光電陰極與光電倍增管.ppt

1、知識(shí)回顧,1.光電二極管,分類(lèi),符號(hào),接法,光敏二極管接法,2.光電二極管跟普通二極管和光電池的區(qū)別,與普通二極管相比,共同點(diǎn)：一個(gè)PN結(jié)，單向?qū)щ娦?不同點(diǎn)：,（1）受光面大，PN結(jié)面積更大，PN結(jié)深度較淺,（2）表面有防反射的SiO2保護(hù)層,（3）外加反偏置,與光電池相比,共同點(diǎn)：均為PN結(jié)，利用光伏效應(yīng)，SiO2保護(hù)膜,不同點(diǎn)：,（1）結(jié)面積比光電池的小，頻率特性好;,（2）光生電勢(shì)與光電池相同，但電流比光電池小;,（3）可在零偏壓下工作，常在反偏置下工作。,3.光電三極管的電流關(guān)系及電連接方法,根據(jù)共發(fā)射極電流關(guān)系有： IbIp Ic = Ie = （1+） Ib = （1+） Ip

2、= （1+） ESE,4.象限探測(cè)器,5.PIN光電二極管,6.PSD位置傳感器,第3章 光電陰極與光電倍增管,本章主要內(nèi)容： 3.1 陰極與陰極電子學(xué) 3.2 外光電效應(yīng) 3.2 光電陰極 2.3光電管和光電倍增管,陰極（Cathode） 電子器件中發(fā)射電子的一極（電子源） 陰極電子學(xué) 研究： 1）電子和離子從固體表面的發(fā)射過(guò)程,2）粒子 固體表面相互作用的物理過(guò)程,從能帶理論淺談電子發(fā)射,【思考】如何使體內(nèi)電子逸出？,第一種方式,第二種方式,使體內(nèi)電子逸出的方法： 1）增加電子能量 2）削弱阻礙電子逸出的力,陰極發(fā)射電子（第一種方式）,1. 增加電子能量,克服表面勢(shì)壘而逸出,陰極加熱,T足

3、夠高,部分電子獲得足夠能量,（1）熱電子發(fā)射（熱陰極）,金屬,陰極發(fā)射電子（第一種方式）,1. 增加電子能量,克服表面勢(shì)壘而逸出,陰極加熱,T足夠高,部分電子獲得足夠能量,（1）熱電子發(fā)射（熱陰極）,（2）光電子發(fā)射（光電陰極）,陰極發(fā)射電子（第一種方式）,（2）光電子發(fā)射（光電陰極）,半導(dǎo)體光電子主要發(fā)射分三類(lèi)：,本征發(fā)射：價(jià)帶電子導(dǎo)帶電子 hEC-EV,雜質(zhì)發(fā)射：雜質(zhì)能級(jí)電子導(dǎo)帶電子 hEg,自由載流子發(fā)射：自由載流子導(dǎo)帶電子 忽略不計(jì),半導(dǎo)體光電子主要發(fā)射分三步：,對(duì)光子的吸收,電子向表面運(yùn)動(dòng),克服表面勢(shì)壘而逸出,陰極發(fā)射電子（第一種方式）,1. 增加電子能量,克服表面勢(shì)壘而逸出,陰極加

4、熱,T足夠高,部分電子獲得足夠能量,（1）熱電子發(fā)射（熱陰極）,（2）光電子發(fā)射（光電陰極）,（3）次級(jí)電子發(fā)射（次級(jí)電子發(fā)射體）,2. 降低阻礙電子逸出的力 （4）場(chǎng)致發(fā)射（場(chǎng)發(fā)射陰極）,固體表面施加強(qiáng)電場(chǎng) 削弱勢(shì)壘 體內(nèi)部分電子 通過(guò)隧道效應(yīng)進(jìn)入真空,量子隧穿示意圖,陰極發(fā)射電子（第二種方式）,CRT （Cathode Ray Tube） 和 FED（ Field Emission Display ）,陰極的應(yīng)用舉例,陰極射線管（CRT）,CRT （Cathode Ray Tube） 和 FED（ Field Emission Display ）,Mo,SiO2,Glass,Mo,Si,場(chǎng)

