工学光电子发射探测器

工学光电子发射探测器第1页/共69页第05章光电子发射探测器Photoemissivedetector,简称PE探测器光电管：光电倍增管：被半导体光电器件取代

极高灵敏度～106

快速响应～pS应用：微弱光信号、快速脉冲弱光信号－－也称为真空光电器件第2页/共69页第05章光电子发射探测器5.1光电阴极5.2光电管和光电倍增管结构原理5.3光电倍增管的主要特性参数5.4光电倍增管的工作电路第3页/共69页5.1光电阴极具有外光电效应的材料－－光电子发射体光电子发射探测器中的光电子发射体－－又称为光电阴极

光电阴极是完成光电转换的重要部件，其性能好坏直接影响整个光电发射器件的性能！！！第4页/共69页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：5.1光电阴极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第5页/共69页1、常规光电阴极（1）Ag－O－Cs材料：（2）单碱锑化物：（3）多碱锑化物：（4）紫外光电阴极：最早的光电阴极表5－1主要应用于近红外探测CsSb阴极最为常用表5－1紫外和可见光区的灵敏度最高Sb－Na－K－Cs最实用的光电阴极材料，高灵敏度、宽光谱，红外端延伸930nm，用于宽带光谱测量仪5.1光电阴极第6页/共69页1、常规光电阴极4．紫外光电阴极

光电阴极只对所探测的紫外辐射信号灵敏，而对可见光无响应，这种阴极通常称为“日盲”型光电阴极。“日盲”型光电阴极实用的两种：碲化铯(CsTe)－－长波限为0.32μm碘化铯(Csl)－－长波限为0.2μm。响应范围(100—280nm)5.1光电阴极第7页/共69页2.负电子亲和势阴极NegativeElectronAffinity，简称NEA5.1光电阴极电子亲和势EA

真空能级与导带底能级之差称为电子亲和势电子亲和势越小，材料发射光电子的能力越强。真空能级低于导带底能级？？？第8页/共69页2.负电子亲和势阴极NegativeElectronAffinity，简称NEA5.1光电阴极电子亲和势EA

真空能级与导带底能级之差称为电子亲和势负电子亲和势真空能级低于导带底能级发射光电子的能力更强第9页/共69页2.负电子亲和势阴极NegativeElectronAffinity，简称NEA5.1光电阴极1963年Simon提出了负电子亲和势（NEA）理论1965年J.J.sheer和J.V.laar

用铯激活砷化镓得到零电子亲和势光电阴极；研制出GaAs-Cs负电子亲和势光电阴极第10页/共69页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。2.负电子亲和势阴极以Si-Cs2O光电阴极为例第11页/共69页2.负电子亲和势阴极P型Si的电子亲和势:N型Cs2O电子亲和势:EA1=E0-EC1>0EA2=E0-EC2>0第12页/共69页体内：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<02.负电子亲和势阴极第13页/共69页体内：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>0EA2=E0-EC2>0EAe=E0-EC1<0第14页/共69页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.负电子亲和势阴极第15页/共69页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、暗电流极小5、延伸的光谱区内其灵敏度均匀式（5－2）与式（1－65）对比2.负电子亲和势阴极第16页/共69页第05章光电子发射探测器5.1光电阴极5.2光电管和光电倍增管的结构原理5.3光电倍增管的主要特性参数5.4光电倍增管的工作电路第17页/共69页5.2光电管和光电倍增管的结构原理5.2.1光电管这类管子体积较大，工作电压高达百伏到数百伏，玻璃外壳容易破碎，它的一般应用目前已基本被半导体光电器件代替。第18页/共69页5.2.2光电倍增管Photomultiplier,简称PMT第19页/共69页5.2.2光电倍增管Photomultiplier,简称PMT结构：光窗光电阴极电子光学系统

电子倍增系统阳极第20页/共69页1.光窗(a)侧窗式；(b)端窗式1）光入射通道2）短波阈值作用：反射式、透射式5.2.2光电倍增管第21页/共69页2.光电阴极作用:1)光电转换能力2)长波波长阈值3)决定整管灵敏度5.2.2光电倍增管第22页/共69页3.电子光学系统

