第三章 光电传感与检测器件1.ppt

1、光电式传感器和检测技术，第三章半导体光电检测元件和应用，第三章半导体光电检测元件和应用主要内容： 3.1真空光电元件光电阴极，光电管，光电倍增管，微通道板光电倍增管3.2光电元件光电电阻3.3接合型光电元件，光电三极管，晶体管，光电耦合元件， 光电位置敏感元件电荷藕合器件3.4光热放射检测元件，真空光电元件是基于外光电效应的光电检测器，其结构特点有真空管和光电阴极，光电阴极和其他元件安装在真空管中。 真空光电元件包括光电管和光电倍增管。 能产生光电效应的物体称为光电发射体，光电发射体在光电元件中经常与阴极连接，所以也称为光电阴极。 什么是光电阴极？ 1概要、真空光电元件、(1)灵敏度、光灵敏度

2、是在一定的白色光照射下，光电阴极的光电流与入射的白色光束之比，也称为白色光灵敏度或积分灵敏度。 色光灵敏度是局部波长范围的积分灵敏度。 表示在特定波段，阴极光电流与入射光光束之比。 通常，插入不同的滤光片来得到不同的光谱范围，将滤光片的透过率不同(如上图所示)分别称为蓝光灵敏度、红光灵敏度、红外灵敏度。 当照射波长的单色光时，分光灵敏度决定来自光电阴极的光电流和入射的单色光束的比。 (2)从量子效率阴极发出的光电子数Ne ()和入射光子数Np ()的比称为量子效率： Q ()=Ne()/N p ()，在用特定波长的光照射光电阴极的情况下，将分光响应曲线光电阴极的分光灵敏度和入射光波长的关系曲线

3、称为分光响应曲线。 (4)在热电子发射光电阴极中，与光电阴极的工作相比，热能更大，热电子发射引起噪声。 因此，能够引起热电子发射，室温下典型的光电阴极每秒钟放出的热电子相当于l0-16 10-17A/cm2的电流密度。 光电阴极大致分为透射型和反射型两种：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，因此不透明的光电阴极也称为反射型阴极，透射型阴极制作成透明介质，光通过透明介质入射到光电阴极上。 由于光电子从光电子阴极的相反侧发射，因此透射型阴极也被称为半透明光电子阴极。 光电子的逃逸深度是有限的，所以对所有的半透明光电阴极都有最合适的厚度。 2光电阴极、Ag-O-Cs具有良好的可见

4、性和近红外响应。 透射型分光响应：nm到1200nm，反射型分光响应：m到1100nm。 Ag-O-Cs光电阴极主要应用于近红外检测。 单碱锑化合物(PEA )是由金属锑Sb和锂、纳金属钍、钾元素、铯等碱金属组成的化合物，可以形成具有稳定光电放射的发光材料，最常使用CsSb，在紫外和可见光区域灵敏度最高。 碱性锑化合物(PEA )是由锑Sb和几种碱金属组成的化合物，含有二碱性锑材料Sb-Na-K、Sb-K-Cs和三碱性锑材料Sb-Na-K-Cs等，Sb-Na-K-Cs是最实用的光电阴极负电子亲合能材料(NEA )是真空能级下降到传导带之下、有效电子亲合能为负的材料，称为负电子亲合能光电阴极材料

5、。 常用的光电阴极材料：在一些应用中，要求光电阴极材料对检测到的紫外辐射敏感，不响应可见光。 该材料通常被称为“日盲”型光电阴极材料，也被称为紫外光电阴极材料。 目前实用的紫外光电阴极碲化铯(CsTe )和碘化铯(Csl )两种。长波限制为0.32m，长波限制为0.2m，紫外线阴极材料，光电管是抽真空或填充了惰性瓦斯气体的玻璃管，在内部时间极、阳极、时间极涂布感光材料，光照射感光材料时，如果光子能量e大于电子的功函数A(EA )，就会因电子发射而发生电子发射。 电子被吸引到带有正电荷的阳极，在光电管内形成电子流，电流在电路电阻r上产生与电流的大小成比例的电压降。 入射光的光谱成分不变化的情况下

6、，产生的光电子与光强度成比例，3个光电管主要用于分光光度计、光电比色计等分析机器和各种自动装置。 光电管主要由玻璃球(光窗)、光电阴极和阳极三部分组成，光电管内即使真空也能填充低压惰性瓦斯气体，因此有真空型和充气型两种。 (a )侧窗式(b )端窗式图5-7光电子倍增管型、4光电子倍增管、光弱时，从电子管产生的电流小，为了提高灵敏度，经常使用光电子倍增管。 例如，核设备的闪烁检测器使用光电子倍增管作为光电转换元件。 光电子倍增管是以电子管为化学基研制出的真空光电子老虎钳，在结构上增加了电子光学系统和电子倍增极，大幅提高了检测灵敏度。 光电子倍增管利用二次电子发射效果，使高速电子撞击固体表面，发