5、發(fā)射陣列制作過(guò)程,金屬或半導(dǎo)體受光照時(shí)，如果入射的光子能量h足夠大，它和物質(zhì)中的電子相互作用，使電子從材料表面逸出的現(xiàn)象，也稱(chēng)為外光電效應(yīng)。它是真空光電器件光電陰極的物理基礎(chǔ)。,當(dāng)照射到光陰極上的入射光頻率或頻譜成分不變時(shí)，飽和光電流（即單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)目）與入射光強(qiáng)度成正比： Ik ：光電流 e ：光強(qiáng) Se ：該陰極對(duì)入射光線的靈敏度,光電發(fā)射第一定律斯托列托夫定律,光電發(fā)射第二定律愛(ài)因斯坦定律,光電子的最大動(dòng)能與入射光的頻率成正比，而與入、 射光強(qiáng)度無(wú)關(guān)： Emax：光電子的最大初動(dòng)能。 h： 普朗克常數(shù)。 0： 產(chǎn)生光電發(fā)射的極限頻率，頻率閾值。 W： 金屬電子的逸出功（從材料

6、表面逸出時(shí)所需的 最低 能量），單位eV，與材料有關(guān)的常數(shù)， 也稱(chēng)功函數(shù)。,Emax=(1/2)m2max=h- h0 =h- W,入射光子的能量至少要等于逸出功時(shí)，才能發(fā)生光電發(fā)射。 波長(zhǎng)閾值： hWhc/W 0.76m）發(fā)射電子，必須尋求低于（？）的低能閾值材料。,1.63eV,圖 光電子最大動(dòng)能與入射光頻率的關(guān)系,0,Wmax,0,(1/2)m2max=h- h0 =h- W,為什么會(huì)彎曲？,能夠產(chǎn)生光電發(fā)射效應(yīng)的物體稱(chēng)為光電發(fā)射體，光電發(fā)射體在光電器件中常與陰極相聯(lián)故稱(chēng)為光電陰極 。,什么是光電陰極？,陰極,常用的光電陰極材料,反射系數(shù)大、吸收系數(shù)小、碰撞損失能量大、逸出功大適應(yīng)對(duì)紫外

7、靈敏的光電探測(cè)器。,光吸收系數(shù)大得多，散射能量損失小，量子效率比金屬大得多光譜響應(yīng)：可見(jiàn)光和近紅外波段。,金屬：,半導(dǎo)體：,常規(guī)光電陰極,負(fù)電子親和勢(shì)陰極,半導(dǎo)體材料廣泛用作光電陰極,1.靈敏度,色溫2856K的鎢絲燈,(1)光照靈敏度,在一定的白光照射下，光電陰極的光電流與入射的白光光通量之比,也稱(chēng)白光靈敏度或積分靈敏度。,它表示在某些特定的波長(zhǎng)區(qū)域，陰極光電流與入射光的光通量之比。,(2) 色光靈敏度,一般用插入不同的濾光片來(lái)獲得不同的光譜范圍，濾光片的透射比不同，它又分別稱(chēng)為藍(lán)光靈敏度、紅光靈敏度及紅外靈敏。,實(shí)際上是局部波長(zhǎng)范圍的積分靈敏度,QB:中國(guó)青色或蘭色玻璃(德國(guó):BG) HB

