第三章光电探测器件ppt课件.ppt

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1、第三章 光电子发射探测器,表1：探测器件分类,表2 光子效应分类,光电效应,定义：物质在光的作用下，不经升温而直接引起物质中电子运动状态发生变化；因此，把由光照而引起物体电学特性的改变统称为光电效应。,1. 原因：是辐射，而不是升温；2. 现象：电子运动状态发生变化；3. 结果：光电子发射、电导率变化、光生伏特。,在理解上述定义时必须掌握以下三个要点：,光对电子的直接作用是物质产生光电效应的起因,光电效应的起因： 在光的作用下，当光敏物质中的电子直接吸收光子的能量足以克服原子核的束缚时，电子就会从基态被激发到高能态，脱离原子核的束缚，在外电场作用下参与导电，因而产生了光电效应。,这里需要说明的

2、是，如果光子不是直接与电子起作用，而是能量被固体晶格振动吸收，引起固体的温度升高，导致固体电学性质的改变，这种情况就不是光电效应，而是热电效应。,光与物质的作用实质是光子与电子的作用，电子吸收光子的能量后，改变了电子的运动规律。由于物质的结构和物理性能不同，以及光和物质的作用条件不同，在光子作用下产生的载流子就有不同的规律，因而导致了不同的光电效应。,外光电效应，是指物质受光照后而激发的电子逸出物质的表面，在外电场作用下形成真空中的光电子流。这种效应多发生于金属和金属氧化物。内光电效应，是指受光照而激发的电子在物质内部参与导电，电子并不逸出光敏物质表面。这种效应多发生于半导体内。内光电效应又可

3、分为光电导效应、光生伏特效应和光磁电效应等。,3-1 光电子发射探测器,3.1.1 光电子发射效应 3.1.2 光电发射材料3.1.3 光电倍增管,（一）光电发射原理,1887，德国物理学家赫兹发现金属或半导体在光的照射下吸收光子激发出自由电子，当吸收的能量足以克服原子核对电子的束缚时，电子就会脱离原子核逸出物质的表面，这就是物质的光电发射现象，也称为外光电效应。是真空光电器件光电阴极的物理基础。,3.1.1 光电发射效应,Photoelectric effect,Heinrich Hertz（ l8571894）,A Heuristic Interpretation of the Radia

4、tion and Transformation of Light,电子逸出功： 电子逸出功是描述材料表面对电子束缚强弱的物理量，在数量上等于电子逸出表面所需的最低能量，也可以说是光电发射的能量阈值。,能产生光电发射效应的物体，称为光电发射体，在光电管中又称为光阴极。,（二）光电发射基本定律,当照射到光阴极上的入射光频率或频谱成分不变时，入射辐射通量越大（携带的光子数越多），激发电子逸出光电发射体表面的数量也越多，因而发射的光电流就增加，因此，饱和光电流（即单位时间内发射的光电子数目）与入射辐射通量（光强度）成正比：,1.光电发射第一定律斯托列托夫定律：,I ： 饱和光电流; k ：光电发射灵敏

5、度常数； ： 入射辐射通量,光电子的最大动能与入射光的频率成正比，而与入射光强度无关：,显然，当 时，逸出电子无动能，那么，就不会产生光电发射，因此，光电发射存在长波限。,2.光电发射第二定律爱因斯坦定律：,m为电子质量,vmax为电子逸出后的最大速度；,h 为普朗克常数：,Ew 为光电发射体的逸出功,（1）光电效应的有、无只与入射光的波长、频率有关，与入射光的强度无关； 光电效应的产生，唯一的取决于入射光的波长、频率以及器件的能级结构。（2）光电效应的强弱既与入射光的强度有关，也与入射光的波长、频率有关。 入射光的强弱反映入射光子数的多少；入射光的波长、频率不同，器件对其的响应度不同。,光电

6、效应的特性是：,（三）光电效应发生的条件：,截止频率,截止波长,可见，Ew 小的发射体才能对波长较长的光辐射产生光电发射效应。,1eV=1.60210-19(J),一些金属的极限波长(nm)：铯 钠 锌 银 铂652 540 372 260 196,（四）光电发射的基本过程,从实验知道，产生光电流的过程非常快，一般不超过10-9s；停止用光照射，光电流也就立即停止。这表明，光电效应是瞬时的。,1)光射入物体后，物体中的电子吸收光子能量，从基态跃迁到能量高于真空能级的激发态。2)受激电子从受激地点出发，在向表面运动过程中免不了要同其它电子或晶格发生碰撞，而失去一部分能量。3)达到表面的电子，如果

7、仍有足够的能量足以克服表面势垒对电子的束缚（即逸出功）时，即可从表面逸出。,光电发射大致可分三个过程：,表面势垒是由于原子核的静电引力等作用引起。,金属中自由电子能量服从费米分布,热电子发射: 物体被加热而发射电子的现象。当物体被加热时，电子的能量随温度的提高而增大，其中有的电子就能够克服表面势垒而逸出物体。,（五） 金属的光电子发射,逸出功：即电子从固体中逸出所需的最小能量。为WEv-EF。,E为真空能级,EF为费米能级,当温度T1较低时，金属内部能量最大的电子也不足以克服表面势垒而逸出。当温度T2较高时，能量高于真空能级E的电子就有可能克服表面势垒而逸出，即形成热电子发射。,光电子发射：物

