光电子技术第3章.ppt

1、第三章 光电子发射探测器,1.光电子发射探测器：基于光电效应的光电探测器， 也叫真空探测器。 光光敏材料 发射电子电流 2.分类 光电管：正逐渐被价格低廉，性能稳定的半导体 光电探测器取代。 高内增益：107（二次发射增益因子）可敏 感单个光电子，适合微光探测。 光电倍增管 响应速度快：适合快速脉冲弱光信号探测。,第三章 光电子发射探测器,3.1 光电子发射效应 概述：光电子发射效应（外光电效应），逸出物质表面 的电子叫做光电子。 物理基础：爱因斯坦方程： ：物体的逸出功或功函数 ：物体逸出表面时的速度 一.金属的光电子发射 图-1说明金属能级分布规律： EF :费米能级 EA :表面势垒的高

2、度， 也称金属对电子的亲和势。,情况1：T=0K时，能量最大电子处于费米能级上 (3-1) 电子逸出表面的运动能: 当各种散射损耗=0时， 最大， 金属逸出功： 代入公式3-1 得: 此为：T=0K时，爱因斯坦方程。,第三章 光电子发射探测器,情况2：T0K时: 由图3-1可知，存在高于费米能级的电子 因此 电子存在， 存在 的一个拖尾。 爱因斯坦方程不再成立！ 思考：为什么T0时爱因斯坦方程不成立？ 特例：常温时， 的电子很少，拖尾现象很小，近似 认为爱因斯坦定律在室温下是成立的。 二、半导体的光电子发射 为什么金属发射电子少而半导体易于发射？,第三章 光电子发射探测器,表面逸出功高。 金属

3、： 表面反射强，对光辐射的吸收率低。 内部存在大量电子，相互碰撞损失能量。 对入射光反射系数小，吸收系数大，在长波限就 有电子发射。 ：趋向表面运动的过程中 阴极层导电性适中： 损失能量比金属小； 半导体 ：传导电子的补充不发生 困难。 半导体中存在着大量的发射中心（价带中有大的 电子密度）。 小的光电逸出功，较高的量子效率。,第三章 光电子发射探测器,半导体中光电子发射过程：（三步） 对光电子的吸收： ：逸出 ：在半导体中，对光电导有贡献。 本征发射：本征吸收系数高， 量子效率高2030%。 光电子： 杂质发射：浓度1%，量子效率低，约为1%， 吸收系数低。 自由载流子发射：微不足道。,第三

4、章 光电子发射探测器,光电子向表面的运动 电子散射可以忽略。 晶格散射和光电子与价带中电子碰撞。 半导体的本征吸收系数大：，光电子效率越高， 630mm深度。 避免二次电子空穴对：产生条件：能量是半导体带隙 能量的23倍。 选Eg高的半导体，可避免二次发射。 克服表面势能的逸出能量大于表面势垒否？ 本征半导体： 逸出功：,第三章 光电子发射探测器,杂质半导体： 两部分能量：电子从发射中心激发到导带所需的最低能量。 从导带底逸出所需的最低能量（电子亲和势）。,第三章 光电子发射探测器,3.2光电子发射材料 纯金属材料 有三大类表面吸附一层其他元素的金属和半导体材料。 光电阴极:（光电管，光电倍增

5、管，变像管，像 增强管和一些摄像管等）。 一、光电阴极的主要参数 1.灵敏度 光照灵敏度：（白光灵敏度，积分灵敏度） 光电阴极在一定的白光（色温为2856K的钨丝灯）照射 下，阴极光电流与入射的光通量之比。单位为A/lm。,第三章 光电子发射探测器,色光灵敏度：局部光谱区域的积分灵敏度 在某些特定的波长下，通常用特性已知的滤光片插入光路， 然后测得的光电流与未插入滤光片时阴极所受光照的光通量 之比。 和光照灵敏度的比值。 蓝光灵敏度：QB24 蓝白比 红光灵敏度：HB11 红白比 红外灵敏度：HWB3 红外白比 图3-5为滤光片的光谱透射比,第三章 光电子发射探测器,光谱灵敏度：表示一定波长的

