光電陰極與光電倍增管

1、1. 1.光電二極管光電二極管分類分類符號符號接法接法光敏二極管符號光敏二極管符號光敏二極管接法光敏二極管接法 2. 2.光電二極管跟普通二極管和光電池的區(qū)別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與普通二極管相比共同點：共同點：一個一個PNPN結(jié)，單向?qū)щ娦越Y(jié)，單向?qū)щ娦圆煌c：不同點：（1 1）受光面大，）受光面大，PNPN結(jié)面積更大，結(jié)面積更大，PNPN結(jié)深度較淺結(jié)深度較淺（2 2）表面有防反射的）表面有防反射的SiOSiO2 2保護層保護層（3 3）外加反偏置）外加反偏置與光電池相比與光電池相比共同點：共同點：均為均為PNPN結(jié)，利用光伏效應(yīng)，結(jié)，利用光伏效應(yīng)，SiOSiO

2、2 2保護膜保護膜不同點：不同點：（1 1）結(jié)面積比光電池的小，頻率特性好）結(jié)面積比光電池的小，頻率特性好; ;（2 2）光生電勢與光電池相同，但電流比光電池?。┕馍妱菖c光電池相同，但電流比光電池小; ;（3 3）可在零偏壓下工作，常在反偏置下工作。）可在零偏壓下工作，常在反偏置下工作。3. 3.光電三極管的電流關(guān)系及電連接方法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 = （1+） ESE4. 4.象限探測器象限探測器5.PIN5.PIN光電二極管光電二極管 由于由于I I層比層比PNPN結(jié)寬的多，光生電流增大

3、結(jié)寬的多，光生電流增大; ; 由于耗盡層變寬，結(jié)電容變?。惶岣唔憫?yīng)速度由于耗盡層變寬，結(jié)電容變??；提高響應(yīng)速度； 由于由于I I層電阻率很高，故能承受的電壓增大層電阻率很高，故能承受的電壓增大; ;OxALIIIIxLxLIILxLIIAAA12120201226.PSD6.PSD位置傳感器位置傳感器7 7雪崩光電二極管；雪崩光電二極管； 本章主要內(nèi)容：本章主要內(nèi)容：3.1 3.1 陰極與陰極電子學(xué)陰極與陰極電子學(xué)3.2 3.2 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)3.2 3.2 光電陰極光電陰極2.32.3光電管和光電倍增管光電管和光電倍增管l陰極（陰極（CathodeCathode） 電子器件中發(fā)射電子的

4、一極（電子源）電子器件中發(fā)射電子的一極（電子源）l陰極電子學(xué)陰極電子學(xué) 研究：研究： 1 1）電子和離子從固體表面的發(fā)射過程）電子和離子從固體表面的發(fā)射過程 2 2）粒子）粒子 固體表面相互作用的物理過程固體表面相互作用的物理過程3.1 3.1 陰極與陰極電子學(xué)陰極與陰極電子學(xué)l 從能帶理論淺談電子發(fā)射 【思考思考】如何使體內(nèi)電子逸出？如何使體內(nèi)電子逸出？第一種方式第一種方式第二種方式第二種方式使體內(nèi)電子逸出的方法：使體內(nèi)電子逸出的方法：1）增加電子能量）增加電子能量2）削弱阻礙電子逸出的力）削弱阻礙電子逸出的力陰極發(fā)射電子（第一種方式）1. 1. 增加電子能量增加電子能量克服表面勢壘而逸出克

5、服表面勢壘而逸出陰極陰極加熱加熱T T足夠高足夠高部分電子獲得足夠能量部分電子獲得足夠能量（1 1）熱電子發(fā)射）熱電子發(fā)射（熱陰極）（熱陰極）金屬金屬半導(dǎo)體半導(dǎo)體E =E0-EF陰極發(fā)射電子（第一種方式）1. 1. 增加電子能量增加電子能量克服表面勢壘而逸出克服表面勢壘而逸出陰極陰極加熱加熱T T足夠高足夠高部分電子獲得足夠能量部分電子獲得足夠能量（1 1）熱電子發(fā)射）熱電子發(fā)射（熱陰極）（熱陰極）光輻射光輻射 物體物體 體內(nèi)電子吸收光量子后逸出體內(nèi)電子吸收光量子后逸出（2 2）光電子發(fā)射）光電子發(fā)射（光電陰極）（光電陰極）陰極發(fā)射電子（第一種方式）光輻射光輻射 物體物體 體內(nèi)電子吸收光量子后