作用:1）收集率接近于12）渡越时间零散最小－－通过电场加速和控制电子运动路线5.2.2光电倍增管第23页/共69页4.电子倍增极

－－由许多倍增极组成，决定整管灵敏度最关键部分作用－－倍增10-15级倍增极5.2.2光电倍增管第24页/共69页4.电子倍增极

1）二次电子发射

材料一次电子二次电子二次电子发射系数：5.2.2光电倍增管第25页/共69页二次电子发射系数：二次发射系数与一次电子能量关系增大Ep，δ值反而下降不同材料δmax

金属：0.5～1.8半导体和介质：5～6负电子亲和势材料：500~δ随Ep增大而增大Epmax约为100～1800eV5.2.2光电倍增管第26页/共69页内增益极高－－倍增原理（1）二次电子发射入射光照射到光电阴极K上，发射光电子，经电子光学系统加速，聚焦到倍增极上，发射出多个二次电子；电子经n级倍增极，形成放大的阳极电流，在负载RL上产生放大的信号输出。5.2.2光电倍增管第27页/共69页4.电子倍增极

（1）二次电子发射（2）实用的倍增极材料（3）倍增极结构灵敏的光电发射体，也是良好的二次电子发射体光电倍增管中的倍增极一般由几级到十五级组成5.2.2光电倍增管第28页/共69页5．阳极作用：－－收集最末一级倍增极发射出来的二次电子，向外电路输出电流。结构：－－具有较高电子收集率，能承受较大电流密度，在阳极附近空间不产生空间电荷效应。阳极广泛采用栅网状结构。5.2.2光电倍增管第29页/共69页阳极因空间电荷效应而影响接收电子——靠近A，空间的电子浓度很大，对于D10后来没射出来的的电子有排斥作用。

光照5.2.2光电倍增管第30页/共69页第05章光电子发射探测器5.1光电阴极5.2光电管和光电倍增管的结构原理5.3光电倍增管的主要特性参数5.4光电倍增管的工作电路第31页/共69页5.3光电倍增管的主要特性参数1．灵敏度

2．电流增益3．光电特性4．光谱特性5．伏安特性6．时间特性7．暗电流8．疲劳特性9．噪声第32页/共69页1．灵敏度光电倍增管的灵敏度单位：阴极灵敏度－－μA/lm或μA/W阳极灵敏度－－A/lm或A/W5.3光电倍增管的主要特性参数第33页/共69页1）阴极灵敏度测试图照射到光电阴极上的光通量约为10-5～10-2lm5.3光电倍增管的主要特性参数－100V～－300V0V第34页/共69页2）阳极灵敏度测试各倍增极和阳极都加上适当电压；注明整管所加的电压3）积分灵敏度与测试光源的色温有关，多用色温2856K的白炽钨丝灯。1）阴极灵敏度测试5.3光电倍增管的主要特性参数第35页/共69页2．电流增益阳极电流与阴极电流之比称为电流增益M（内增益）

例如：δ=4，n=10，M~106

－－光电增益M>>15.3光电倍增管的主要特性参数第36页/共69页电流增益的稳定性：例如，

n＝9～12，测量精度1%电源电压稳定度0.1%。5.3光电倍增管的主要特性参数第37页/共69页3．光电特性阳极光电流与入射于光电阴极的光通量之间的函数关系，称为倍增管的光电特性。（1）弱光，例如光谱仪，开狭缝（2）线性，用于模拟量测量时重要5.3光电倍增管的主要特性参数第38页/共69页4．光谱特性（图5－9和5－10

）近红外远紫外可见光短波限－－窗口材料限制

长波限－－阴极材料限制

5.3光电倍增管的主要特性参数第39页/共69页4．光谱特性近红外光紫外光可见光对比光谱响应范围：PE探测器PV探测器紫外光可见光红外－－远红外光PC探测器紫外光可见光红外－－极远红外光5.3光电倍增管的主要特性参数第40页/共69页5．伏安特性阴极伏安特性阳极伏安特性：光电二极管伏安特性：恒流源－－计算和分析方法相同5.3光电倍增管的主要特性参数第41页/共69页5．伏安特性阴极伏安特性阳极伏安特性：交流微变等效电路恒流源－－计算和分析方法相同5.3光电倍增管的主要特性参数第42页/共69页6．时间特性5.3光电倍增管的主要特性参数三者分别对信号的响应产生什么影响？第43页/共69页6．时间特性5.3光电倍增管的主要特性参数器件时间特性(单位：ns)结构上升时间渡越时间渡越时间散差直线聚焦型0.7～31.3～50.37～1.1环形聚焦型3.4313.6盒栅型～757～70～10百叶窗型～760～10外电路时间特性(单位：ns)第44页/共69页6．时间特性5.3光电倍增管的主要特性参数当电路时间常数较大，倍增管的上限截止频率：倍增管的响应时间输出电路的时间常数第45页/共69页9．噪声与噪声等效功率