8、体受光照射而发射电子的现象称作光电子发射。光照射在物体上有一部分被反射，其余部分穿入物体内被吸收。物体吸收光能后可能出现能量较大的电子，某些电子在到达物体表面时还保留足够的能量，能够克服表面势垒而逸出，成为发射电子。,（五） 金属的光电子发射,金属中自由电子能量服从费米分布,在向表面运动并逸出表面前各种损失能量E0，克服表面势垒EA。因此，从表面逸出电子动能为：,（五） 金属的光电子发射,T=0K 时，金属中能量最大的电子处在费米能级上，即E=EF。,当这些电子吸收光子能量 hv 后，能量增大至 E = E + hv 。,E=0时发射初速度最大为vmax ，且逸出功 Ew=EA-EF=hv0,

9、T0K时，金属中一部分电子的能量比费米能级EF高出E，这些电子的存在导致出现初速度大于vmax的光电子。在 vv0 时出现拖尾现象。因此，爱因斯坦定律只在T0K时正确。,金属反射掉大部分入射的可见光（反射系数达90%以上），吸收效率很低；光电子与金属中大量的自由电子碰撞，在运动中丧失很多能量。只有很靠近表面的光电子，才有可能到达表面并克服势垒逸出，即金属中光电子逸出深度很浅，只有几nm；金属逸出功大多为大于3eV，对能量小于3eV（410nm）的可见光来说，很难产生光电发射，只有铯（2eV逸出功）对可见光最灵敏，故可用于光阴极。但纯金属铯量子效率很低，小于0.1%，在光电发射前两个阶段能量损耗

10、太大。,根据能量最小原理，电子填充能带时，总是从最低的能带、最小能量的能级开始填充。满带：任何时间都填满电子数。价带：绝对零度时，价带为价电子占满。而导带中没有电子。导带：价带中电子获得足够的热能或辐射能后，就会越过禁带进入导带。,半导体的能带,（六）半导体的光电发射,1)吸收光电子。当吸收的光子能量大于EA时激发的电子才有可能逸出表面，而低于EA的那些电子则成为导带中的非平衡电子，对光电导有贡献。,半导体的光电子发射过程：,本征发射、杂质发射、自由载流子发射,2)光电子向表面运动。受激电子从受激地点出发，在向表面运动过程中免不了要同其它电子或晶格发生碰撞，而失去一部分能量。,3)克服表面势能

11、逸出。达到表面的电子，如果仍有足够的能量足以克服表面势垒对电子的束缚（即逸出功）时，即可从表面逸出。,本征半导体为 hv0=Eg+EA,本征半导体,T=0K时，本征半导体中电子占据的最高能级是价带顶，因此，电子从价带顶跃迁到导带所需的最小能量为：,N型半导体,N型半导体是以电子为主导电的半导体，施主杂质中的电子只要获得很小的能量，就能脱离原子而参加导电，由于导带中的电子在导电中起主要作用，因此也称为“电子型半导体”。 施主能级处于禁带内导带底的下面。电子从施主能级跃迁到导带所需的最低能量为:,在常温下，电子所具有的平均热能就足以使施主原子电离。因此，对N型半导体具有较高的电导率。,P型半导体,

12、P型半导体是以空穴为主导电的半导体，这样的半导体也称为“空穴型半导体”。由能级图可见，受主能级处于禁带内价带顶的上方，价带电子跃迁到受主能级所需的电离能为:,这时由于电子填充了共价键中的空位而出现空穴。在常温下，电子所具有的平均热能就足以使受主原子电离。因此，P型半导体具有较高的电导率。,逸出功：,逸出功：,逸出功,逸出功：,逸出功：,半导体的光电逸出功由两部分组成：,一部分是电子从发射中心激发到导带所需的最低能量；,另一部分是电子从导带底逸出所需的最低能量（即电子亲和势）。,半导体自由电子较少，且有禁带，费米能级EF一般都在禁带当中，且随掺杂和内外电场变化。,半导体电子逸出功定义为T=0K时

13、真空能级与电子发射中心的能级之差，而电子发射中心的能级有的是价带顶，有的是杂质能级，有的是导带底，情况复杂，因此对于半导体很少用电子逸出功的概念。,由于电子逸出功不管从哪里算起，其中都包含有亲和势（真空能级与导带底之差），因此为了表示光电发射的难易，使用亲和势的概念比使用逸出功的概念更有实际意义。所以，对于半导体一般不用逸出功的概念，而用电子亲和势的概念。为了表示光电发射的能量阈值，许多资料都是按真空能级与价带顶之差（亲和势加上禁带宽度）来计算。,对于金属情况，金属内光电子发射来源于费米能级EF附近。光电发射阈值定义为电子真空能级E0与EF之差，即：,由于金属对光辐射的反射强而吸收弱，加之金属