8、:中國(guó)紅色玻璃,2.量子效率,陰極發(fā)射的光電子數(shù) Ne()與入射的光子數(shù) Np()之比，稱(chēng)為量子效率:,根據(jù)定義:量子效率和光譜靈敏度之間的關(guān)系為:,式中,單位為nm； S()為光譜靈敏度，單位為A/W。,波長(zhǎng)一定的單色光照射時(shí)，光電陰極發(fā)出的光電流與入射的單色光通量之比。,(3) 光譜靈敏度,光電陰極中有一些電子的熱能有可能大于光電陰極逸出功，因而可產(chǎn)生熱電子發(fā)射。,室溫下典型光電陰極每秒每平方厘米發(fā)射的熱電子相當(dāng)于,l0-16 10-17A/cm2的電流密度,3.光譜響應(yīng)曲線,光電陰極的光譜靈敏度與入射光波長(zhǎng)的關(guān)系曲線，稱(chēng)為光譜響應(yīng)曲線。,4.暗電流,S(),/nm,為什么會(huì)有峰值？,光電

9、陰極一般分為:透射型與反射型兩種。,不透明陰極通常較厚，光照射到陰極上，光電子從同一面發(fā)射出來(lái)，所以不透明光電陰極又稱(chēng)為反射型陰極,(二).光電陰極的分類(lèi),透射型陰極通常制作在透明介質(zhì)上，光通過(guò)透明介質(zhì)后入射到光電陰極上。光電子則從光電陰極的另一邊發(fā)射出來(lái)，所以透射型陰極又稱(chēng)為半透明光電陰極。,(三). 常用光電陰極材料,透射型光譜響應(yīng): 300nm到1200nm，反射型光譜響應(yīng):300m到1100nm。Ag-O-Cs光電陰極主要應(yīng)用于近紅外探測(cè)?？梢?jiàn)光區(qū)域內(nèi)量子效率低于0.43%。如S-1所示。,(1) Ag-O-Cs具有良好的可見(jiàn)和近紅外響應(yīng)。,350 nm, 800 nm,(三). 常用

10、光電陰極材料,(1) Ag-O-Cs具有良好的可見(jiàn)和近紅外響應(yīng)。,(2)單堿銻化合物(PEA),量子效率一般高達(dá)20%30%，比銀氧銫光電陰極高30多倍。如S-4。,金屬銻與堿金屬鋰、鈉、鉀、銫中的一種構(gòu)成的化合物，都是能形成具有穩(wěn)定光電發(fā)射的發(fā)射材料， CsSb最為常用，在紫外和可見(jiàn)光區(qū)的靈敏度最高。,(三). 常用光電陰極材料,(1) Ag-O-Cs具有良好的可見(jiàn)和近紅外響應(yīng)。,(2)單堿銻化合物(PEA),(3)多堿銻化合物(PEA),銻和幾種堿金屬形成的化合物包括雙堿銻材料Sb-Na-K、Sb-K-Cs和三堿銻材料Sb-Na-K-Cs等，Sb-Na-K-Cs是最實(shí)用的光電陰極材料，具有

11、高靈敏度和寬光譜響應(yīng)，如S-20 。其紅外端可延伸到930nm，量子效率高于20 %。 適用于寬帶光譜測(cè)量?jī)x.,(三). 常用光電陰極材料,(1) Ag-O-Cs具有良好的可見(jiàn)和近紅外響應(yīng)。,(2)單堿銻化合物(PEA),(3)多堿銻化合物(PEA),(4)紫外光電陰極材料,某些應(yīng)用，要求光電陰極材料只對(duì)所探測(cè)的紫外輻射靈敏，對(duì)可見(jiàn)光無(wú)響應(yīng)。這種材料通常稱(chēng)為“日盲”型光電陰極材料，也稱(chēng)紫外光電陰極材料。目前實(shí)用的紫外光電陰極碲化銫(CsTe)和碘化銫(Csl)兩種。,長(zhǎng)波限為0.32m,長(zhǎng)波限為 0.2m,(三). 常用光電陰極材料,(1) Ag-O-Cs具有良好的可見(jiàn)和近紅外響應(yīng)。,(2)單