7、射出二次电子，在管内放大光电电流。 (a )侧窗式(b )端窗式图5-7光电子倍增管型，光电子倍增管主要由入射窗、光电子阴极、电子光学系、电子倍增系统和阳极五个主要部分构成。 (1)光电子倍增管的构造，(a )侧窗式(b )端窗式图5-7光电子倍增管型，()窗形式，光窗通常分为侧窗和端窗2种，侧窗、端窗、入射窗、()常用窗材，西林瓶的透过范围为300nm到红外， 透射紫外玻璃的优点是紫外短波的透射截止波长延伸到185nm，熔融石英(熔融二氧化硅)的优点是，远紫外波段透射率相当高，短波截止波长达到160nm，蓝宝石是Al2O3晶体，紫外透射率介于熔融石英和透射紫外玻璃之间，而紫外截止波长在和透射

8、紫外玻璃之间MgF2短波的透射波长可达115nm，电子光学系指从阴极到倍增系的第一倍增极之间的电极空间，包括光电阴极、聚焦极、加速极和第一倍增极。 电子光学系统的主要作用有以下两点() 阴极面各处发射的光电子通过电子光学系统的时间尽可能相等，可以保证光电子倍增管的迅速响应，通常用渡越时间的离散性来表现。电子光学系、()光电阴极发射的光电子尽可能聚集到第一倍增极，使其他部分的杂散光电子散射，提高信噪比，倍增极收集电子的能力用电子收集率表示。 倍增系统由多个倍增极构成，各个倍增极由二次电子倍增材料构成，具有使一次电子倍增的能力。 倍增系统决定全管灵敏度。 () 二次电子发射的原理、二次发射电子数N

9、2与入射的一次电子数Nl之比定义为该材料的二次发射系数：电子倍增极、二次电子发射过程的三阶段： (a )材料吸收一次电子的能量，将体内的电子激发成高能量状态，将这些个的激发电子称为内二次电子； (b )内的二次电子中，最初朝向表面的部分向表面移动，(c )到达界面的内二次电子中，能量比表面势垒大的电子被释放到真空中，成为二次电子。 (a )银氧铯和锑铯两种化合物，敏锐的光电发射体和良好的二次电子发射体。 (b )氧化物型：过氧化镁、氧化钡等。 (c )合金型：银镁、铝镁、铜镁、镍镁、铍等合金。 (d )负电子亲合能材料：铯活化的磷酸镓等。 ()倍增极材料(大致分为以下4种)、光电子倍增管中的倍

10、增极一般由数级到十五级构成。根据电子的轨迹，分为聚焦型和非聚焦型两种。 所谓聚焦，不是使电子束聚焦到一点，而是在电子从前段的倍增极飞向后段的倍增极时，两电极间的电子运动轨迹有可能交叉。 非聚焦是指两电极间的电子运动轨迹平行。 () 倍增极构造、(a )笼式(b )箱栅式(c )直线聚焦型(d )百叶帘式(e )近距离摄影网格式(f )微通道板式、倍增极构造型：光电子倍增管的性能不仅依赖于倍增极的结构类型，还依赖于光电子阴极的尺寸和聚焦系统。 的双曲馀弦值。 下表是6种倍增极构造端窗式光电子倍增管的典型指标的比较。 阳极的作用是收集最终段倍增极放出的二次电子。 最简单使用的阳极是栅格状阳极。 栅

11、状阳极的输出容量小，阳极附近也不易产生空间电荷效应。阳极、右图所示，(2)光电子倍增管的动作原理，() 光子透过入射窗入射到光电子阴极k的() 光电阴极被光激励，从表面发射光电子的() 光电子通过电子光学系统加速聚焦，入射到第1倍增极1，倍增极发射比入射电子数多的二次电子。 当入射电子以n级倍增极倍增时，光电子数被放大n次。 () 倍增后的二次电子由阳极收集，形成阳极光电流I，在负载上产生信号电压0。 为了有效地将光电子聚集到各倍增极电极进行倍增，必须在阴极与第一倍增极、各倍增极之间以及最终倍增极与阳极之间施加一定的电压。 最常见的形式是在阴极和阳极之间施加适当的高压，阴极负连接，阳极正连接，

12、外部连接一系列的电阻，在各电极之间得到一定的分压。 一些光电子倍增管的外形，(3)光电子倍增管的主要特性残奥仪，灵敏度是测量光电子倍增管检测光信号能力的重要残奥仪。 阳极的分光灵敏度与阴极的分光灵敏度和光电子倍增管放大系数的积相等，但其分光响应曲线与阴极基本相同。 ()阴极灵敏度、阴极的光灵敏度对应于在时间极产生的光电流和入射于其上的光束之比，()阳极灵敏度阳极光灵敏度对应于光电子倍增管接受分布温度2856K的光照射时的阳极输出信号电流和入射于阴极的光束之比，即阴极灵敏度，阳极灵敏度也具有蓝色灵敏度、红色灵敏度和单色灵敏度。 光电子倍增管的倍增极的二次电子发射系数是倍增极间电压的函数，有以下的