14、中自由电子浓度大，光电子受到的能量散射损失自然大，因而光电发射效率很低。,对半导体材料，体内光电子发射来源于价带EV附近，因此表面处的光电发射阈值E为：,电子亲和势：真空能级与导带底之差,电子亲和势：导带底上的电子向真空逸出时所需的最低能量，数值上等于真空能级（真空中静止电子能量） E0与导带底能级Ec之差。它有表面电子亲和势Ea与体内电子亲和势Eae之分。Ea是材料的参量，与掺杂、表面能带弯曲等因素无关。而Eae不是材料参量，可随表面能带弯曲变化。,电子亲和势,半导体光电逸出参量：,我们通常所说的电子亲合势就是指的EAe，半导体材料的光电发射阈值变为：,实际的半导体能级，在半导体表面附近要发

15、生弯曲，这时EA定义为E0与表面处导带底EC之差。 考虑到导带在表面处的弯曲量用E 表示，于是体内光电子的有效电子亲合势变为：,由于E的量值可以人为控制，EAe值可以人为地加以改变。,如果EAe0，就称为正电子亲和势光阴极，亦称经典光阴极，目前广泛用的光阴极就属此类。,正电子亲和势：表面真空能级位于导带底之上,负电子亲和势：表面特殊处理后表面区域能带弯曲，真空能级降至导带底之下，有效电子亲和势为负值。,半导体材料光阴极又分为正电子亲和势(PEA，亦称经典光阴极)和负电子亲和势(NEA阴极)两种类型。NEA光阴极是当前性能最好的光阴极。,如果EAe0，即真空能级降至导带之下，就出现一种非常有利的

16、光电子发射条件，只要激发导带中的光电子，因为没有表面势垒的阻挡，所以都能有效地逸出表面。,这就是NEA光阴极的基本原理。,半导体材料与金属相比，对光辐射的吸收率大，内部能量散射损失小，表面势垒又可以人为控制，因而采用半导体材料作光阴极获得了广泛应用。,1.光阴极表面对光辐射的反射小而吸收大，以便体内有较多的电子受到激发；,因此，良好的光阴极材料的标准：,2.受激电子最好是发生在表面附近，这样向表面运动过程中损失的能量少；,3.材料的逸出功要小（光阴极表面势垒低），使到达真空界面的电子能够比较容易地逸出；,4. 材料还要有一定的电导率，以便能够通过外电源来补充因光电发射所失去的电子。,3.1.2

17、 光电发射材料光电发射材料的分类,1. 纯金属材料；2. 金属+吸附层；3. 半导体材料。,相关材料特性金属材料,其反射率为90%；体内自由电子多，由于碰撞引起的能量散射损失大，逸出深度小；逸出功大，量子效率低；光谱响应在紫外或远紫外区，适于紫外灵敏的光电器件。,金属材料是否满足上述4点？,相关材料特性半导体材料,光吸收系数比金属大；体内自由电子少，散射能量变小，故量子效率比金属大；光发射波长延伸至可见光、近红外波段。在半导体光电发射材料的基础上，发展了负电子亲和势光电阴极，长波可至1.6um（70年代后期）,1934年研制的第一支红外变象管就采用这种阴极。它是红外波段唯一可用的经典光电发射材

18、料，长波限可达1.2um但是量子效率极低，暗电流大；,常用的光电发射材料1,1、银氧铯（AgOCs)阴极,银氧铯阴极是以Ag为基底，氧化银为中间层，上面再有一层带有过剩Cs原子及Ag原子的氧化铯，而表面由Cs原子组成，可用Ag-Cs2OAgCs-Cs的符号表示。,Ag-O-Cs光电阴极的灵敏度较低。光照灵敏度约为30A/1m，辐照灵敏度为3mA/W，量子效率在峰值波长处也只有1%;,此外，当阴极长期受光照后，会产生严重的疲劳现象，且疲劳特性与光照度、光照波长等都有密切关系，疲劳后光谱响应曲线也会发生变化，因此它的应用受到很大限制。,将近红外区具有高灵敏度的Ag-O-Cs阴极和蓝光区具有高灵敏度

19、的Bi-Cs-O阴极相结合，可获得在整个可见光谱范围内具有较均匀响应和高灵敏度的Bi-Ag-O-Cs光电阴极。,银氧铯（AgOCs)阴极的特点,常用的经典光电发射材料2,* 碱金属与锑（Sb）、铅（Pb）、铋（Bi）、铊（Tl）等生成的金属化合物具有极其宝贵的光电发射性能，其中，锑铯(CsSb)阴极广泛用于紫外和可见光区的光电探测器中。* 量子效率高:在蓝光区峰值量子效率可达30%，比Ag-O-Cs高30倍。* 在可见区，积分响应度达70-150uA/lm;长波限为0.7um左右，可延伸；对红光、红外不灵敏。,单碱锑化物光电阴极,锑化物光电阴极光谱响应曲线,半导体材料与金属相比，对光辐射的吸收

