直视性电真空成像器件成像物理

第五章直视性电真空成像器件成像物理,象管成像的物理过程象管结构类型与性能指标辐射图像的光电转换电子图像的成像理论电子图像的发光显示光学图像的传像与电子图像的倍增,5.1象管成像的物理过程,步骤：1.将接收的微弱或不可见的输入辐射图像转换成电子图像2.使电子图像获得能量或数量增加，并聚焦成像3.将增强的电子图像转换为可见的光学图像,实现的技术手段：1.光阴极2.电子光学系统3.荧光屏,辐射图像的光电转换,象管利用外光电效应，将输入的辐射图像转换成电子图像：光敏面接收辐射量子产生电子发射所发射的电子流密度正比于辐射通量分布。斯托列托夫定律：饱和光电发射的电子流密度与入射辐射通量密度成正比，因此有入射辐射分布所构成的图像可以通过光阴极变换成电子流分布构成的电子图像。爱因斯坦定律：光电发射出来的光电子的最大初动能与入射光的频率成正比，与入射光的强度无关。,电子图像的能量增强,象管中的电子图像通过特定的静电场或电磁复合场获得能量增强。低能量的电子图像在静电场或电磁复合聚焦场的洛伦兹力作用下得到加速并聚焦到荧光屏上。象管中特定设置的静电场或电磁复合场称之为电子光学系统，具有聚焦电子图像的作用。也称电子透镜。有些象管中还有MCP（微通道板），通过电子图像的电子流密度倍增来进行图像增强。,电子图像的发光显示,荧光屏的基本材料是晶态磷光体，在受到高速电子轰击时，会产生受激发光的现象。荧光屏不仅要具有高的转换效率，而且发射的光谱要和眼睛或与之耦合的光阴极光谱响应一致。当象管中电子图像的加速电压一定时，荧光屏的发光亮度就正比于入射电子流的密度，由此，荧光屏就可以将电子图像转换成可见光的图像。,5.2象管结构类型与性能指标,分类：按照工作波段分类变象管（红外、紫外、X射线等）像增强器按工作方式分类连续工作象管选通工作象管按结构分类近贴式象管倒像式象管静电聚焦式象管电磁复合聚焦式象管,按象管发展阶段分类零代微光像增强器技术一代级联式像增强器技术采用微通道板（MCP）的二代像增强器采用-族光电阴极的三代像增强器技术超二代像增强器技术超三代像增强器技术第四代像增强器技术,近贴式X射线变象管工作原理示意图,缩小性X射线变象管结构示意图1-X射线转换屏；2-光阴极；3-聚焦极；4-阳极；5-输出荧光屏,5.3辐射图像的光电转换,光电发射的物理模型电子逸出表面过程的分析实用的光电阴极光电发射的极限电流密度光阴极面发射电子过渡过程的分析,半导体的基本知识,载流子：物体内运载电荷的粒子，载流子浓度决定于材料的导电能力。1.半导体中存在哪几种载流子？它们是如何产生的？它们的浓度决定于哪些因素？2.半导体中的载流子有哪些运动形式？相关概念：本征半导体、杂质半导体；N型半导体、P型半导体；多子，少子；扩散电流，漂移电流,一、半导体材料半导体电阻率介于导体和绝缘体之间的材料电子器件常用的半导体材料：硅、锗半导体的独特性质摻杂性：摻入微量的杂质可使其电阻率大大降低热敏性：一些半导体的电阻率随温度升高而明显下降光敏性：一些半导体的电阻率随光照的增强而明显下降,二、本征半导体纯净、不含杂质的半导体,1、本征半导体的共价键结构,半导体的原子间以共价键结合，这将决定其导电性能,2.本征激发及产生的两种载流子（1）T=0K（-2730C），且无外界其他能量激发时，价电子不能挣脱共价键的束缚，晶体中没有自由电子，半导体不能导电。（2）本征激发：T（或光照）价电子获得足够能量自由电子（本征激发现象）空穴带单位正电荷的载流子,本征激发的重要特征：自由电子和空穴两种载流子总是成对出现的。自由电子和空穴两者的浓度相等。,结论：（1）本征半导体中由本征激发产生两种载流子：自由电子和空穴；（2）本征半导体中自由电子和空穴成对出现，两者浓度相等。（3）本征半导体载流子的浓度由材料性质和温度值决定。（4）本征载流子的浓度很低，所以本征半导体的导电能力很弱。,由于随机热振动致使共价键被打破而产生空穴-电子,半导体的基本知识,能带：晶体中量子态的能级分成由低到高的许多组，分别与各原子能级相对应，每一组都包含大量的能量很接近的能级，由于在共有化量子态能带图中这样一组密集的能级看上去像一条带子，故称为能带。能带之间的间隙叫禁带，禁带宽度对应着从一个能带到另一个能带的能量差。价带：如同孤立原子的内层能级均被电子填满一样，当原子组成晶体后，与这些内层的能级对应的能带也被电子填满。在共价键结合的晶体中，从最内层的电子直到最外层的价电子都正好填满相应的能带，能量最高的是价电子所填充的能带，称为价带。价带以上基本上是空的，其中最低的空带称为导带。电子摆脱原子的共价键的束缚，形成电子空穴对的过程，实际上是在导带中增加了一个电子，价带中出现了一个空能级。即，半导体中导电的电子，就是处于导带中的电子，而原来填满价带中出现的空能级则代表导电的空穴，空穴的导电性质实质上使反映价带中电子的导电作用。杂质能级：半导体中的杂质原子可以使电子在其周围运动而形成量子态。杂质量子态的能级（杂质能级）处于禁带之中。,三、杂质半导体在本征半导体中摻入特定杂质而形成1.N型半导体（电子型）在本征半导体中摻入5价杂质元素（如磷）而形成。杂质原子提供多余电子自由电子多数载流子,（施主杂质）,室温,挣脱束缚,本征激发自由电子空穴（浓度低）少数载流子（少子）,（浓度大）,（多子）,结论：（1）N型半导体中多子是电子，主要由摻杂产生，多子浓度近似等于杂质浓度。N型半导体主要是电子导电。（2）N型半导体中少子是空穴，由本征激发产生，少子浓度受温度影响很大,三、杂质半导体在本征半导体中摻入特定杂质而形成1.P型半导体（空穴型）在本征半导体中摻入3价杂质元素（如硼）而形成。杂质原子产生空穴（浓度大）多子,（受主杂质）,接受电子,本征激发自由电子（浓度低）少子空穴,结论：（1）P型半导体中多子是空穴，主要由摻杂产生，空穴浓度近似等于杂质浓度。P型半导体主要是空穴导电。（2）P型半导体中少子是自由电子，由本征激发产生，少子浓度受温度影响很大,P型半导体的共价键结构,漂移运动和漂移电流电场作用电子沿电场的反方向运动空穴沿电场方向运动在外电场作用下