反射型光谱响应 300m到1100nm Ag O Cs光电阴极主要应用于近红外探测 可见光区域内量子效率低于0 43 如S 1所示 1 Ag O Cs具有良好的可见和近红外响应 350nm 800nm 三 常用光电阴极材料 1 Ag O Cs具有良好的可见和近红外响应 2 单碱锑化合物 PEA 量子效率一般高达20 30 比银氧铯光电阴极高30多倍 如S 4 金属锑与碱金属锂 钠 钾 铯中的一种构成的化合物 都是能形成具有稳定光电发射的发射材料 CsSb最为常用 在紫外和可见光区的灵敏度最高 三 常用光电阴极材料 1 Ag O Cs具有良好的可见和近红外响应 2 单碱锑化合物 PEA 3 多碱锑化合物 PEA 锑和几种碱金属形成的化合物包括双碱锑材料Sb Na K Sb K Cs和三碱锑材料Sb Na K Cs等 Sb Na K Cs是最实用的光电阴极材料 具有高灵敏度和宽光谱响应 如S 20 其红外端可延伸到930nm 量子效率高于20 适用于宽带光谱测量仪 三 常用光电阴极材料 1 Ag O Cs具有良好的可见和近红外响应 2 单碱锑化合物 PEA 3 多碱锑化合物 PEA 4 紫外光电阴极材料 某些应用 要求光电阴极材料只对所探测的紫外辐射灵敏 对可见光无响应 这种材料通常称为 日盲 型光电阴极材料 也称紫外光电阴极材料 目前实用的紫外光电阴极碲化铯 CsTe 和碘化铯 Csl 两种 长波限为0 32 m 长波限为0 2 m 三 常用光电阴极材料 1 Ag O Cs具有良好的可见和近红外响应 2 单碱锑化合物 PEA 3 多碱锑化合物 PEA 4 紫外光电阴极材料 负电子亲和势材料制作的光电阴极与正电子亲和势材料光电阴极相比 具有以下四点特点 5 负电子亲合能材料 NEA 负电子亲和势材料结构 原理 重掺杂的P型硅表面涂极薄的金属Cs 经过处理形成N型的Cs2O 以Si Cs2O光电阴极为例 P型Si的电子亲和势 N型Cs2O电子亲和势 EA1 E0 EC1 0 EA2 E0 EC2 0 体内 P型 表面 N型 表面电子 能级Ec1 入射光子 体内电子 能级Ec1 表面逸出电子E0 Ec1 0 体内有效电子亲和势 EAe E0 EC1 0 2 负电子亲和势阴极 体内 P型 表面 N型 2 负电子亲和势阴极 负电子亲和势是指体内衬底材料的有效电子亲和势 经典发射体的电子亲和势仍是正的 EA1 E0 EC1 0 EA2 E0 EC2 0 EAe E0 EC1 0 NEA的最大优点 量子效率比常规发射体高得多 光电发射过程分析 热电子 受激电子能量超过导带底的电子 冷电子 能量恰好等于导带底的电子 NEA量子效率比常规发射体高得多 2 负电子亲和势阴极 NEA的优点 量子效率比常规发射体高得多 1 量子效率高2 阈值波长延伸到红外区3 由于 冷 电子发射 能量分散小 在成象器件中分辨率极高4 延伸的光谱区内其灵敏度均匀 2 负电子亲和势阴极 当负电子亲和势光电阴极受光照时 被激发的的电子在导带内很快热化 约10 12s 并落入导带底 寿命达10 9s 热化电子很容易扩散到能带弯曲的表面 然后发射出去 所发射光电子的能量基本上都等于导带底的能量 知识回顾 1 阴极 使阴极发射电子的方式 电子器件中发射电子的一极 电子源 知识回顾 1 阴极 使阴极发射电子的方式 2 光电阴极 能够产生光电发射效应的物体称为光电发射体 1 Ag O Cs 可见和近红外响应 0 42 2 单碱锑化合物 PEA 紫外和可见光区 20 30 3 多碱锑化合物 PEA 紫外和可见光区 红外 20 4 紫外光电阴极材料 日盲型 碲化铯 碘化铯C 5 负电子亲合能材料 NEA 3 作为光电阴极材料 金属和半导体材料的优缺点 反射系数大 吸收系数小 碰撞损失能量大 逸出功大 适应对紫外灵敏的光电探测器 光吸收系数大得多 散射能量损失小 量子效率比金属大得多 光谱响应 可见光和近红外波段 金属 半导体 知识回顾 4 负电子亲和势材料 特点 知识回顾 4 负电子亲和势材料 特点 1 量子效率高2 阈值波长延伸到红外区3 由于 冷 电子发射 能量分散小 在成象器件中分辨率极高4 延伸的光谱区内其灵敏度均匀 当负电子亲和势光电阴极受光照时 被激发的的电子在导带内很快热化 约10 12s 