20、率大，内部能量散射损失小，表面势垒又可以人为控制，因而采用半导体材料作光阴极获得了广泛应用。,它在可见光的短波区和近紫外区(0.30.45m)响应率最高，其量子效率可达25，长波限在0.65m附近；它的典型光照灵敏度达60A/lm，比银氧铯阴极高得多。CsSb阴极的热电子发射(约10-16A/cm2)和疲劳特性均优于银氧铯阴极，而且制造工艺简单，目前使用比较普遍。,单碱锑化物阴极的特点,常用的经典光电发射材料3,当锑和几种碱金属形成化合物时，具有较高的响应度（其中碱分为：双碱、三碱、四碱等，统称多碱）,多碱光电阴极,锑钾钠（ NaKSb ）响应度50100uA/lm,在0.4um处，量子效率为

21、25%,其典型光照灵敏度可达50A/lm。耐高温（175左右）而一般含铯阴极的工作温度不能超过60，因此锑钾钠阴极可用于石油勘探等特殊场合。,锑钾钠铯（ NaKSbCs ）峰值响应波长0.42um，响应度150uA/lm，长波限为0.85um。在较宽的光谱区具有较高的量子效率。具有高稳定性、疲劳效应小，运用广泛。,近几年，经过特殊处理的NaKSbCs阴极，其光谱响应的长波限可扩展到930nm，峰值波长也从0.42nm延伸至0.6nm，光照灵敏度提高到400A/lm。,常用的经典光电发射材料4,紫外辐射有较高的能量，探测其一般没有困难，而关键在于采用什么合适的窗口材料，可使紫外辐射透过（而可见光

22、无响应）并且射向光电阴极。,紫外光电阴极,(日盲型光电阴极),碲化铯（CsTe）和碘化铯（CsI）对太阳和地表辐射不敏感，在紫外区响应范围为100280nm,长波限在290320nm。,负电子亲和势光电阴极,前面讨论的常规光电阴极都属于正电子亲和势(PEA)类型，表面的真空能级位于导带之上。,但如果给半导体的表面作特殊处理使表面区域能带弯曲，真空能级降到导带之下，从而使有效的电子亲和势为负值，经这种特殊处理的阴极称作负电子亲和势光电阴极(NEA)。,Si-Cs2O是在p型Si的基质材料上涂一层极薄的金属Cs，经特殊处理而形成n型Cs2O。表面为n型的材料有丰富的自由电子，p型基底材料有丰富的空

23、穴，相互扩散形成表面电荷局部耗尽。与p-n结情况类似，耗尽区的电位下降Ed，造成能带弯曲，如图所示。,本来p型Si的发射阈值是EA1 ，电子受光激发进入导带后需克服亲和势Ed1=EA1+Eg1才能逸出表面。,由于表面存在n型薄层，使耗尽区的电位下降，表面电位降低Ed。光电子在表面附近受到耗尽区内建电场的作用，从Si的导带底部漂移到表面Cs2O的导带底部。此时，电子只需克服EA2就能逸出表面。,对于p型Si的光电子需克服的有效亲和势为：由于能级弯曲， ，这样就形成了负电子亲和势。,(1)量子效率高 负电子亲和势阴极因其表面无表面势垒，所以受激电子跃迁到导带并迁移到表面后，无需克服表面势垒就可以较

24、容易地逸出表面.,负电子亲和势光电阴极与前述的正电子亲和势光电阴极相比，具有以下特点：,(2)光谱响应延伸到红外、光谱响应率均匀,正电子亲和势光电阴极的阈值波长为：,负电子亲和势光电阴极的阈值波长为：,(3)热电子发射小 与光谱响应范围类似的正电子亲和势的光电发射材料相比，负电子亲和势材料的禁带宽度一般比较宽，所以在没有强电场作用的情况下，热电子发射较小，一般只有10-16A/cm2。(4)光电子的能量集中 基本等于导带底的能量，可提高光电成像器件的空间分辨率和时间分辨率。,GaAs、InGaAs、GaAsP等。其量子效率比经典Ag-O-Cs光电阴极要高10100倍，而且在较宽的光谱范围内光谱

25、响应曲线较为平坦。,实用的负电子亲和势光电阴极材料,（1）参与发射的电子并非灼热的电子，而是导带的“热化”电子；（2）导带的电子逸入真空不需作功，而一般阴极需克服表面势垒；（3）量子效率高，热发射电流小，电子能量分布集中，长波限能向外延伸。,负电子亲和势材料与普通光电阴极发射过程的区别：,突出特点：,高吸收低反射的光学性质，高量子效率；光谱能量分布集中（高斯分布），光谱响应平坦；积分响应率高；可见光、红外区能获得高灵敏度；,光电阴极的主要参数,光照灵敏度：（白光、积分灵敏度）,光电阴极光电流与入射的白光（色温2856K的钨丝灯）光通量之比。,局部光谱区域的积分灵敏度，即插入特定波长区的滤光片后