6、逸出體內(nèi)電子吸收光量子后逸出（2 2）光電子發(fā)射）光電子發(fā)射（光電陰極）（光電陰極）半導(dǎo)體光電子主要發(fā)射分三類：半導(dǎo)體光電子主要發(fā)射分三類：本征發(fā)射：價帶電子本征發(fā)射：價帶電子導(dǎo)帶電子導(dǎo)帶電子 h hEEC C-E-EV V雜質(zhì)發(fā)射：雜質(zhì)能級電子雜質(zhì)發(fā)射：雜質(zhì)能級電子導(dǎo)帶電子導(dǎo)帶電子 h h E Eg g自由載流子發(fā)射：自由載流子自由載流子發(fā)射：自由載流子導(dǎo)帶電子導(dǎo)帶電子 忽略不計忽略不計 半導(dǎo)體光電子主要發(fā)射分三步：半導(dǎo)體光電子主要發(fā)射分三步：對光子的吸收對光子的吸收電子向表面運動電子向表面運動克服表面勢壘而逸出克服表面勢壘而逸出陰極發(fā)射電子（第一種方式）1. 1. 增加電子能量增加電子能量

7、克服表面勢壘而逸出克服表面勢壘而逸出陰極陰極加熱加熱T T足夠高足夠高部分電子獲得足夠能量部分電子獲得足夠能量（1 1）熱電子發(fā)射）熱電子發(fā)射（熱陰極）（熱陰極）光輻射光輻射 物體物體 體內(nèi)電子吸收光量子后逸出體內(nèi)電子吸收光量子后逸出（2 2）光電子發(fā)射）光電子發(fā)射（光電陰極）（光電陰極）（3 3）次級電子發(fā)射）次級電子發(fā)射（次級電子發(fā)射體）（次級電子發(fā)射體） 初始能量電子初始能量電子 轟擊物體轟擊物體 體內(nèi)電子獲得能量逸出體內(nèi)電子獲得能量逸出2. 2. 降低阻礙電子逸出的力降低阻礙電子逸出的力（4 4）場致發(fā)射）場致發(fā)射（場發(fā)射陰極）（場發(fā)射陰極） 固體表面施加強電場固體表面施加強電場 削弱

8、勢壘削弱勢壘 體內(nèi)部分電子體內(nèi)部分電子通過通過隧道效應(yīng)隧道效應(yīng)進入真空進入真空量子隧穿示意圖量子隧穿示意圖102exp( 2) exp(2 ()aPkamVE0VVaoxIIIIII陰極發(fā)射電子（第二種方式）CRTCRT （Cathode Ray TubeCathode Ray Tube） 和 FED（ Field Emission Display ）陰極的應(yīng)用舉例陰極射線管（陰極射線管（CRT）CRT （Cathode Ray Tube） 和 FED（ Field Emission Display ）索尼20102010 被視為繼液晶、等離子、OLED之后的第四大平板顯示技術(shù)場致發(fā)射顯示器（

9、場致發(fā)射顯示器（FED）MoSiO2GlassMoSi場發(fā)射陣列制作過程場發(fā)射陣列制作過程 金屬或半導(dǎo)體受光照時，如果入射的光子能量金屬或半導(dǎo)體受光照時，如果入射的光子能量hh足夠足夠大，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，也稱為外光電效應(yīng)。它是真空光電器件光電陰極的現(xiàn)象，也稱為外光電效應(yīng)。它是真空光電器件光電陰極的物理基礎(chǔ)。的物理基礎(chǔ)。 3.2 3.2 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng) 當(dāng)照射到光陰極上的入射光頻率或頻譜當(dāng)照射到光陰極上的入射光頻率或頻譜成分不變時，飽和光電流（即單位時間內(nèi)發(fā)成分不變時，飽和光電流（即單位時間內(nèi)發(fā)射的光電

10、子數(shù)目）與入射光強度成正比：射的光電子數(shù)目）與入射光強度成正比： I Ik ：光電流：光電流e e ：光強：光強S Se ：該陰極對入射光線的靈敏度：該陰極對入射光線的靈敏度u 光電發(fā)射第一定律斯托列托夫定律keeIS u 光電發(fā)射第二定律愛因斯坦定律 光電子的最大動能與入射光的頻率成正比，而與入、光電子的最大動能與入射光的頻率成正比，而與入、 射光強度無關(guān)：射光強度無關(guān)： Emax：光電子的最大初動能。：光電子的最大初動能。 h： 普朗克常數(shù)。普朗克常數(shù)。 0： 產(chǎn)生光電發(fā)射的極限頻率，頻率閾值。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（從材料表面逸出時所需的金屬電子的逸出