阳极散粒噪声=阴极散粒噪声+各级散粒噪声阳极（总的）散粒噪声的均方值：5.3光电倍增管的主要特性参数阴极散粒噪声对阳极的贡献：第46页/共69页阳极散粒噪声=阴极散粒噪声+各级散粒噪声阴极散粒噪声对阳极的贡献：各级散粒噪声对阳极的贡献：5.3光电倍增管的主要特性参数第47页/共69页阳极散粒噪声=阴极散粒噪声+各级散粒噪声阴极散粒噪声对阳极的贡献：阳极散粒噪声的均方值：物理意义：1.倍增起伏使阳极噪声增大K倍2.增大δ1,改善信噪比5.3光电倍增管的主要特性参数噪声增强因子第48页/共69页噪声等效功率:PMT－－10-15～10-16W/Hz1/2PINPD－－10-14W/Hz1/2APD－－10-15W/Hz1/2第49页/共69页噪声等效功率计算举例：CR131光谱响应范围185～900nm；峰值波长400nm

阴极最小有效面积8×24mm2

典型增益6×106

阳极典型暗电流3nA,最大50nA

阴极灵敏度250μA/LmNEP=5.06×10-14Lm/Hz1/2＝???W/Hz1/2第50页/共69页5.3光电倍增管的主要特性参数1．灵敏度

2．电流增益3．光电特性4．光谱特性5．伏安特性6．时间特性7．暗电流8．疲劳特性9．噪声第51页/共69页第05章光电子发射探测器5.1光电阴极5.2光电管和光电倍增管的结构原理5.3光电倍增管的主要特性参数5.4光电倍增管的工作电路第52页/共69页5.4光电倍增管的工作电路－－是保证其正常工作的必要条件，在常用的光探测器件中，其工作电路是最为复杂的。工作电路：高压供电电路信号输出电路分压电阻的确定并联电容的确定高压电源接地方式第53页/共69页高压供电电路－－分压电阻的确定总电压UAK

在1000～1500V之间，倍增极极间电压UD在80～100V之间－－可以确定分压电阻5.4光电倍增管的工作电路IRIAmax第54页/共69页高压供电电路－－分压电阻的确定5.4光电倍增管的工作电路实例：说明：i.第一级对阴极电流形成影响最大,高出20~30Vii.中间级均匀分配iii.最后一级,要高,克服空间电荷区的影响.第55页/共69页高压供电电路－－并联电容的确定

探测光脉冲，最后几级脉冲电流很大，极间电压不稳－－最后几级并联旁路电容C1、C2、C3。C2、C3？？？5.4光电倍增管的工作电路第56页/共69页高压供电电路－－高压电源

专用电源：电压波动在0.05％以内5.4光电倍增管的工作电路第57页/共69页高压供电电路－－接地方式

缺点：阴极负高压，屏蔽困难，暗电流和噪声大。优点：屏蔽罩靠近阴极，效果好；暗电流小，噪声低阳极接地（负高压接法）阴极接地(正高压接法)优点：便于与后面放大器相连，操作安全缺点：高压不利于安全操作；接耐压很高的隔直电容器。5.4光电倍增管的工作电路第58页/共69页信号输出电路

－－交流微变等效电路电流源利用伏安特性：负载电阻设计输出电流输出电压等计算5.4光电倍增管的工作电路第59页/共69页信号输出电路

－－用负载电阻实现I/V转换：较大的负载电阻1.频率响应变差2.饱和引起非线性

5.4光电倍增管的工作电路负载电阻太大，阳极电压降低－－饱和引起非线性

第60页/共69页信号输出电路

－－用负载电阻实现I/V转换：用运算放大器