13、关系，常数k值与倍增极的材料和构造有关，一般是0.70.8。 在、中，放大率与光电子倍增管的施加电压u的关系在此注意：根据上式，光电子倍增管的放大率与阳极输出电流根据施加电压的KN次方指数而变化。 电流放大倍数、光电子倍增管的暗电流是施加规定电压后不照射光测定的阳极电流。 暗电流决定了光电子倍增管的极限灵敏度。 暗电流源可以归纳为阴极和其他零配件的热辐射、极间欧姆漏电、残余气、电场辐射等再生效果三个方面。 ()热电子发射是光电子倍增管暗电流的主要部分。 所谓欧姆漏电，是指在光电子倍增管内支撑电极的绝缘体(玻璃杆、陶瓷薄板、塑料管化学基等)在高电压下的漏电电流。 ()光电子倍增管的工作电压高时，

14、电极前端的电场发射和残余气络离子发射有可能在高电压下发生。 是吗？ 暗电流、暗电流的产生与电源电压有密切的关系，如以下的图所示，在低电压时，暗电流是由漏电电流决定的电压高的情况下，如果主要是热电子发射的电压进一步增大，则引起电场发射和残余气络离子发射，暗电流急剧增加，并且有可能发生带脱落防止机构的放电。在实际使用中，所施加的电源电压必须适当以便获得相对高的S/N比。一般在图的b段动作，光电子倍增管的噪声主要有光电子部件自身的散粒噪声和热噪声、负载电阻的热噪声、光电子阴极和倍增极发射时的闪烁噪声等。 散粒噪声的大部分起因于暗电流倍增。 减少噪声和暗电流的常用有效方法是制冷。 制冷也有效地降低其他

15、光电元件的噪声。 光电子倍增管具有宽的动态范围，可以在大的光强变化范围内保持线性。 然而，如果入射光强度过大，则输出信号电流从理想的线性偏离。 噪声、线性、光电子倍增管的稳定性是指在一定的光下，阳极电流随时间变化。 光电子倍增管的稳定性与工作电流、极间电压、运行时间、环境条件和光的状况等诸多因素有关。 当入射光或施加电压因阶梯函数而变化时，光电子倍增管不能输出完全相同的阶梯函数信号的现象被称为“迟滞现象”。 滞后效应主要是由于电子偏离了设计轨迹，倍增管电极的陶瓷支撑体和玻璃球等的静电作用所致。 在稳定性、滞后效应、()入射光束一定的情况下，将阴极光电流和阴极与第1倍增极之间的电压(简称为阴极电

16、压UK )的关系称为阴极伏安图特性，下图是利用不同的光束测定的阴极伏安图特性。 由图可知，当阴极电压超过一定值(几十伏)时，阴极电流开始饱和，饱和电流与入射光束呈线性关系。 在伏安图特性、()入射光束一定的情况下，将阳极电流和末级的倍增极与阳极之间的电压(简称为阳极电压UP )的关系称为阳极伏安图特性，下图是用不同光束测定的阳极伏安图特性。 在图中，当阳极电压超过一定值时，阳极电流饱和，与入射到阴极面的光束呈线性关系。 光电子倍增管的时间响应主要由从时间电极发射光电子，经过倍增极到达阳极的渡越时间和各光电子之间的渡越时间差所决定。 光学电子倍增管的时间响应通常由阳极输出脉冲的上升、下降时间和电

17、子的渡越时间表示。 大部分的光电子倍增管都会受到周围环境磁场的影响。 磁场使本来由静电场确定的电子轨迹产生偏差。 该现象在从阴极到第一倍增极的区域中最明显。 这是因为在这个区域，电子路径是最大的。 在磁场的作用下，电子运动偏离正常轨迹，光电子倍增管灵敏度降低，噪声增加。 目前，由于栅板和微通道板取代了常规的倍增极结构，这些个型光电子倍增管的抗磁场干扰作用能力大大增强，可用于强磁场环境。 光电子倍增管的供电电路，为了使光电子倍增管正常工作，通常在阴极(k )和阳极(p )之间施加近千伏的高压。 为了确保光电电流的有效采集，光电电流必须由倍增系统有效地放大，并在阴极、聚焦极、倍增极与阳极之间以一定的规则分配高压。 高压发生器、光电子倍增管必修为高压状态，在精密的光放射性测量中，通常要求电源电压的稳定度达到0.010.05。 现在，光学电子倍增管经常使用左下图左所示的小型的高压发生器模块。 输入直流电压一般为15伏，可得到上千伏的负高压输出，电压稳定度为0.02%0.05%。 调节控制端子的电阻或电压值后，输出的电压如下图右所示，在-200伏到-1200伏之间变化。 可变电阻一般为10 k的精密电阻。 ()高压分压电路的必要性为了使光电子倍增管工作