并落入导带底 寿命达10 9s 热化电子很容易扩散到能带弯曲的表面 然后发射出去 所发射光电子的能量基本上都等于导带底的能量 本章主要内容 3 1阴极与阴极电子学3 2外光电效应3 3光电阴极3 4光电管和光电倍增管 光电管主要由玻壳 光窗 光电阴极和阳极三部分组成 PT内可以抽成真空也可以充入低压惰性气体 有真空型和充气型两种 一 光电管 PT 简述真空型和充气型两种光电管的工作原理 工作原理 0 2 0 6 0 4 0 8 1 25 20 15 10 5 0 5 6 4 3 2 1 i P lm i uA 一 光电管分类 反射型和透射型 光电倍增管是在光电管的基础上研制出来的一种真空光电器件 在结构上增加了电子光学系统和电子倍系统 因此极大的提高了检测灵敏度 光电倍增管主要由入射窗口 光电阴极 电子光学系统 电子倍增系统和阳极五个主要部分组成 二 光电倍增管 PMT 1 光电倍增管的结构 为了使光电子能有效地被各倍增极电极收集并倍增 阴极与第一倍增极 各倍增极之间以及末级倍增极与阳极之间都必须施加一定的电压 最基本的方法是在阴极和阳极之间加上适当的高压 阴极接负 阳极接正 外部并接一系列电阻 使各电极之间获得一定的分压 2 PMT的工作原理 经过倍增后的二次电子由阳极P收集起来 形成阳极光电流Ip 在负载RL上产生信号电压 0 光子透过入射窗口入射在光电阴极K上 光电阴极K受光照激发 表面发射光电子 光电子被电子光学系统加速和聚焦后入射到第一倍增极D1上 将发射出比入射电子数更多的二次电子 入射电子经N级倍增后 光电子数就放大N次 端窗式 侧窗式 1 入射窗口 侧窗型 side on 从侧面接收入射光 使用不透明光阴极 反射式光阴极 数百元一只 端窗型 head on 从顶部接收入射光 入射窗的内表面上沉积了半透明的光阴极 透过式光阴极 数千元一只 a 窗口形式 b 常用的窗口材料 硼硅玻璃 透射范围从300nm到HW 透紫外玻璃优点 紫外短波透射截止波长可延伸到250nm 熔融石英 二氧化硅 优点 在远紫外区有相当好的透过率 短波截止波长可达到160nm 蓝宝石 Al2O3晶体 特点是 紫外透过率处于熔融石英和透紫外玻璃之间 紫外截止波长可以达到150nm 无毒 抗酸 抗碱 用于军事和航空 1 使光电阴极发射的光电子尽可能全部汇聚到第一倍增极上 2 电子光学系统 电子光学系统 阴极到倍增系统第一倍增极之间的电极空间 包括 光电阴极 聚焦极 加速极及第一倍增极 电子光学系统的主要作用有两点 2 使阴极面上各处发射的光电子在电子光学系统中渡越的时间尽可能相等 这样可以保证光电倍增管的快速响应 3 电子倍增极 倍增系统是由许多倍增极组成 每个倍增极都是由二次电子倍增材料构成的 具有使一次电子倍增的能力 当具有足够动能的电子轰击倍增极材料时 倍增极表面将发射新的电子 称入射的电子为一次电子 从倍增极表面发射的电子为二次电子 a 二次电子发射原理 把二次发射的电子数N2与入射的一次电子数Nl的比值定义为该材料的二次发射系数 什么是一次和二次电子 增大Ep 值反而下降 随Ep增大而增大 3 到达界面的内二次电子中能量大于表面势垒的电子发射到真空中 成为二次电子 二次电子发射过程三个阶段 2 内二次电子中初速指向表面的那一部分向表面运动 1 材料吸收一次电子的能量 激发体内电子到高能态 这些受激电子称为内二次电子 光电倍增管中的倍增极一般由几级到十五级组成 根据电子的轨迹又可分为聚焦型和非聚焦型两大类 3 倍增极结构 聚焦不是指使电子束会聚于一点 而是指电子从前一级倍增极飞向后一级倍增极时 在两电极间的电子运动轨迹 可能有交叉 非聚焦则是指在两电极间的电子运动轨迹是平行的 倍增极结构形式 鼠笼式 结构特点 瓦片 沿圆周排列 性能特点 聚焦性能好 增益高 光电倍增管中的倍增极一般由几级到十五级组成 根据电子的轨迹又可分为聚焦型和非聚焦型两大类 3 倍增极结构 聚焦不是指使电子束会聚于一点 而是指电子从前一级倍增极飞向后一级倍增极时 在两电极间的电子运动轨迹 可能有交叉 非聚焦则是指在两电极间的电子运动轨迹是平行的 倍增极结构形式 鼠笼式 结构特点 瓦片 沿轴排列 性能特点 聚焦性能好 增益高 直列式 光电倍增管中的倍增极一般由几级到十五级组成 根据电子的轨迹