12、堿銻化合物(PEA),(3)多堿銻化合物(PEA),(4)紫外光電陰極材料,負(fù)電子親和勢(shì)材料制作的光電陰極與正電子親和勢(shì)材料光電陰極相比,具有以下四點(diǎn)特點(diǎn),(5)負(fù)電子親合能材料(NEA),負(fù)電子親和勢(shì)材料結(jié)構(gòu)、原理,重?fù)诫s的P型硅表面涂極薄的金屬Cs，經(jīng)過(guò)處理形成N型的Cs2O。,以Si-Cs2O光電陰極為例,P型Si的電子親和勢(shì):,N型Cs2O電子親和勢(shì):,EA1=E0-EC10,EA2=E0-EC20,體內(nèi)：P型,表面：N型,表面電子，能級(jí)Ec1,入射光子,體內(nèi)電子，能級(jí)Ec1,表面逸出電子 E0-Ec1 0,體內(nèi)有效電子親和勢(shì): EAe=E0-EC10,2. 負(fù)電子親和勢(shì)陰極,體內(nèi)：P

13、型,表面：N型,2. 負(fù)電子親和勢(shì)陰極,負(fù)電子親和勢(shì)是指體內(nèi)襯底材料的有效電子親和勢(shì)？,經(jīng)典發(fā)射體的電子親和勢(shì)仍是正的 ？,EA1=E0-EC10,EA2=E0-EC20,EAe=E0-EC10,NEA的最大優(yōu)點(diǎn)： 量子效率比常規(guī)發(fā)射體高得多,光電發(fā)射過(guò)程分析：,熱電子 受激電子能量超過(guò)導(dǎo)帶底的電子,冷電子 能量恰好等于導(dǎo)帶底的電子,NEA量子效率比常規(guī)發(fā)射體高得多！,2. 負(fù)電子親和勢(shì)陰極,NEA的優(yōu)點(diǎn)：量子效率比常規(guī)發(fā)射體高得多,1、量子效率高 2、閾值波長(zhǎng)延伸到紅外區(qū) 3、由于“冷”電子發(fā)射，能量分散小，在成象器件中分辨率極高 4、延伸的光譜區(qū)內(nèi)其靈敏度均勻,2. 負(fù)電子親和勢(shì)陰極,當(dāng)負(fù)

14、電子親和勢(shì)光電陰極受光照時(shí)，被激發(fā)的的電子在導(dǎo)帶內(nèi)很快熱化(約10-12s)并落入導(dǎo)帶底(壽命達(dá)10-9s)。熱化電子很容易擴(kuò)散到能帶彎曲的表面，然后發(fā)射出去，所發(fā)射光電子的能量基本上都等于導(dǎo)帶底的能量。,知識(shí)回顧,1. 陰極，使陰極發(fā)射電子的方式？,電子器件中發(fā)射電子的一極（電子源）,知識(shí)回顧,1. 陰極，使陰極發(fā)射電子的方式？,2. 光電陰極,能夠產(chǎn)生光電發(fā)射效應(yīng)的物體稱(chēng)為光電發(fā)射體,(1) Ag-O-Cs：可見(jiàn)和近紅外響應(yīng), 0.42%,(2)單堿銻化合物(PEA)：紫外和可見(jiàn)光區(qū)，20%-30%,(3)多堿銻化合物(PEA)：紫外和可見(jiàn)光區(qū)+紅外，20%,(4)紫外光電陰極材料：日盲型