26、阴极光电流与未插入滤光片时阴极所受光通量之比。,光电阴极光电流与入射的一定波长的单色辐射通量之比。,（1）灵敏度,： 阴极发射的光电子数,： 光谱灵敏度,： 入射的光子数,（2）量子效率,银氧铯光电阴极光谱响应曲线,（3）光谱响应曲线：,光电阴极中有少数电子的热能大于逸出功，因而产生热电子发射。会引入噪声，限制探测器的灵敏度极限。,（4）热电子发射,3.1.3 真空光电管,真空光电管由玻壳、光电阴极和阳极三部分组成。为了防止氧化，将管内抽成真空。光电阴极即半导体光电发射材料，涂于玻壳内壁，受光照时，可向外发射光电子。阳极是金属环或金属网，置于光电阴极的对面，加正的高电压，用来收集从阴极发射出来

27、的电子。,结构,真空光电管常用的电极结构有：中心阴极型中心阳极型半圆柱面阴极型平行平板极型带圆筒平板阴极型,真空光电管一般体积都比较大、工作电压高达百伏到数百伏、玻壳容易破碎等。,优点：,光电阴极面积大，灵敏度较高，一般积分灵敏度可达20200A/lm；暗电流小，最低可达10-14A；光电发射弛豫过程极短。,缺点：,充气光电管,充气光电管（又称离子光电管）由封装于充气管内的光阴极和阳极构成。它不同于真空光电管的是，光电子在电场作用下向阳极运动时与管中气体原子碰撞而发生电离现象。由电离产生的电子和光电子一起都被阳极接收，正离子却反向运动被阴极接收。因此在阳极电路内形成数倍于真空光电管的光电流。充

28、气光电管的电极结构也不同于真空光电管。常用的电极结构有中心阴极型、半圆柱阴极型和平板阴极型。,充气光电管,充气光电管最大缺点是在工作过程中灵敏度衰退很快，其原因是正离子轰击阴极而使发射层的结构破坏。充气光电管按管内充气不同可分为单纯气体型和混合气体型。单纯气体型：这种类型的光电管多数充氩气，优点是氩原子量小，电离电位低，管子的工作电压不高。有些管内充纯氦或纯氖，使工作电压提高。混合气体型：这种类型的管子常选氩氖混合气体，其中氩占10左右。由于氩原子的存在使处于亚稳态的氖原子碰撞后即能恢复常态，因此减少惰性。,真空、充气光电管比较,3.1.4 光电倍增管PMT (Photo-multiplier

29、 Tube),1、光电倍增管,利用外光电效应和二次电子发射相结合，即 把微弱的光输入转化为光电子，并使光电子获得倍增的一种光电探测器件。,光电倍增管,一、光电倍增管组成及工作原理,1. 光电倍增管组成 光窗（Input window ) 光电阴极(Photo cathode) 电子光学系统 电子倍增系统(Dynodes) 阳极(Anode),2. 光电倍增管工作原理,光电倍增管是利用外光电效应制成的一种光电探测器件。其光电转换分为光电发射和电子倍增两个过程。,、,、,原理图,光窗分侧窗式和端窗式两种，它是入射光的通道。一般常用的光窗材料有钠钙玻璃、硼硅玻璃、紫外玻璃、合成石英和氟化镁玻璃等。由

30、于光窗对光的吸收与波长有关，波长越短吸收越多，所以倍增管光谱特性的短波阈值决定于光窗材料。,光电倍增管具体结构,1. 光窗,把光电发射体(多是化合物半导体材料)镀在金属或透明材料（玻璃或石英玻璃）上就制成光电阴极。它接收入射光，向外发射光电子。 所以倍增管光谱特性的长波阈值决定于光电阴极材料，同时对整管灵敏度也起着决定性作用。,2. 光电阴极 (Photo cathode),1. 光电阴极的结构形式,使前一级发射出来的电子尽可能没有散失地落到下一个倍增极上，也就是使下一级的收集率接近于1；使前一级各部分发射出来的电子，落到后一级上所经历的时间尽可能相同，即渡越时间离散最小。,3. 电子光学系统

31、,指光电阴极至第一倍增极之间的区域。电子光学系统在结构上主要由聚焦电极和偏转电极组成。,对电子光学系统的要求,倍增系统：由各倍增极构成的综合系统，各倍增极都是由二次电子发射体构成。具有使电子倍增的能力。倍增系统是决定整管灵敏度最关键的部分。,4. 倍增系统（Dynodes ）,要求：二次电子发射系数要大,在低电压下有大的倍增系数值，以便整管工作电压不致于过高； 热发射小，整管的暗电流和噪声小； 二次电子发射稳定，温度较高或一次电流较大时，长时间工作不下降； 容易制备。,这几类材料的优点：,a) 百叶窗式 b) 盒栅式 c) 直瓦片式 d) 圆瓦片式,各种倍增极的结构形式,倍增系统分类百叶窗式,

