第四章--光电子技术

1、 第四章：光电子发射探测器第四章：光电子发射探测器主要内容主要内容：介绍利用光电子发射效应制成的光电器件，重点介介绍利用光电子发射效应制成的光电器件，重点介 绍光电倍增管；绍光电倍增管；应用范围：应用范围：主要用于可见和紫外光辐射的探测，长波长一般主要用于可见和紫外光辐射的探测，长波长一般 限于限于1.06um1.06um以内的光辐射探测以内的光辐射探测 光敏材料电子获得足够能量逸出光辐射器件光敏体 (A) (A) 金属材料的光电子发射金属材料的光电子发射12EdN/dEE xEF EAE曲线曲线1 1：T=0KT=0K 曲线曲线2 2：T0 右图为金属表面的势垒右图为金属表面的势垒的情况的情

2、况 金属中自由电子能量分布：费米分布金属中自由电子能量分布：费米分布E EA：表面势垒的高度：表面势垒的高度- -金属对电子的亲和势，自由电子的能量金属对电子的亲和势，自由电子的能量 大于大于E EA时才能逸出；时才能逸出；E EF：费米能级：费米能级212FAmvEhvEE（4.1-1） FAEEWE：电子电子向表面运动过程中由于散射损失的能量向表面运动过程中由于散射损失的能量在散射损耗在散射损耗E E 为为0 0，光电子发射具有最大的初始速度，光电子发射具有最大的初始速度：金属材料的逸出功。：金属材料的逸出功。)(2102maxvvhWhvm（4.1-2） Whv00v为截止频率为截止频率

3、 2max21m v0 v 爱因斯坦公式：在爱因斯坦公式：在T=0T=0时才严时才严格成立格成立；金属材料的缺点：金属材料的缺点：（1 1）逸出功高）逸出功高（2 2）表面反射强）表面反射强（3 3）对辐射吸收率低）对辐射吸收率低（4 4）体内自由电子多，碰撞使得电子逸出困难）体内自由电子多，碰撞使得电子逸出困难。（B）半导体材料的光电子发射）半导体材料的光电子发射 目前光电阴极多采用半导体材料，其优点是：目前光电阴极多采用半导体材料，其优点是：（1 1）对辐射吸收系数大）对辐射吸收系数大（2 2）导电性能适中，电子向表面运动时损失能量小）导电性能适中，电子向表面运动时损失能量小（3 3）价带

4、中电子密度很大，容易受激发跃迁）价带中电子密度很大，容易受激发跃迁（4 4）逸出功较小）逸出功较小 半导体光电子发射过程半导体光电子发射过程(1) (1) 对光子吸收：对光子吸收： 价带上的电子、杂质能级上的电子、自由电子都可以吸收入射光价带上的电子、杂质能级上的电子、自由电子都可以吸收入射光子而跃迁到导带，当其能量高于子而跃迁到导带，当其能量高于E EA A时就能逸出表面。时就能逸出表面。征发射征发射：光电子来源于价带的发射，相应的材料叫本征发射。光电子来源于价带的发射，相应的材料叫本征发射。优点优点：吸收系数很高：吸收系数很高( (约约10105 5/cm)/cm)，量子效率很高可达，量子

5、效率很高可达20%-30%20%-30%。典型材料典型材料：“锑铯锑铯SbSb-Cs”-Cs”、“锑钾钠铯锑钾钠铯SbSb-K-Na-Cs”-K-Na-Cs”等阴极材料。等阴极材料。 半导体中的自由电子浓度很小，电子散射所造成半导体中的自由电子浓度很小，电子散射所造成的能量损失可以忽略不计。电子能量损失的主要的能量损失可以忽略不计。电子能量损失的主要是：晶格散射和与价带电子的碰撞，而晶格散射是：晶格散射和与价带电子的碰撞，而晶格散射造成的能量损失非常的小。造成的能量损失非常的小。 在以晶格散射为主的半导体中，对于某些吸收系在以晶格散射为主的半导体中，对于某些吸收系数大于数大于106/cm的半导

6、体，它的逸出深度比较大，的半导体，它的逸出深度比较大，所产生的光电子几乎全部都以足够的能量逸出。所产生的光电子几乎全部都以足够的能量逸出。EA Eg W Ec EF Ev Ev：价带能级：价带能级Ec：导带能级：导带能级EA：表面势垒：表面势垒本征半导体的逸出功为：本征半导体的逸出功为： AgEEhvW0 EcEa EA ：为从杂质能级上：为从杂质能级上释放一个电子到导带所释放一个电子到导带所需要的最小能量需要的最小能量EA：表面势垒：表面势垒Ea：杂质能级：杂质能级光电子逸出功为：光电子逸出功为：AEhvW0（1 1）银氧铯（）银氧铯（Ag-O-CsAg-O-Cs，Ag-CsAg-Cs2 2