15、，碲化銫，碘化銫C,(5)負(fù)電子親合能材料(NEA),3.作為光電陰極材料，金屬和半導(dǎo)體材料的優(yōu)缺點(diǎn)？,反射系數(shù)大、吸收系數(shù)小、碰撞損失能量大、逸出功大適應(yīng)對(duì)紫外靈敏的光電探測(cè)器。,光吸收系數(shù)大得多，散射能量損失小，量子效率比金屬大得多光譜響應(yīng)：可見(jiàn)光和近紅外波段。,金屬：,半導(dǎo)體：,知識(shí)回顧,4.負(fù)電子親和勢(shì)材料，特點(diǎn)？,知識(shí)回顧,4.負(fù)電子親和勢(shì)材料，特點(diǎn)？,1、量子效率高 2、閾值波長(zhǎng)延伸到紅外區(qū) 3、由于“冷”電子發(fā)射，能量分散小，在成象器件中分辨率極高 4、延伸的光譜區(qū)內(nèi)其靈敏度均勻,當(dāng)負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極受光照時(shí)，被激發(fā)的的電子在導(dǎo)帶內(nèi)很快熱化(約10-12s)并落入導(dǎo)帶底(壽命達(dá)

16、10-9s)。熱化電子很容易擴(kuò)散到能帶彎曲的表面，然后發(fā)射出去，所發(fā)射光電子的能量基本上都等于導(dǎo)帶底的能量。,本章主要內(nèi)容： 3.1 陰極與陰極電子學(xué) 3.2 外光電效應(yīng) 3.3 光電陰極 3.4光電管和光電倍增管,光電管主要由玻殼（光窗）、光電陰極和陽(yáng)極三部分組成,PT內(nèi)可以抽成真空也可以充入低壓惰性氣體，有真空型和充氣型兩種。,(一). 光電管(PT),簡(jiǎn)述真空型和充氣型兩種光電管的工作原理?,工作原理,0.2,0.6,0.4,0.8,1,25,20,15,10,5,0,5,6,4,3,2,1,i,P/lm,i/uA,(一). 光電管分類(lèi)：反射型和透射型,光電倍增管是在光電管的基礎(chǔ)上研制出

17、來(lái)的一種真空光電器件，在結(jié)構(gòu)上增加了電子光學(xué)系統(tǒng)和電子倍系統(tǒng)，因此極大的提高了檢測(cè)靈敏度。,光電倍增管主要由入射窗口、光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、電子倍增系統(tǒng)和陽(yáng)極五個(gè)主要部分組成。,(二). 光電倍增管(PMT),1光電倍增管的結(jié)構(gòu),為了使光電子能有效地被各倍增極電極收集并倍增，陰極與第一倍增極、各倍增極之間以及末級(jí)倍增極與陽(yáng)極之間都必須施加一定的電壓。,最基本的方法是在陰極和陽(yáng)極之間加上適當(dāng)?shù)母邏?，陰極接負(fù)，陽(yáng)極接正，外部并接一系列電阻，使各電極之間獲得一定的分壓:,2. PMT的工作原理, 經(jīng)過(guò)倍增后的二次電子由陽(yáng)極P收集起來(lái)，形成陽(yáng)極光電流Ip，在負(fù)載RL上產(chǎn)生信號(hào)電壓0。, 光子透過(guò)入射

18、窗口入射在光電陰極K上, 光電陰極K受光照激發(fā)，表面發(fā)射光電子, 光電子被電子光學(xué)系統(tǒng)加速和聚焦后入射到第一倍增極D1上，將發(fā)射出比入射電子數(shù)更多的二次電子。入射電子經(jīng)N級(jí)倍增后，光電子數(shù)就放大N次,端窗式,側(cè)窗式,(1). 入射窗口,側(cè)窗型（sideon）: 從側(cè)面接收入射光。 使用不透明光陰極（反射式光陰極），數(shù)百元一只。,端窗型（headon）： 從頂部接收入射光。 入射窗的內(nèi)表面上沉積了半透明的光陰極（透過(guò)式光陰極），數(shù)千元一只。,a. 窗口形式,b.常用的窗口材料,硼硅玻璃:透射范圍從300nm到HW,透紫外玻璃優(yōu)點(diǎn):紫外短波透射截止波長(zhǎng)可延伸到250nm,熔融石英（二氧化硅）優(yōu)點(diǎn):

