光電子技術(shù)LectureNew15

1、三、光電法 光電法利用材料的光電效應，直接將光子能量傳遞給電子，使電子 的狀態(tài)發(fā)生變化，從而改變材料的導電特性，實現(xiàn)對光子能量的測 量。光電法測量是本課程要重點講授的內(nèi)容，將介紹各種光電探測 器的結(jié)構(gòu)，光電轉(zhuǎn)換過程和光電特性。 光電子技術(shù)(15) 光電效應分類：內(nèi)光電效應和外光點效應。 外光電效應：光子能量被電子吸收后，電子掙脫勢能場的束縛，飛 離開原物質(zhì)的效應，即光子激發(fā)出自由電子。 外光電效應被愛因斯坦作為光的量子特征的重要證據(jù)，他也因為成 功地解釋外光電效應而獲得諾貝爾物理學獎。 紅限波長：能夠產(chǎn)生外光電效應的最長波長。 光電子技術(shù)(15) 4.2 真空光電管 真空光電管是利用外光電效應

2、制造的一種光電探測器件。它由三部 分組成：光電陰極、陽極和真空罩。 一、光電陰極材料 光電陰極材料指能夠產(chǎn)生光電子發(fā)射的材料。光電陰極是實現(xiàn)光 電轉(zhuǎn)換的場所。光子被光電陰極吸收后，激發(fā)光電陰極中的電子， 使其逃出光陰極表面。 內(nèi)光電效應：物質(zhì)中的電子吸收光子能量后，躍遷到較高能量態(tài)， 但并不能掙脫物質(zhì)勢能場的束縛，只是改變物質(zhì)的導電特性。 所有的固體電子器件都是基于內(nèi)光電效應的光電子器件。 所有的真空電子器件都是基于外光電效應的光電子器件。 光電子技術(shù)(15) 優(yōu)良的光陰極材料應具備的條件： （1）光吸收系數(shù)大。（2）光電子的逸出深度大。 （3）電子親和勢小，使表面逸出幾率大。 常見光電陰極：

3、 （1）紫外光電陰極，大多數(shù)金屬。 （2）可見光譜光電陰極： 銻銫光陰極：靈敏度高，量子效率達 20-30%，制作工藝簡單，應用較多。 銻鉀鈉銫多堿光陰極：靈敏度很高，熱發(fā)射電流很小，可見光譜 范圍光譜響應均勻。 III-V族半導體化合物負電子親和勢光陰極：不僅靈敏度高，而且長 波閾值延伸到了紅外，很好地滿足了夜視技術(shù)的發(fā)展需要。 光電子技術(shù)(15) 光電陰極的分類： 把負電子親和勢發(fā)現(xiàn)以前的所有光電陰極按 出現(xiàn)的先后順序和窗口材料以“S-數(shù)字”的形式 編號，如S-1表示鍍在玻璃上的銀氧銫光陰極， S-25表示鍍在玻璃上的銻鉀鈉銫光陰極材料。 二、真空光電管的構(gòu)造原理與分類 構(gòu)造：真空玻璃罩內(nèi)

4、放置光電陰極和陽極，陽極加正電壓，收集 陰極發(fā)射的電子。 真空光電管的分類： 按受光位置分為側(cè)面受光型（側(cè)窗型）和 頂部受光型（頂端窗式）。 按光陰極結(jié)構(gòu)分為透過型和反射型光電管。 按陰陽極的相對設置分為中心陰極型和中心陽極型。 光電子技術(shù)(15) 三、工作特性 1、靈敏度 靈敏度一般用量子效率或陰極光照靈敏度表示 量子效率：光陰極發(fā)射的光電子數(shù)與入射到陰極上的光子數(shù)之比 %100 N n n為光電子數(shù)，N為光子數(shù)。 陰極光照靈敏度：單位光通量(lm)入射到光陰極所產(chǎn)生的光電流， 單位為A/lm 2、光譜響應特性R() v IR/ 指光電管的單色光照靈敏度隨波長的變化關系。它與陰極類型、 光電

5、子技術(shù)(15) 厚度、襯底材料和窗口材料有關。 3、光電線性性 指保持光譜和陽極電壓不變時，光電流隨光通量的變化關系。如是 線性的，則稱線性的，反之稱為非線性的。 影響線性性的主要因素： 陰極發(fā)射過程產(chǎn)生光電疲勞，底層補充電子有困難； 陽極不飽和接收。即不能接收來自陰極的所有電子。 四、常用真空光電管 1、銻銫型光電管 多采用反射式結(jié)構(gòu)，基底為鈉鈣玻璃，光照靈敏度在50uA/lm以上。 響應光譜在紫、藍、綠波段。 光電子技術(shù)(15) 2、銀氧銫光電管 對近紅外波段較靈敏。但熱噪聲發(fā)射大，比銻銫型的大三個數(shù)量級。 3、銻鉀鈉銫光電管 多堿陰極的靈敏度高（150uA/lm），光譜范圍寬，響應曲線平