7、OAgCs-CsOAgCs-Cs）光阴极）光阴极材料类型材料类型：杂质型半导体光电阴极材料，：杂质型半导体光电阴极材料，19291929开始使用，开始使用，19341934年研制的第一支红外变像管就采用这种阴年研制的第一支红外变像管就采用这种阴极，促进了当时军事技术的发展。极，促进了当时军事技术的发展。制作制作：沉积的沉积的AgAg膜用辉光放电的方法氧化后再引入膜用辉光放电的方法氧化后再引入 CsCs敏化制成敏化制成光谱响应光谱响应：光谱响应范围光谱响应范围 300-1200nm,300-1200nm,响应曲线响应曲线 有两个峰值：分别为有两个峰值：分别为350nm350nm和和800nm80

8、0nm工作方式工作方式：反射或透射反射或透射 灵敏度灵敏度：较低，光照灵敏度：较低，光照灵敏度30uA/lm,30uA/lm,辐照灵敏度辐照灵敏度3mA/W.3mA/W.缺点：缺点：长期光照射，会产生严重的疲劳现象，疲劳后长期光照射，会产生严重的疲劳现象，疲劳后 光谱相应曲线也会发生变化，应用受到限制。光谱相应曲线也会发生变化，应用受到限制。改进：改进：把把Bi-Cs-OBi-Cs-O与与Ag-O-CsAg-O-Cs相结合，可获得在可见光相结合，可获得在可见光 谱范围内具有较均匀和高灵敏度的谱范围内具有较均匀和高灵敏度的Bi-Ag-O-CsBi-Ag-O-Cs 光电阴极。目前该种材料很少使用；

9、光电阴极。目前该种材料很少使用；（4）氧化的银）氧化的银-镁合金（镁合金（AgMgOCs） 用于倍增极材料，在用于倍增极材料，在400V时，倍增系数接近时，倍增系数接近6。外部外部直径直径 (mm)(mm)型号型号光谱响应特性光谱响应特性阴极阴极材料材料光光窗窗材材料料倍增倍增结构结构级数级数配套管配套管座座极限额定值极限额定值光谱光谱响应响应代号代号光谱响光谱响应范围应范围(nm)(nm)峰值峰值波长波长(nm)(nm)阳极阳极电压电压(V)(V)末极末极电压电压(V)(V)阳极平阳极平均电流均电流(mA(mA) )2828GDB-GDB-443443T35BT35B300-670300-6

10、70400400KCsSbKCsSbB BBG/11BG/11GZS14-15GZS14-15150015002502500.10.1H2012H2012T35BT35B300-670300-670400400KCsSbKCsSbB BLF/8LF/8GZS13-2GZS13-2160016002502500.050.053030GDB-GDB-235235T30LT30L310-650310-650450450CsSbCsSbL LLF/8LF/8GZS10-1GZS10-1160016002502500.050.05GDB-GDB-240240T11LT11L300-1150300-115

11、0770770AgORbAgORbCsCsL LLF/11LF/11GZS14-1GZS14-1200020003003000.10.1GDB-GDB-413413T35BT35B300-670300-670400400KCsSbKCsSbB BBG/11BG/11GZS13-2GZS13-2150015002502500.10.1GDB-GDB-415415T40BT40B300-670300-670420420NaKSbNaKSbB BBG/11BG/11GZS13-2GZS13-2250025002502500.10.14040GDB-GDB-424424T40BT40B300-6703

12、00-670420420NaKSbNaKSbB BBG/11BG/11GZS15-1GZS15-1210021002502500.10.1GDB-GDB-423423T50BT50B310-850310-850450450NaKCsNaKCsSbSbB BBG/11BG/11GZS15-1GZS15-1180018002502500.150.155151GDB-GDB-512512T35QT35Q170-670170-670400400KCsSbKCsSbQ QVB/13VB/13GZS15-2GZS15-2200020003003000.20.2GDB-GDB-526526T35BT35B3

13、00-670300-670400400KCsSbKCsSbB BVB/11VB/11GZS15-2GZS15-2180018003003000.250.25GDB-GDB-546546T50BT50B310-850310-850400400NaKCsNaKCsSbSbB BVB/11VB/11GZS19-1GZS19-1220022003003000.20.2(KCsSb)(NaKCsSb) A、光电倍增管特点：、光电倍增管特点：（1）较高的内增益，二次电子发射增益因子可）较高的内增益，二次电子发射增益因子可 达达107。（2）对单个光子能量灵敏，应用于光辐射较）对单个光子能量灵敏，应用于光辐

