光電陰極和光電倍增管

1、關(guān)于光電陰極與光電倍增管第1頁，共62頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四與普通二極管相比共同點：一個PN結(jié)，單向?qū)щ娦圆煌c：（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保護層（3）外加反偏置與光電池相比共同點：均為PN結(jié)，利用光伏效應(yīng)，SiO2保護膜不同點：（1）結(jié)面積比光電池的小，頻率特性好;（2）光生電勢與光電池相同，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。第2頁，共62頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四3.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 =

2、（1+） Ip = （1+） ESE第3頁，共62頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四4.象限探測器5.PIN光電二極管 由于I層比PN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I層電阻率很高，故能承受的電壓增大;第4頁，共62頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四OxA6.PSD位置傳感器7雪崩光電二極管；第5頁，共62頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四第3章 光電陰極與光電倍增管第6頁，共62頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四 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

3、倍增管第7頁，共62頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四陰極（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)射過程 2）粒子 固體表面相互作用的物理過程3.1 陰極與陰極電子學(xué)第8頁，共62頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四 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9頁，共62頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四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第10頁，共62頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四陰極發(fā)射電子（第一種方式）1. 增加電子能

4、量克服表面勢壘而逸出陰極加熱T足夠高部分電子獲得足夠能量（1）熱電子發(fā)射（熱陰極）金屬半導(dǎo)體E =E0-EF第11頁，共62頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四陰極發(fā)射電子（第一種方式）1. 增加電子能量克服表面勢壘而逸出陰極加熱T足夠高部分電子獲得足夠能量（1）熱電子發(fā)射（熱陰極）光輻射 物體 體內(nèi)電子吸收光量子后逸出（2）光電子發(fā)射（光電陰極）第12頁，共62頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四陰極發(fā)射電子（第一種方式）光輻射 物體 體內(nèi)電子吸收光量子后逸出（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：本征發(fā)射：價帶電子導(dǎo)帶電子 hEC-EV雜質(zhì)發(fā)射：雜質(zhì)能級

5、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 半導(dǎo)體光電子主要發(fā)射分三步：對光子的吸收電子向表面運動克服表面勢壘而逸出第13頁，共62頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四陰極發(fā)射電子（第一種方式）1. 增加電子能量克服表面勢壘而逸出陰極加熱T足夠高部分電子獲得足夠能量（1）熱電子發(fā)射（熱陰極）光輻射 物體 體內(nèi)電子吸收光量子后逸出（2）光電子發(fā)射（光電陰極）（3）次級電子發(fā)射（次級電子發(fā)射體） 初始能量電子 轟擊物體 體內(nèi)電子獲得能量逸出第14頁，共62頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四2. 降低阻礙電子逸出的力（4）場致發(fā)射（場發(fā)射陰極） 固體表面施

6、加強電場 削弱勢壘 體內(nèi)部分電子通過隧道效應(yīng)進入真空量子隧穿示意圖IIIIII陰極發(fā)射電子（第二種方式）第15頁，共62頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四CRT （Cathode Ray Tube） 和 FED（ Field Emission Display ）陰極的應(yīng)用舉例陰極射線管（CRT）第16頁，共62頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四CRT （Cathode Ray Tube） 和 FED（ Field Emission Display ）索尼2010 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（FED）第17頁，共62頁，2022年

7、，5月20日，9點38分，星期四MoSiO2GlassMoSi場發(fā)射陣列制作過程第18頁，共62頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四第19頁，共62頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四 金屬或半導(dǎo)體受光照時，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)。 3.2 外光電效應(yīng)第20頁，共62頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四 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)射的光電子數(shù)目）與入射光強度成正比：Ik ：光電流e ：光強Se ：該陰極對入射

8、光線的靈敏度 光電發(fā)射第一定律斯托列托夫定律第21頁，共62頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四 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、 射光強度無關(guān)： Emax：光電子的最大初動能。 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（從材料表面逸出時所需的 最低 能量），單位eV，與材料有關(guān)的常數(shù)， 也稱功函數(shù)。Emax=(1/2)m2max=h- h0 =h- W第22頁，共62頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四 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：hWhc/W hc/