19、在遠(yuǎn)紫外區(qū)有相當(dāng)好的透過(guò)率，短波截止波長(zhǎng)可達(dá)到160nm,藍(lán)寶石(Al2O3晶體)特點(diǎn)是:紫外透過(guò)率處于熔融石英和透紫外玻璃之間，紫外截止波長(zhǎng)可以達(dá)到150nm。,無(wú)毒、抗酸、抗堿，用于軍事和航空,1) 使光電陰極發(fā)射的光電子盡可能全部匯聚到第一倍增極上。,(2).電子光學(xué)系統(tǒng),電子光學(xué)系統(tǒng):陰極到倍增系統(tǒng)第一倍增極之間的電極空間.包括:光電陰極、聚焦極、加速極及第一倍增極。,電子光學(xué)系統(tǒng)的主要作用有兩點(diǎn),2) 使陰極面上各處發(fā)射的光電子在電子光學(xué)系統(tǒng)中渡越的時(shí)間盡可能相等，這樣可以保證光電倍增管的快速響應(yīng)。,(3)電子倍增極,倍增系統(tǒng)是由許多倍增極組成，每個(gè)倍增極都是由二次電子倍增材料構(gòu)成的

20、，具有使一次電子倍增的能力。,當(dāng)具有足夠動(dòng)能的電子轟擊倍增極材料時(shí)，倍增極表面將發(fā)射新的電子。稱(chēng)入射的電子為一次電子，從倍增極表面發(fā)射的電子為二次電子,(a) 二次電子發(fā)射原理,把二次發(fā)射的電子數(shù)N2與入射的一次電子數(shù)Nl的比值定義為該材料的二次發(fā)射系數(shù),什么是一次和二次電子？,增大Ep，值反而下降,隨Ep增大而增大,3) 到達(dá)界面的內(nèi)二次電子中能量大于表面勢(shì)壘的電子發(fā)射到真空中，成為二次電子。,二次電子發(fā)射過(guò)程三個(gè)階段,2) 內(nèi)二次電子中初速指向表面的那一部分向表面運(yùn)動(dòng),1) 材料吸收一次電子的能量，激發(fā)體內(nèi)電子到高能 態(tài)，這些受激電子稱(chēng)為內(nèi)二次電子；,光電倍增管中的倍增極一般由幾級(jí)到十五級(jí)

21、組成。根據(jù)電子的軌跡又可分為聚焦型和非聚焦型兩大類(lèi)。,(3)倍增極結(jié)構(gòu),聚焦不是指使電子束會(huì)聚于一點(diǎn)，而是指電子從前一級(jí)倍增極飛向后一級(jí)倍增極時(shí)，在兩電極間的電子運(yùn)動(dòng)軌跡，可能有交叉。非聚焦則是指在兩電極間的電子運(yùn)動(dòng)軌跡是平行的,倍增極結(jié)構(gòu)形式:,鼠籠式,結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：瓦片，沿 圓周排列,性能特點(diǎn)：聚焦性能 好，增益高,光電倍增管中的倍增極一般由幾級(jí)到十五級(jí)組成。根據(jù)電子的軌跡又可分為聚焦型和非聚焦型兩大類(lèi)。,(3)倍增極結(jié)構(gòu),聚焦不是指使電子束會(huì)聚于一點(diǎn)，而是指電子從前一級(jí)倍增極飛向后一級(jí)倍增極時(shí)，在兩電極間的電子運(yùn)動(dòng)軌跡，可能有交叉。非聚焦則是指在兩電極間的電子運(yùn)動(dòng)軌跡是平行的,倍增極結(jié)構(gòu)形式:,鼠籠式,結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：瓦片，沿 軸排列,性能特點(diǎn)：聚焦性能 好，增益高,直列式,光電倍增管中的倍增極一般由幾