14、射较 弱，响应率要求较高的场合，特别是在高弱，响应率要求较高的场合，特别是在高 精度、远距离的激光测距中广泛使用。精度、远距离的激光测距中广泛使用。（3）光谱范围为可见）光谱范围为可见+近红外（近红外（1.06um）. D1 D3 D7 D5 D9D4D2 D8D6D10 1200 1000 800600400 2001100900 700500300100Ka RLVO光辐射光辐射K：光电阴极：光电阴极; D：为聚焦极：为聚焦极;D1-D10：为倍增极（打拿极）：为倍增极（打拿极）; a：收集电子的阳极：收集电子的阳极;KKSI（4.1.3） SK为阴极灵敏度，定义为阴极电流为阴极灵敏度，定

15、义为阴极电流IK与标准与标准A光源光源(色温为色温为2856K的黑体辐射光的黑体辐射光)入射于光电阴极的光入射于光电阴极的光通量之比，单位为通量之比，单位为uA/lm。aaaSI（4.1.4）KaKamSSIIG (4.1.5)nmgfG)(（4.1.6） 其中其中f：第一倍增极对阴极发射电子的收集效率，通常取：第一倍增极对阴极发射电子的收集效率，通常取0.9g：倍增极间的传递效率：聚焦型结构：倍增极间的传递效率：聚焦型结构g=1 非聚焦型结构非聚焦型结构gE2E1 当当VK在在20 V左右左右时，阴极电流开始趋时，阴极电流开始趋向饱和，与入射照度向饱和，与入射照度成线性关系。成线性关系。Ia

16、(uA) 100 50 100 50Va(V) 照度不同时，阳照度不同时，阳极电压达极电压达50V时，阳时，阳极电流趋向饱和，与极电流趋向饱和，与入射到阳极面上的照入射到阳极面上的照度成正比，实际中，度成正比，实际中，感兴趣的是阳极伏感兴趣的是阳极伏-安特性。安特性。三、疲劳三、疲劳 瞬间强光照射，灵敏度下降，但可恢复。过分的瞬间强光照射，灵敏度下降，但可恢复。过分的强光照射会使光电倍增管出现不可逆损坏，因此，在强光照射会使光电倍增管出现不可逆损坏，因此，在工作中，要求阳极电流不得超过额定值，一般在工作中，要求阳极电流不得超过额定值，一般在100uA左右，相当于阴极入射光通量为左右，相当于阴极

17、入射光通量为10-5lm.步骤步骤1，阴极电流产生的散粒噪声，设阴极电流为，阴极电流产生的散粒噪声，设阴极电流为IK ，其散粒噪声功率为其散粒噪声功率为 feIiKNK 22（4.2.9） 与有用的信号一样，这个散粒噪声电流与有用的信号一样，这个散粒噪声电流INK也也将被逐级放大将被逐级放大 )1 (2 2)(2 )()(22221feIfeIfIeifIeiKKKNKKND步骤步骤3，第二倍增极噪声，除了对阴极噪声和第一倍，第二倍增极噪声，除了对阴极噪声和第一倍增级噪声进行放大外，第二倍增极自己也产生噪声，增级噪声进行放大外，第二倍增极自己也产生噪声，总噪声为：总噪声为： ) 1 ( 2 )

18、1 ( 2) (2 ) ( ) (222221 22 feIfeIfIeifIeiKKKNDKDN112 ).1 (2122nnKnnKNDnfeIfeIi（4.2.10） 由于由于n 1，当，当f=g=1时，时，Gm=f(g)n=n，所以上式可写，所以上式可写为：为：KfGeIimKNDn222（4.2.11） 阳极噪声功率（即第阳极噪声功率（即第n个倍增级的噪声）为：个倍增级的噪声）为：) 1/( K过剩噪声因子过剩噪声因子KfGeIiimKNDnNa2222（4.2.12） 光电阴极电流的平均值光电阴极电流的平均值IK是信号电流是信号电流Is，背景电，背景电流流IB和暗电流和暗电流ID的总和，即：的总和，即：)(DBsKDBsKSIIII（4.2.13） 信号和背景辐射通量信号和背景辐射通量KDDSI /为暗电流等效辐射通量为暗电流等效辐射通量光电倍增管的信号电流均方值为：光电倍增管的信号电流均方值为：22)(msKSaGSi（4.2.14） (4.2.1