6、单色辐射照到光电阴极上， 阴极光电流与入射的单色辐射通量之比。单位：mA/W,A/W。 量子效率：量子产额： 一定波长的光子入射到光电阴极时，该阴极所发射的光电子数与入射的光子数之比值。 和光谱灵敏度间的关系,第三章 光电子发射探测器,光谱响应曲线： 光电阴极的光谱灵敏度或量子效率与入射辐射波长的关系 曲线。 注意：真空光电器件中的光波灵敏度极限主要由光电阴极材料 的长波限 决定。实际上由阴极材料本身的能级和电子亲和势 决定。 热电子发射： 定义：光电阴极中有少数电子的热能大于光电阴极逸出功， 因此产生热电子发射。 室温下的典型值：10-1610-17Acm-2电流密度。 作用：引起热噪声，限

7、制探测器的灵敏度极限。,第三章 光电子发射探测器,二、常用光电发射材料 良好光电发射材料应具备的条件： 光吸收系数大； 光电子在体内传输过程中的能量损失小； 表面势垒低，使表面逸出几率大。 常见材料的发射特性： 金属：反射大吸收小碰撞能量损失大逸出功大 紫外光能量大，只能做紫外探测器 半导体：反射小吸收大碰撞小能量损失少逸出功小 可用到近红外区,第三章 光电子发射探测器,(一)银化铯阴极 结构： 见图a。 光谱特性：见图b 长波限：1.2m 两个峰值350nm;800nm。 是最早出现的近红外灵敏器， 具有重要的军事应用价值。 缺点： a.灵敏度低：光照灵敏度：30A/lm 辐射灵敏度3mA/

8、lm； 量子效率在峰值波长处：1%,第三章 光电子发射探测器,b.热噪声大： 热电子发射密度：10-1110-14A/cm2（室温） 其值超过任何其它光电阴极。 c.长期受光照会产生严重的疲劳现象，疲劳后光谱响应会发生变化。 (二)单碱锑化物光电阴极 组成：碱金属与锑，铅，铋，铊等生成的金属化合物具 有极其宝贵的光电发射性能。 CiSb、NaSb、KSb、RbSb、CsSb等。 常用的锑铯CsSb阴极性能： 量子效率高：蓝光区、峰值处：30% （比Ag-O-Cs高30倍）,第三章 光电子发射探测器,可见光区（积分响应度）：70150A/lm 长波限： 0.7m左右，对红外和红光不灵敏 见图3-

9、7。 热噪声： 热电子发射密度10-16A/cm2 优于Ag-O-Cs 疲劳特性： 制作工艺简单， 广泛用于紫外和可见光。,第三章 光电子发射探测器,(三)多碱锑化物光电阴极 当锑和几种碱金属形成化合物时，具有较高的响应度，其中有双 碱、三碱、四碱，统称为多碱光电阴极。 锑钾钠 锑钾钠铯 峰值波长： 0.4 紫外近红外 850 930nm长波限 量子效率： 25% 较高 光照灵敏度： 50A/lm 150A/lm400 A/lm 热发射电流密度：10-1710-18A/cm210-1410-16A/cm2 光电疲劳效应：小微小 特点：耐高温(175OC) 工作稳定性好,第三章 光电子发射探测器

10、,(四)紫外光电阴极 1.紫外光辐射能量高量子效率高。 2.日盲型光电阴极：要有合适的窗口材料。 3.碲化铯CsTe 0.32m 碘化铯CsI 0.2 m 100280nm 长波限 三、负电子亲和势材料 定义： 负电子亲和势(NEA):半导体表面做特别处理，使表面区域能 带弯曲，真空能级降到导带之下，使有效的电子亲和势为负 值。 正电子亲和势(PEA):表面的真空能级位于导带之上。,第三章 光电子发射探测器,特点 前所未有的高灵敏度； 长波极限到红外。 工作原理 以Si-Cs2O光电阴极材料为例: 基底型Si材料表面涂Cs Cs2O 表面形成耗尽层 耗尽层电位下降Ed能级弯曲. 对于型i半导体

11、，发射阈值: 形成P-N结合能级弯曲后，P型Si的光电子需克服的有效亲和 势为： (基准 ) 亲和势为负值，说明只要光电子突破禁带，就能发射光电子. 详见图3-8:,第三章 光电子发射探测器,3.特点 量子效率高： 负电子亲和势光电阴极的逸出深度:数微米. 普遍多碱阴极的逸出深度:几十纳米. 光谱响应延伸到红外，光谱响应率均匀 什么叫长波限？ 光子的最小能量必须大于光电发射阈值或 功函数，否则电子就不会逸出物质表面， 这个最小能量对应的波长称为阈值波长 (长波限). (禁带能级）（禁带+亲和势）,第三章 光电子发射探测器,对于正电子亲和势光电阴极：阈值波长： 对于负电子亲和势光电阴极：阈值波长