6、 坦，峰值波長在400-600納米 4、碲銫型光電管 該光電管為日盲型，峰值響應波長在2000-3000埃紫外波段。 4.3 光電倍增管 上節(jié)所述的普通光電管的增益小于1，靈敏度低，不能滿足弱光的 測量。而光電倍增管具有遠大于一的增益，常用于弱光探測。 光電子技術(shù)(15) 一、二次電子發(fā)射與二次電子發(fā)射體 二次電子發(fā)射系數(shù)： p r p r i i n n 二次電子發(fā)射體：具有二次電子發(fā)射能力的物體。常用做倍增電極。 nr和np分別為二次電子發(fā)射體的發(fā)射和入射電子數(shù)。 對二次發(fā)射體的要求：（1）低電壓下，要大； （2）熱發(fā)射電流小；減小熱發(fā)射噪聲。 （3）發(fā)射要穩(wěn)定，在較高環(huán)境溫度下長時間穩(wěn)定

7、工作。 （4）制備容易，價格低廉。 常用倍增體材料（二次發(fā)射材料） 光電子技術(shù)(15) （1）含堿倍增電極材料，主要有銀氧銫和銻銫 （2）氧化物型，如MgO （3）專用合金型，銀鎂、鈷鎂等 （4）負電子親和勢二次電子發(fā)射體。 二、光電倍增管的結(jié)構(gòu)和工作原理 光電倍增管的結(jié)構(gòu)如圖79。由光電陰極、輸入系統(tǒng)，倍增系統(tǒng)和輸 出系統(tǒng)組成。 設每級的二次電子發(fā)射系數(shù)相同，則輸出電流為： n A ii 0 光電倍增管的電流放大系數(shù)為： n A i i 0 1、光電陰極 光電子技術(shù)(15) 實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，將光子轉(zhuǎn)換為電子。 2、輸入系統(tǒng) 由陰極與第一倍增極及設置在這兩極間的輔助電極組成，它的作 用是盡量全部

8、收集光陰極產(chǎn)生的電子，并輸入到后面的倍增系統(tǒng)。 3、電子倍增系統(tǒng) 倍增系統(tǒng)是光電倍增管的放大系統(tǒng)，由多級組成。倍增系統(tǒng)可分為聚 焦型和飛聚焦型。 （1）非聚焦型：盒柵式和百葉窗式，如圖79a所示。 （2）聚焦型：圓籠式，端窗圓籠式和直列式結(jié)構(gòu)，如圖79b所示。 4、輸出系統(tǒng) 光電子技術(shù)(15) 由最后一級倍增級與陽級組成，收集倍增系統(tǒng)輸出的電子。 三、光電倍增管的特性參數(shù) 1、靈敏度 陰極靈敏度：用光照靈敏度表示，即單位光通量產(chǎn)生的光電流。 陽極靈敏度：指光電倍增管在一定工作電壓下，陽極輸出電流與 入射到陰極面上的光通量之比。它與工作電壓有關。 2、放大倍數(shù) 在一定工作電壓下，光電倍增管的陽極

9、信號電流和陰極信號電流的 比值，稱為倍增管的放大倍數(shù)或電流增益。 k A i i G G與倍增系統(tǒng)的級數(shù)和二次發(fā)射系數(shù)有關。 光電子技術(shù)(15) 3、暗電流 指無光照，加上工作電壓時，陽極輸出電流的直流成份，它決定 了光電倍增管可探測的最小光通量。暗電流主要由光陰極和倍增 極的熱電子發(fā)射引起，所以降低溫度可以減小暗電流。 4、等效噪聲能當量 暗電流中的交流和脈沖分量構(gòu)成了管子的本底噪聲，此本底噪聲決 定了管子在閃爍計數(shù)中能夠測量的最小輻射能量。 等效噪聲能當量描述光電倍增管本底噪聲的大小，定義為： )(KeVE V V E r s n m 式中Vn-噪聲脈沖電壓，Vs-射線照射下光電倍增管的輸出脈沖信號電 壓，Er-Gs137的射線的能量，為661KeV。 復習要點 1、內(nèi)、外光電效應？紅限波長？ 2、真空光電管的結(jié)構(gòu)，光電陰極材料的要求？常見光