11、功（從材料表面逸出時所需的 最低最低 能量），單位能量），單位eV，與材料有關(guān)的常數(shù)，與材料有關(guān)的常數(shù)， 也稱功函數(shù)。也稱功函數(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，才能發(fā)生光電發(fā)射。波長閾值： hW hc/W hc/W=1.24/A 0.76m）發(fā)射電子，必須尋求低于（？）的低能閾值材料。1.63eV圖 光電子最大動能與入射光頻率的關(guān)系0 0WWmaxmax0(1/2)m2max=h- h0 =h- W為什么會彎曲？3.3 3.3 光電陰極光電陰極 能夠產(chǎn)生光電發(fā)射效應(yīng)的物體稱為光電發(fā)射體，光能夠產(chǎn)生光電發(fā)射效應(yīng)的物體稱為光電發(fā)射體，光電

12、發(fā)射體在光電器件中常與陰極相聯(lián)故稱為光電陰極電發(fā)射體在光電器件中常與陰極相聯(lián)故稱為光電陰極 。什么是光電陰極？什么是光電陰極？陰極常用的光電陰極材料常用的光電陰極材料反射系數(shù)大、吸收系反射系數(shù)大、吸收系數(shù)小、碰撞損失能量數(shù)小、碰撞損失能量大、逸出功大適大、逸出功大適應(yīng)對紫外靈敏的光電應(yīng)對紫外靈敏的光電探測器。探測器。 光吸收系數(shù)大得多，散光吸收系數(shù)大得多，散射能量損失小，量子效射能量損失小，量子效率比金屬大得多光率比金屬大得多光譜響應(yīng)：可見光和近紅譜響應(yīng)：可見光和近紅外波段。外波段。金屬：金屬：半導(dǎo)體：半導(dǎo)體：0AE0AE常規(guī)光電陰極常規(guī)光電陰極負電子親和勢陰極負電子親和勢陰極 半導(dǎo)體材料廣泛

13、用作光電陰極半導(dǎo)體材料廣泛用作光電陰極 1.1.靈敏度靈敏度光照靈敏度光照靈敏度色光靈敏度色光靈敏度光譜靈敏度光譜靈敏度靈敏度靈敏度色溫色溫2856K2856K的鎢絲燈的鎢絲燈(1)(1)光照靈敏度光照靈敏度 在一定的在一定的白光白光照射下，光電陰極的照射下，光電陰極的光電流與入射的白光電流與入射的白光光通量之比光光通量之比, ,也稱白光靈敏度或積分靈敏度。也稱白光靈敏度或積分靈敏度。 它表示在某些特定的波長區(qū)域，陰極光電流與入射光的它表示在某些特定的波長區(qū)域，陰極光電流與入射光的光通量之比。光通量之比。(2) (2) 色光靈敏度色光靈敏度 一般用插入不同的濾光片來獲得不同的光譜范圍，濾一般用

14、插入不同的濾光片來獲得不同的光譜范圍，濾光片的透射比不同，它又分別稱為光片的透射比不同，它又分別稱為藍光靈敏度、紅光靈敏藍光靈敏度、紅光靈敏度及紅外靈敏度及紅外靈敏。實際上是局部波長范圍實際上是局部波長范圍的積分靈敏度的積分靈敏度QB:QB:中國青色或蘭色玻中國青色或蘭色玻璃璃( (德國德國:BG):BG)HB:HB:中國紅色玻璃中國紅色玻璃4( )M TT 2.2.量子效率量子效率 陰極發(fā)射的陰極發(fā)射的光電子數(shù)光電子數(shù) Ne()與與入射的光子數(shù)入射的光子數(shù) Np()之比，之比，稱為量子效率稱為量子效率:根據(jù)定義根據(jù)定義: :量子效率和光譜靈敏度之間的關(guān)系為量子效率和光譜靈敏度之間的關(guān)系為:

15、:式中式中,單位為單位為nm； S()為光譜靈敏度為光譜靈敏度，單位為單位為A/W。 波長一定的單色光照射時，光電陰極發(fā)出的光電流波長一定的單色光照射時，光電陰極發(fā)出的光電流與入射的單色光通量之比。與入射的單色光通量之比。(3) (3) 光譜靈敏光譜靈敏度( )( )( )eIS)()()(peNN1240)()(/ )(/ )()(eSqhcShqI 光電陰極中有一些電子的光電陰極中有一些電子的熱能熱能有可能大于光電有可能大于光電陰極逸出功，陰極逸出功，因而可產(chǎn)生熱電子發(fā)射因而可產(chǎn)生熱電子發(fā)射。室溫下典型光電陰極室溫下典型光電陰極每秒每平方厘米發(fā)射每秒每平方厘米發(fā)射的熱電子相當(dāng)于的熱電子相當(dāng)

16、于l0-16 10-17A/cm2的電流密度的電流密度3.3.光譜響應(yīng)曲線光譜響應(yīng)曲線 光電陰極的光譜靈敏度與入射光波長的關(guān)系曲光電陰極的光譜靈敏度與入射光波長的關(guān)系曲線，稱為光譜響應(yīng)曲線。線，稱為光譜響應(yīng)曲線。4.4.暗電流暗電流S()/nm為什么會有峰值？為什么會有峰值？光電陰極一般分為光電陰極一般分為: :透射型與反射型兩種透射型與反射型兩種。 不透明陰極通常較不透明陰極通常較厚，光照射到陰極上，厚，光照射到陰極上，光電子從同一面發(fā)射光電子從同一面發(fā)射出來，所以不透明光出來，所以不透明光電陰極又稱為電陰極又稱為反射型反射型陰極陰極( (二二).).光電陰極的分類光電陰極的分類 透射型陰極

17、通常制作透射型陰極通常制作在透明介質(zhì)上，光通過在透明介質(zhì)上，光通過透明介質(zhì)后入射到光電透明介質(zhì)后入射到光電陰極上。光電子則從光陰極上。光電子則從光電陰極的另一邊發(fā)射出電陰極的另一邊發(fā)射出來，所以透射型陰極又來，所以透射型陰極又稱為稱為半透明光電陰極。半透明光電陰極。光陽極 A陰極 K光透射型反射型( (三三). ). 常用光電陰極材料常用光電陰極材料 透射型光譜響應(yīng)透射型光譜響應(yīng): : 300nm300nm到到1200nm1200nm，反射型光譜響，反射型光譜響應(yīng)應(yīng): :300m300m到到1100nm1100nm。Ag-O-CsAg-O-Cs光電陰極主要應(yīng)用于光電陰極主要應(yīng)用于近紅外近紅外探

18、測。可見光區(qū)域內(nèi)量子效率低于探測。可見光區(qū)域內(nèi)量子效率低于0.43%0.43%。如。如S-1S-1所示。所示。(1) Ag-O-Cs具有良好的可見和近紅外響應(yīng)。350 nm, 800 nm350 nm, 800 nm( (三三). ). 常用光電陰極材料常用光電陰極材料(1) Ag-O-Cs具有良好的可見和近紅外響應(yīng)。(2)單堿銻化合物(PEA)量子效率一般高達量子效率一般高達20%20%30%30%，比銀比銀氧銫光電陰極高氧銫光電陰極高3030多倍。多倍。如如S-4S-4。 金屬銻與堿金屬鋰、鈉、鉀、銫中的一種構(gòu)成的化合物，都金屬銻與堿金屬鋰、鈉、鉀、銫中的一種構(gòu)成的化合物，都是能形成具有穩(wěn)

19、定光電發(fā)射的發(fā)射材料，是能形成具有穩(wěn)定光電發(fā)射的發(fā)射材料， CsSbCsSb最為常用，在最為常用，在紫紫外和可見光區(qū)的靈敏度外和可見光區(qū)的靈敏度最高。最高。( (三三). ). 常用光電陰極材料常用光電陰極材料(1) Ag-O-Cs具有良好的可見和近紅外響應(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銻和幾種堿金屬形成的化合物包括雙堿銻材料Sb-Na-KSb-Na-K、Sb-K-Sb-K-CsCs和三堿銻材料和三堿銻材料Sb-Na-K-CsSb-Na-K-Cs等，等，Sb-Na-K-CsSb-Na-K-Cs是最實用的光電陰極材是最實用的光