9、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第23頁，共62頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四圖 光電子最大動能與入射光頻率的關(guān)系0Wmax0(1/2)m2max=h- h0 =h- W為什么會彎曲？第24頁，共62頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四3.3 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？陰極第25頁，共62頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四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)對紫外靈敏的光電探測

10、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)電子親和勢陰極 半導(dǎo)體材料廣泛用作光電陰極 第26頁，共62頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四1.靈敏度光照靈敏度色光靈敏度光譜靈敏度靈敏度色溫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光通量之比。(2) 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，濾光片的透射比不同，它又分別稱為藍(lán)光靈敏度、紅光靈敏度及紅外靈敏。實際上是局

11、部波長范圍的積分靈敏度QB:中國青色或蘭色玻璃(德國:BG)HB:中國紅色玻璃第27頁，共62頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四 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。(3) 光譜靈敏度第28頁，共62頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四 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)

12、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的關(guān)系曲線，稱為光譜響應(yīng)曲線。4.暗電流S()/nm為什么會有峰值？第29頁，共62頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四光電陰極一般分為: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，所以不透明光電陰極又稱為反射型陰極(二).光電陰極的分類 透射型陰極通常制作在透明介質(zhì)上，光通過透明介質(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，所以透射型陰極又稱為半透明光電陰極。光陽極A陰極K光透射型反射型第30頁，共62頁，2022年，5月20日，9點38

13、分，星期四(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?？梢姽鈪^(qū)域內(nèi)量子效率低于0.43%。如S-1所示。(1) Ag-O-Cs具有良好的可見和近紅外響應(yīng)。350 nm, 800 nm第31頁，共62頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四(三). 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(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

14、電發(fā)射的發(fā)射材料， CsSb最為常用，在紫外和可見光區(qū)的靈敏度最高。第32頁，共62頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四(三). 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Sb-Na-K、Sb-K-Cs和三堿銻材料Sb-Na-K-Cs等，Sb-Na-K-Cs是最實用的光電陰極材料，具有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 %。適用于寬帶光譜測量儀.第33頁，共62頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四(三). 常

15、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輻射靈敏，對可見光無響應(yīng)。這種材料通常稱為“日盲”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碲化銫(CsTe)和碘化銫(Csl)兩種。 長波限為0.32m長波限為0.2m第34頁，共62頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四(三). 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(fù)電子親

16、和勢材料制作的光電陰極與正電子親和勢材料光電陰極相比,具有以下四點特點c. 熱電子發(fā)射小 a.量子效率高b. 光譜響應(yīng)率均勻,且光譜響應(yīng)延伸到紅外 d. 光電子的能量集中 (5)負(fù)電子親合能材料(NEA)第35頁，共62頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四負(fù)電子親和勢材料結(jié)構(gòu)、原理重?fù)诫s的P型硅表面涂極薄的金屬Cs，經(jīng)過處理形成N型的Cs2O。 以Si-Cs2O光電陰極為例第36頁，共62頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四P型Si的電子親和勢:N型Cs2O電子親和勢:EA1=E0-EC10EA2=E0-EC20第37頁，共62頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四

17、體內(nèi)：P型表面：N型表面電子，能級Ec1入射光子體內(nèi)電子，能級Ec1表面逸出電子E0-Ec1 0體內(nèi)有效電子親和勢: EAe=E0-EC10EA2=E0-EC20EAe=E0-EC10第39頁，共62頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四NEA的最大優(yōu)點： 量子效率比常規(guī)發(fā)射體高得多 光電發(fā)射過程分析： 熱電子受激電子能量超過導(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)電子親和勢陰極第40頁，共62頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四NEA的優(yōu)點：量子效率比常規(guī)發(fā)射體高得多 1、量子效率高2、閾值波長延伸到紅外區(qū)3、由于“冷”電子

18、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)電子親和勢陰極 當(dāng)負(fù)電子親和勢光電陰極受光照時，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。第41頁，共62頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四知識回顧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）第42頁，共62頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四知識回顧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)的物體稱為光電發(fā)射體