32、百叶窗型结构因倍增极可以较大而被用于大阴极的光电倍增管中，其一致性较好，可以有大的脉冲输出电流。这种结构多用于不太要求时间响应的场合。,倍增系统分类盒栅式,因其相对简单和一致的倍增极结构而被广泛地 应用于端窗型光电倍增管。 但在一些应用中，其时间响应可能略显缓慢。,倍增系统分类直线瓦片式,直线聚焦型因其极快的时间响应而被广泛地应用于要求时间分辨和线性脉冲研究用的端窗型光电倍增管中。,倍增系统分类鼠笼式,圆形鼠笼式结构主要应用于侧窗型光电倍增管。 其主要特点为紧凑的结构和快速的时间响应特性。,倍增系统原理,制作二次电子发射材料的要求： (1)发射系数稳定，低工作电压下具有较大的二次电子发射系数；

33、 (2)热发射要小（引起噪声）； (3)容易制成各种形状；,倍增极材料大致可分以下几类：,1）某些金属氧化物：主要是银氧铯、锑铯、氧化镁等，它们既是灵敏的光电发射体，也是良好的二次电子发射体。,2）合金型：主要是银镁、铝镁、铜镁、镍镁、铜铍等合金。,3）负电子亲和势发射体： GaP-Cs、 GaAs-Cs2O 导带底的电子能量高于真空能级,量子效率高。,光谱响应从可见到红外（3001200nm），热电子发射较高，一般需制冷，用于近红外区探测。,具有紫外和可见光范围的光谱响应，主要用于反射式光阴极。低电压下倍增系数较高；但高电流时不稳定。,倍增系数高，值最高能达到200。,可用于较高电流和较高温

34、度时。但倍增系数较小。,阳极是采用金属网作的栅网状结构，把它置于靠近最末一级倍增极附近，用来收集最末一级倍增极发射出来的电子。,要求： 接收性能良好，尽可能多的收集电子，工作在较大电流时，不至于产生空间电荷效应。 输出电容要小.,5. 阳极(Anode),二、光电倍增管的主要参量与特性,光电倍增管的主要参量与特性是区分管子质量好坏的基本依据。,基本参数（静态参数）,应用参数（动态参数）,运行特性（例行特性）,基本参数与管子工作原理、结构特征、材料性质、制造工艺有关。它包括灵敏度、量子效率、增益、暗电流、光谱响应等。,应用参数与管子应用方法和探测对象有关，反映某种应用的特殊要求。它包括闪烁计数中

35、的脉冲幅度分辨率、噪声能当量、计数坪特性；光子计数中的暗噪声计数、单电子分辨率、峰谷比；快速光脉冲测量中的上升时间、半高宽、渡越时间、时间分辨率等。,运行特性与管子运行条件、运行环境有关。它表征管子承受的外部条件和使用极限，包括稳定性、温度特性、最大线性电流、抗电磁干扰特性、抗冲击振动特性等。,倍增管灵敏度有阴极灵敏度与阳极灵敏度之分。每一种灵敏度对于入射光，又都有光谱灵敏度（对于单色光）与积分灵敏度（对于多色光或全色光）之分。,灵敏度,测试阴极灵敏度时，以阴极为一极，其它倍增极和阳极都连到一起为另一极，相对于阴极加100300V直流电压，照射到光电阴极上的光通量约为10-210-5lm。,测

36、试阳极灵敏度时，各倍增极和阳极都加上适当电压，因为阳极灵敏度是整管参量，与整管所加电压有关，所以必须注明整管所加电压。,积分灵敏度与测试光源的色温有关，一般用色温为2856K的白炽钨丝灯。,iK：光电阴极发射到第一倍增级的阴极电流；iA：光电倍增管输出电流，即阳极电流；,阴极电流光谱响应度 阴极积分电流响应度,阳极电流光谱响应度 阳极积分电流响应度,入射波长为 的阴极电流,波长为 的入射光功率,光谱响应度,量子效率,电子电荷电量,端窗型双碱阴极光电倍增管典型光谱响应曲线,光谱响应曲线,光电倍增管的阴极将入射光的能量转换为光电子。其转换效率（阴极灵敏度）随入射光的波长而变，两者之间的关系即光谱响

37、应特性。,光谱响应特性的长波端取决于光阴极材料，短波端取决于入射窗材料。,光电倍增管就是利用各倍增极每一个入射电子所能产生的二次电子发射效应获得很高的电流内增益的。 二次电子的发射特性用二次发射系数来描述， 即,(3) 电流增益（放大倍数）M,n为倍增级的级数,N为发射的电子数,n表示第n级倍增极每一个入射电子所能产生的二次电子的倍数， 即该级的电流增益。,如果倍增极的总数为n， 且各级性能相同， 考虑到电子的传输损失，则光电倍增管的总电流增益M为：,f 第一倍增极对阴极发射电子收集率 g 倍增级间的电子传递效率 倍增级二次发射系数,某光电倍增管具有5级倍增系统，倍增系数（二次发射系数）100

38、。如果用488nm，光功率P=10-6W的紫光照射倍增管的光电阴极，假设光电阴极的量子效率为10%，试计算收集阳级处短路电流强度。（h=6.6310-34Js，e=1.60210-19C，c=3.0108m）,光电倍增管的量子效率()为: ()= IS/e/ N=Rhc/e 光电倍增管的阴极电流iK为： iK=RP=() eP/hc 光电倍增管的电流放大倍数G为: G=iA / iKn 阳级处短路电流强度iA为: iA = iK GiKn =() ePn/hc=1.60210-1948810-910-6(100)510% / 6.6310-343.0108 =393(A),阴极和靠近于阴极的倍