12、： GaAs光电阴极 ：为1.4eV ：约为890nm。 热电子发射小： 负电子亲和势材料本身的禁带宽度一般比较宽，如果没有强 电场作用，热电子发射小 。10-16A/cm2,第三章 光电子发射探测器,光电子能量集中 光光电阴极光电子入导带热化到导带底发射 由于发射的光电子的能量基本上是导带底的能量 能量集中。 对提高光电成像器件的空间分辨率和时间分辨率很有意义。,第三章 光电子发射探测器,3-3光电倍增管 定义：是一种建立在光电子发射效应，二次电子发 射和电子光学理论基础上的，把微弱入射光转换成 光电子并获得倍增的重要的真空光电发射器件。 一、光电倍增管的工作原理 如图3-10所示 1.K：

13、光电阴极 D：聚焦极 光电聚焦系统：电子会聚 成束，并通过膜孔打到第 一倍增极D1上。,第三章 光电子发射探测器,2.D1D10:倍增极（打拿极） 所加电压逐级增加（每极约为80150V） 形成二次电子发射。 3. a:收集电子的阴极。 二、光电倍增管结构 对结构的要求： 1.使光电阴极发射的光电子尽可能全部会聚到D1 提高信噪比。 2.使阴极面上各处发射的光电子在电子光学系统中有尽可能相等的渡越时间增加快速响应性。 电子光学系统结构：见图3-11： (a),(b),(c)。,第三章 光电子发射探测器,第三章 光电子发射探测器,光电倍增极： 非聚焦型：百叶窗式、 盒一网式。 聚焦型： 直列聚焦

14、式、圆形鼠笼聚焦式。 略，自学！ 三、光电倍增管的基本特性参数 1.灵敏度和光谱响应度 阴极灵敏度： 阳极灵敏度： 讨论： 值由光电阴极材料决定。 光电倍增管光谱响应度与光电阴极光谱响应度曲线相同。,第三章 光电子发射探测器,光电阴极的光谱响应度： 量子效率： 光电阴极的电流光谱响应度： :光电倍增管的放大倍数 4.积分光谱响应度: 阳极积分电流响应度为：,第三章 光电子发射探测器,2.放电倍数（电流增益） 定义：在一定的电压下，光电倍增管的阳极电流和阴极电流 之比，也即一定电压下阳极响应度和阴极响应度的比值。 当电极间电压为80150V，倍增极的倍增系数时， G近似为： 其中：f：第一倍增极

15、对阴极发射电子的收集率。 g: 倍增极间的传递效率：聚焦结构g1，非聚焦结构g1。 n：倍增极的个数。 若阴极和倍增极发射的电子全部被收集 则当n=914时，为：105108,第三章 光电子发射探测器,3.暗电流 无光照射时，光电倍增管的输出电流为暗电流。对测量缓慢 变化的信号不利，一般为：10-810-9A 相当于入射光通量 10-1010-13lm 影响因素： 光电阴极和第一倍增极的热电子发射； 极间漏电流：由于极间绝缘不够或灰尘放电； 离子和光的反馈作用：真空不足，残余气体碰撞电离； 场致发射：电极的尖角在高压下放电； 放射性同位素和宇宙射线的影响。,第三章 光电子发射探测器,减小暗电流

16、的方法： 选择合适的极间电压； 在阳极回路中加上与暗电流相反的直流成分来补偿； 在倍增输出电路中加以选频或锁相放大滤掉暗电流； 利用冷却法减小热电子发射。 4.伏安特性： 阴极伏安特性：入射光照E一定时，IK阴极发射电流与阴极 和第一倍增极之间的电压的关系，如图3-14。 阳极伏安特性：E一定时， Ia与最后一级倍增极之间的电压 Va的关系，如图3-15。,第三章 光电子发射探测器,感兴趣的是阳极伏安特性， 可以看作恒流源。 5.输出信号和等效电路 图解法:图3-16,第三章 光电子发射探测器,等效电路 当 时， 为线性应用。 对直流通路： 对交流通路：,第三章 光电子发射探测器,6.线性 引