19、(1) Ag-O-Cs：可見和近紅外響應(yīng), 0.42%(2)單堿銻化合物(PEA)：紫外和可見光區(qū)，20%-30%(3)多堿銻化合物(PEA)：紫外和可見光區(qū)+紅外，20%(4)紫外光電陰極材料：日盲型，碲化銫，碘化銫C(5)負(fù)電子親合能材料(NEA)第43頁，共62頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四3.作為光電陰極材料，金屬和半導(dǎo)體材料的優(yōu)缺點？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)對紫外靈敏的光電探測器。 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)：可見光和近紅外波段。金屬：半導(dǎo)體：第44頁，共62頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四

20、知識回顧4.負(fù)電子親和勢材料，特點？第45頁，共62頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四知識回顧4.負(fù)電子親和勢材料，特點？1、量子效率高2、閾值波長延伸到紅外區(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)電子親和勢光電陰極受光照時，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。第46頁，共62頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四 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

21、電陰極3.4光電管和光電倍增管第47頁，共62頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四光電管主要由玻殼（光窗）、光電陰極和陽極三部分組成 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) 簡述真空型和充氣型兩種光電管的工作原理?工作原理3.4 真空光電管與光電倍增管的工作原理第48頁，共62頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四光陽極A陰極K光透射型反射型0.20.60.40.812520151050564321iP/lmi/uA20151050501001502002500.150.10.050(lm)i(uA)u/V(一). 光電管分類

22、：反射型和透射型充氣型真空型第49頁，共62頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四 光電倍增管是在光電管的基礎(chǔ)上研制出來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)和陽極五個主要部分組成。(二). 光電倍增管(PMT)1光電倍增管的結(jié)構(gòu)第50頁，共62頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四 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倍增極與陽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極之間加上適當(dāng)?shù)母邏?，陰極接負(fù)，陽極

23、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)過倍增后的二次電子由陽極P收集起來，形成陽極光電流Ip，在負(fù)載RL上產(chǎn)生信號電壓0。 光子透過入射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級倍增后，光電子數(shù)就放大N次D2D1DnPKUORnRn-1R2R1-HVRL第51頁，共62頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四端窗式側(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

24、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（透過式光陰極），數(shù)千元一只。a. 窗口形式 第52頁，共62頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四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:紫外短波透射截止波長可延伸到250nm 熔融石英（二氧化硅）優(yōu)點:在遠(yuǎn)紫外區(qū)有相當(dāng)好的透過率，短波截止波長可達(dá)到160nm 藍(lán)寶石(Al2O3晶體)特點是:紫外透過率處于熔融石英和透紫外玻璃之間，紫外截止波長可以達(dá)到150nm。 PMT常用的窗口材料硼硅玻璃透紫外玻璃熔融石英藍(lán)寶石無毒、抗酸、抗堿，用于軍事和航空第53頁，共6

25、2頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四 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 2) 使陰極面上各處發(fā)射的光電子在電子光學(xué)系統(tǒng)中渡越的時間盡可能相等，這樣可以保證光電倍增管的快速響應(yīng)。 第54頁，共62頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四(3)電子倍增極 倍增系統(tǒng)是由許多倍增極組成，每個倍增極都是由二次電子倍增材料構(gòu)成的，具有使一次電子倍增的能力。 當(dāng)具有足夠動能的電子轟擊倍增極材料時，倍增極表面將發(fā)射新的

26、電子。稱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增大而增大第55頁，共62頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四3) 到達(dá)界面的內(nèi)二次電子中能量大于表面勢壘的電子發(fā)射到真空中，成為二次電子。二次電子發(fā)射過程三個階段2) 內(nèi)二次電子中初速指向表面的那一部分向表面運動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)，這些受激電子稱為內(nèi)二次電子；第56頁，共62頁，2022年，5月20日，9點38分，星期四 光電倍增管中的倍增極一般由幾級到十五級組成。根據(jù)電子的軌跡又可分為聚焦型和非聚焦型兩大類。 (3)倍增極結(jié)構(gòu) 聚焦不是指使電子束會聚于一點，而是指電子從前一級倍增極飛向后一級倍增極時，在兩電極間的電子運動軌跡，可能有交叉。非聚焦則是指在兩電極間的電子運動軌跡是平行的倍增極結(jié)構(gòu)形式:鼠籠式結(jié)構(gòu)特點：瓦片，沿 圓周排列性能特點：聚焦性能 好，增益高第57頁，共62頁，2022年，5月20日，9點38分