20、電陰極材料，具有高靈敏度和寬光譜響應(yīng)，料，具有高靈敏度和寬光譜響應(yīng)，如如S-20S-20 。其紅外端可延伸其紅外端可延伸到到930nm930nm，量子效率高于，量子效率高于20 %20 %。適用于寬帶光譜測量儀適用于寬帶光譜測量儀. .( (三三). ). 常用光電陰極材料常用光電陰極材料(1) Ag-O-Cs具有良好的可見和近紅外響應(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所探測的紫外某些應(yīng)用，要求光電陰極材料只對所探測的紫外輻射靈敏，對可見光無響應(yīng)。這種材料通常稱為輻射靈敏，對可見光無響應(yīng)。這種材料通常稱為“日日盲盲”

21、型光電陰極材料，也稱紫外光電陰極材料。目前型光電陰極材料，也稱紫外光電陰極材料。目前實用的紫外光電陰極實用的紫外光電陰極碲化銫碲化銫(CsTe)(CsTe)和和碘化銫碘化銫(Csl)(Csl)兩種。兩種。 長波限為長波限為0.32m長波限為長波限為0.2m( (三三). ). 常用光電陰極材料常用光電陰極材料(1) Ag-O-Cs具有良好的可見和近紅外響應(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 負電子親和勢負電子親和勢材料制作的光電陰極與材料制作的光電陰極與正電子親和勢正電子親和勢材材料光電陰極相比料光電陰極相比, ,具有以下四點特點具有以下四點特點c

22、. 熱電子發(fā)射小熱電子發(fā)射小 a.量子效率高量子效率高b. 光譜響應(yīng)率均勻光譜響應(yīng)率均勻, ,且光譜響應(yīng)延伸到紅外且光譜響應(yīng)延伸到紅外 d. 光電子的能量集中光電子的能量集中 (5)負電子親合能材料負電子親合能材料(NEA)負電子親和勢材料結(jié)構(gòu)、原理負電子親和勢材料結(jié)構(gòu)、原理重摻雜的重摻雜的P型型硅表硅表面涂面涂極薄極薄的金屬的金屬Cs，經(jīng)過處理形成經(jīng)過處理形成N型型的的Cs2O。 以以Si-Cs2O光電陰極為例光電陰極為例P型型Si的的電子親和勢電子親和勢:N型型Cs2O電子親和勢電子親和勢:EA1=E0-EC10EA2=E0-EC20體內(nèi)：體內(nèi)：P型型表面：表面：N型型表面表面電子，電子，

23、能級能級Ec1入射光子入射光子體內(nèi)體內(nèi)電子，能級電子，能級Ec1表面逸出電子表面逸出電子E0-Ec1 0體內(nèi)體內(nèi)有效有效電子親和勢電子親和勢: : EAe=E0-EC10EA2=E0-EC20EAe=E0-EC1EEC C-E-EV V雜質(zhì)發(fā)射：雜質(zhì)能級電子雜質(zhì)發(fā)射：雜質(zhì)能級電子導(dǎo)帶電子導(dǎo)帶電子 h h E Eg g自由載流子發(fā)射：自由載流子自由載流子發(fā)射：自由載流子導(dǎo)帶電子導(dǎo)帶電子 忽略不計忽略不計 半導(dǎo)體光電子主要發(fā)射分三步：半導(dǎo)體光電子主要發(fā)射分三步：對光子的吸收對光子的吸收電子向表面運動電子向表面運動克服表面勢壘而逸出克服表面勢壘而逸出CRTCRT （Cathode Ray TubeC

24、athode Ray Tube） 和 FED（ Field Emission Display ）陰極的應(yīng)用舉例陰極射線管（陰極射線管（CRT）CRTCRT （Cathode Ray TubeCathode Ray Tube） 和 FED（ Field Emission Display ）陰極的應(yīng)用舉例陰極射線管（陰極射線管（CRT） 光電陰極中有一些電子的光電陰極中有一些電子的熱能熱能有可能大于光電有可能大于光電陰極逸出功，陰極逸出功，因而可產(chǎn)生熱電子發(fā)射因而可產(chǎn)生熱電子發(fā)射。室溫下典型光電陰極室溫下典型光電陰極每秒每平方厘米發(fā)射每秒每平方厘米發(fā)射的熱電子相當(dāng)于的熱電子相當(dāng)于l0-16 10-17A/cm