17、起非线性的原因： 空间电荷 内因：光电倍增管内部结构：光电阴极电阻率 聚焦和收集效率变化 信号电流负载电阻 外因：外部高压供电和信号输出电路： 负反馈 电压再分配 解决方法 极间电压保持足够高；,第三章 光电子发射探测器,阴极电阻：（一部分被照射，一部分没有被照射）； 负载电阻：光电流负载电阻压降阳极电压 用运放作电流电压转换，减小有效负载电阻； 阳极或倍增输出电流引起电阻链中电压再分配： I电阻压降 阳极电压 0 解决办法： 电阻链中的电流至少应大于1000倍的最大阳极电流。 7. 稳定性 阳极电流随工作时间的变化，在闪烁计数和光度测量中 十分重要。 长期工作中灵敏度的慢漂移,第三章 光电子

18、发射探测器,原因：最后n级倍增极在大量电子轰击下受损，引起二次发射系数变化。 滞后效应：在光电倍增管加上高压或开始光照的短时间内，阳极输出的不稳定。 解决方法： 抗滞后设计； 老化（不可逆）：光电倍增管的残余气体与光电阴极作用，玻璃中的Na离子掺入光电阴极使灵敏度下降； 新的光电倍增管自然老化一段时间后再使用，使用的阳极电流小一些，可以减缓老化过程。,第三章 光电子发射探测器,疲劳：可逆过程 阳极电流 倍增极材料 使用前存放条件 灵敏度降低后，在黑暗中放置几个小时再使用可恢复原状态. 8.时间特性和 频率特点 上升时间：10%90% 所用的时间。 渡越时间：光脉冲到达光电阴极和阳极输出最大脉冲

19、电流达到最大值的时间间隔定义为光电子的渡越时间。 渡越时间离散： 函数光脉冲照到光电阴极的不同区域，发射的电子到达阳极的渡越时间的不一致性。,第三章 光电子发射探测器,9.磁场特性： 磁场改变光电子的正常运动轨迹，引起光电倍增管灵敏度下 降，噪声增加。 降低方法： 光电倍增管加屏蔽筒，筒长至少是光电倍增管的2倍。 10.空间均匀性： 由光电阴极表面的均匀性和倍增的结构决定。 方法： 使光电倍增管前加漫射器； 入射光斑均匀； 偏振光入射，经过漫反射器可以大大降低偏振度，减小偏振误差。,第三章 光电子发射探测器,11.偏振效应： 线偏振光以 角入射到光 电阴极上面，当改变偏振面 时，阳极电流会发生

20、变化。 解决方法： 安装漫射器以减小这类误差。 12.噪声： 散粒噪声：阴极电流产生的散粒噪声 各级倍增极的散粒噪声 设光电阴极电流：IK,散粒噪声的均方值：,第三章 光电子发射探测器,设第一倍增极的倍增系数: 设第二倍增极的倍增系数: 第n极倍增管散粒噪声电流均方值： 如设： ， 则：,第三章 光电子发射探测器,第三章 光电子发射探测器,当 时： （由光电倍增管性质决定） 讨论： 阳极散粒噪声均方值和 相等： K-过剩噪声因子：由于倍增过程的起伏效应使阳极散粒噪声增大K倍 。 如果第一级 ，其它均为 ，则：,证明： 为了减小 信号电流均方值 13.通量阀 定义：在光电倍增管输出端产生的并与固有噪声电平等效的最小光通量（注意：和一般光电探测器的NEP相应）。,第三章 光电子发射探测器,光电倍增管的信噪比： 当 时，得到不同的噪声限： 散粒噪声限： 背景噪声限： 暗电流噪声限：,第三章 光电子发射探测器,五：光电倍增管的供电和信号输出电路 高压供电电路 图3-30 光电倍增管分压电路 负电压高压供电 可以清除外部信号输出电路与 阳极之间的电位差，所以其输出 光电流可以直接与电流计或者电 流电压转换的运算放大器相连。 管子玻壳的金属支架或磁屏蔽 筒接地，其与阳极间的高电压差 可引起噪声。,第三章 光电子发射探测器,线性供电方式 图3-30(a)电阻分压式 设