39、增极的热电子发射；阳极或其它电极的漏电；由于极间电压过高而引起的场致发射；光反馈，以及窗口玻璃中可能含有的少量的钾、镭、钍等放射性元素蜕变产生的粒子，或者宇宙射线穿过光窗时产生的契伦柯夫光子等都可能引起暗电流。,(4) 暗电流,在各电极都加上正常工作电压并且阴极无光照情况下阳极的输出电流。 它限制了可测直流光通量的最小值，同时也是产生噪声的重要因素，是鉴别管子质量的重要参量。应选取暗电流较小的管子。,产生暗电流的因素：,光电特性图,(5) 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。,它在相当宽的范围内为直线。 当光功率接近几十W时， 特性曲线开始偏离直线

40、， 出现饱和效应。 其原因是最后几级倍增极的疲劳和电荷积垒效应使增益系数大大降低。 由图可见， 光电倍增管的显著特点是适于微弱光信号状态工作。,光电倍增管的伏安特性曲线分为阴极伏安特性曲线（阴极电流与阴极电压之间的关系）与阳极伏安特性曲线（阳极电流与阳极和最末一级倍增极之间电压的关系）。在电路设计时，一般使用阳极伏安特性曲线来进行负载电阻、输出电流、输出电压的计算。,阳极伏安特性曲线,(6) 伏安特性 （恒流源）,曲线是由上升部分和饱和部分组成的， 而且饱和部分的长度较长， 这对于从阳极负载电阻取出较大的输出电压是很有利的。,上升时间 渡越时间 渡越时间离散,(7) 时间特性,尽管光电倍增管在

41、结构、电子轨迹等的设计上考虑将阴极和倍增极产生的二次电子有效地收集到第一倍增极或下一倍增极上，但在聚焦和放大过程中仍然会有电子偏离预定轨道，造成收集效率的降低。这种收集效率的降低，受光电子从阴极上发射出来的位置的影响，从而反应出了光电倍增管的均匀性。当然，均匀性也取决于光阴极本身表面镀层的均匀特点。 一般，端窗型光电倍增管因其阴极与第一倍增极的几何结构特点，在均匀性方面优于侧窗型光电倍增管。,(8) 均匀性,均匀性指入射光照射光阴极不同位置时灵敏度的变化。,线性,磁场特性,偏振特性,通量阈（NEP）,大多数光电倍增管会受到磁场的影响，磁场会使光电倍增管中的发射电子脱离预定轨道而造成增益损失。这

42、种损失与光电倍增管的型号及其在磁场中的方向有关。 一般而言，从阴极到第一倍增极的距离越长，光电倍增管就越容易受到磁场的影响。因此，端窗型尤其是大口径的端窗型光电倍增管在使用中要特别注意这一点。,三、 供电原理图,1. 微变等效电路,从倍增管阳极伏安特性曲线看，最大光通量所对应的曲线拐点以右，基本上是平直均匀分布的，一般使用倍增管也都是利用这一区域的特性，因此在交流微变电路中可以把倍增管看成是恒流源，并考虑阳极电路的电容效应。,为使输出信号与后面放大电路易于匹配，光电倍增管的阳极通过负载接地，光阴极加负高压。,光电倍增管工作线路,光电倍增管实际工作线路,2. 供电电路,倍增管各电极要求直流供电，

43、从阴极开始至各级的电压要依次升高，一般多采用电阻链分压办法来供电。一般情况下，各级电压均相等，约80100V，总电压约10001300V。,光电倍增管供电电路图,高压供电： 负高压供电，阳极接地，可消除外部信号输出电路与阳极之间的电位差，因而PMT的输出光电流可直接与电流计或电流转换的运放相连，适用于直流信号应用； 而闪烁计数器中必须采用阴极接地的方法，只适用于交流或脉冲信号测量系统。,3. 信号输出,负载电阻输出：保证PMT有良好的线性和频率特性，需要小的负载电阻，则降低了输出信号的转换效率。运算放大器输出：有效解决了上述问题。,四、光电倍增管优缺点,放大倍数高，适于弱光探测，单一光子便可响

44、应； 光电特性的线性关系好 ； 工作频率高 ； 性能稳定，使用方便 ； 供电电压高； 玻璃外壳，抗震性差； 价格昂贵，体积大； 热发射强，暗电流大，需冷却。,五、光电倍增管的主要应用,1）光谱测量：用来测量辐射光谱在狭窄范围内的辐射功率。如：过程控制、元素鉴定、化学与冶金学分析仪器。通常采用侧窗式结构，稳定性好，线性范围宽。,日本滨松生产的多种型号PMT,高通量全身PET(Positron Computed Tomography，正电子CT)系统,PET中的PMT R5900-c8剖面图，它采用细网倍增极、多阳极和金属通道,PET断面图,PET原理图,2）极微弱光信号的探测光子计数通过分立光子

45、产生的电脉冲来进行测量灵敏度高、抗噪能力强、稳定性好、输出便于信息处理测量光功率达10-14w，光子通量10个/秒，用于生命科学研究，如激光流式细胞仪。,3）射线的探测闪烁计数,闪烁晶体+光电倍增管入射粒子能量闪烁光强输出脉冲幅度用于核医学、石油勘探等,双碱阴极光电倍增管,铊激活的碘化钠（NaI）闪烁体,日本神冈中微子探测器,使用前应了解器件的特性。真空光电器件的共同特点是灵敏度高、惰性小、供电电压高、采用玻璃外壳、抗震性差。,六、光电倍增管使用要点,光照过强时，光电线性会变差而且容易使光电阴极疲劳（轻度疲劳经一段时间可恢复，重度疲劳不能恢复），缩短寿命。,不宜用强光，容易引起疲劳额定电压和电

46、流内工作入射光斑尺寸和管子的有效阴极面尺寸向对应电场屏蔽和磁屏蔽测交变光时，负载电阻不宜过大,因为负载电阻和管子的等效电容一起构成电路的时间常数，若负载电阻较大，时间常数就变大，频带将变窄。,工作电流大时会烧毁阴极面，或使倍增级二次电子发射系数下降，增益降低，光电线性变差，缩短寿命。,小结,光电倍增管组成及工作原理光电倍增管工作过程光电倍增管具体结构光电倍增管优缺点光电倍增管使用注意要点光电倍增管应用中注意的几个问题,光电倍增管的主要特性,灵敏度放大倍数（增益）暗电流噪声伏安特性线性稳定性时间相应磁场特性空间均匀性偏振效应,MCP是上百万的微小玻璃管（通道）彼此平行地集成为薄形盘片状而形成。每

47、个通道都是一个独立的电子倍增器。,微通道板（MCP）型光电倍增管,空心纤维的内径为2040m，板的厚度大约2mm，板的外径目前可做到56cm左右。,MCP比任何分离电极倍增极结构具有超快的时间响应，并且当采用多阳极输出结构时，在磁场中仍具有良好的一致性和二维探测能力。,夜视仪微通道板断层扫描图像（圆孔孔径约几微米）,作业：,光电鼠标的工作原理及系统图（了解DSP的工作原理）,光电效应法测量普朗克常量,如何利用真空光电管及光电效应方法测量普朗克常量和测定真空光电管的光电特性曲线？,3-2 光电导探测器 光敏电阻,光电导探测器（光电导效应或内光电效应）,半导体材料,自由电子空穴,光辐射,电导率变化

48、,光照变化引起半导体材料电导率变化的现象称光电导效应。此效应是最早发现的光电现象。半导体和绝缘体都有这种效应。,3.2.1 光电导效应,1. 定义,电阻率的倒数,当光照射到半导体材料时，材料吸收光子的能量，使材料中产生附加的自由电子和自由空穴，即产生光生载流子，因而导致材料电导率增大。,本征半导体光电导效应图,分类,本征光电导杂质光电导,电导率,对于本征半导体无光照时为暗态，由于热激发只有少数电子从价带跃迁至导带，此时材料具有暗电导；有光照时为亮态，价带中电子吸收光子后跃迁至导带，产生电子空穴对，使半导体电导率增大，此时具有亮电导。,亮态下电导率增量：,和 ：亮态时电子和空穴浓度的增量,如果给

49、半导体材料外加电压，通过的电流有暗电流与亮电流之分。亮电导与暗电导之差称为光电导，亮电流与暗电流之差称为光电流。,暗态下 gd=dA/L, Id=gdU=dAU/L,亮态下 gl=lA/L, Il=glU=lAU/L,亮态与暗态之差 gp=gl - gd=(l -d）A/L=A/L Ip=Il - Id=(gl - gd）U=AU/L,光电导,A：半导体材料横截面积,L：半导体材料长度,U：外加电压,g：电导,：电导率,：光致电导率的变化量,下标d代表暗，l 代表亮，p代表光。,光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流是要经过一定时间的。同样光照停止后光电流也是逐渐消失的。这些现象称为弛豫过程或

50、惰性。光电导上升或下降的时间就是驰豫时间，或响应时间。驰豫时间长，则光电导反应慢；驰豫时间短，则光电导反应快。光电导的驰豫决定了在迅速变化的光强下一个光电导器件能否有效工作的问题。表现为光强变化时，光生载流子的积累和消失过程。,3. 光电导弛豫过程,光电导效应是非平衡载流子（n和 p）效应，因此具有一定的弛豫现象。,3. 光电导弛豫过程,显然，弛豫时间长 - 光电导反应慢 - 惯性大； 弛豫时间短 - 光电导反应快 - 惯性小。,两种典型光电导驰豫与光强关系,光电导与光强成线性关系，上升和下降对称，驰豫时间与光强无关。,直线性光电导,式中：为光电转换因子，一般指在某一光强范围内的值； 为光电导