第四章-光電子技術(shù)

第四章：光電子發(fā)射探測器主要內(nèi)容：介紹利用光電子發(fā)射效應(yīng)制成的光電器件，重點(diǎn)介紹光電倍增管；應(yīng)用范圍：主要用于可見和紫外光輻射的探測，長波長一般限于1.06um以內(nèi)的光輻射探測

4.1光電子發(fā)射

光電子發(fā)射效應(yīng)：

(A)金屬材料的光電子發(fā)射12EdN/dEδE

xEFEAE曲線1：T=0K

曲線2：T>0右圖為金屬表面的勢壘的情況

金屬中自由電子能量分布：費(fèi)米分布EA：表面勢壘的高度-金屬對電子的親和勢，自由電子的能量大于EA時(shí)才能逸出；EF：費(fèi)米能級（1）T=0K的情況能量最大的電子處在費(fèi)米能級上，即E=EF

吸收光子能量hv，從表面逸出的光電子具有的動(dòng)能：

（4.1-1）

ΔE：電子向表面運(yùn)動(dòng)過程中由于散射損失的能量在散射損耗ΔE為0，光電子發(fā)射具有最大的初始速度：：金屬材料的逸出功。（4.1-2）

為截止頻率

（2）T>0K的情況

能量分布如圖曲線2

▲部分自由電子的能量比費(fèi)米能級EF高出δE，由于這些電子的存在，在相同入射光子能量條件下，會(huì)出現(xiàn)初始速度大于vmax的光電子

▲在最大動(dòng)能與入射光頻率曲線上看，會(huì)出現(xiàn)在v＜vo時(shí)仍然存在光電效應(yīng)，如下圖所示

v0

v

愛因斯坦公式：在T=0時(shí)才嚴(yán)格成立；金屬材料的缺點(diǎn)：（1）逸出功高（2）表面反射強(qiáng)（3）對輻射吸收率低（4）體內(nèi)自由電子多，碰撞使得電子逸出困難。（B）半導(dǎo)體材料的光電子發(fā)射

目前光電陰極多采用半導(dǎo)體材料，其優(yōu)點(diǎn)是：（1）對輻射吸收系數(shù)大（2）導(dǎo)電性能適中，電子向表面運(yùn)動(dòng)時(shí)損失能量?。?）價(jià)帶中電子密度很大，容易受激發(fā)躍遷（4）逸出功較小

半導(dǎo)體光電子發(fā)射過程(1)對光子吸收：價(jià)帶上的電子、雜質(zhì)能級上的電子、自由電子都可以吸收入射光子而躍遷到導(dǎo)帶，當(dāng)其能量高于EA時(shí)就能逸出表面。本征發(fā)射：光電子來源于價(jià)帶的發(fā)射，相應(yīng)的材料叫本征發(fā)射。優(yōu)點(diǎn)：吸收系數(shù)很高(約105/cm)，量子效率很高可達(dá)20%-30%。典型材料：“銻銫Sb-Cs”、“銻鉀鈉銫Sb-K-Na-Cs”等陰極材料。

雜質(zhì)發(fā)射：光電子來源于雜質(zhì)能級的發(fā)射，相應(yīng)的材料叫雜質(zhì)發(fā)射體，缺點(diǎn)：雜質(zhì)濃度一般不超過1%，雜質(zhì)發(fā)射的量子效率較低為1%左右典型材料：“銀氧銫（Ag-O-Cs）”（2）光電子向表面運(yùn)動(dòng)：

半導(dǎo)體中的自由電子濃度很小，電子散射所造成的能量損失可以忽略不計(jì)。電子能量損失的主要是：晶格散射和與價(jià)帶電子的碰撞，而晶格散射造成的能量損失非常的小。在以晶格散射為主的半導(dǎo)體中，對于某些吸收系數(shù)大于106/cm的半導(dǎo)體，它的逸出深度比較大，所產(chǎn)生的光電子幾乎全部都以足夠的能量逸出。（3）克服表面勢壘逸出：

到達(dá)表面的光電子能否逸出取決于它的能量是否大于表面勢壘。半導(dǎo)體的表面勢壘情況

●本征半導(dǎo)體：

EA

Eg

Wφ

Ec

EF

Ev

Ev：價(jià)帶能級Ec：導(dǎo)帶能級EA：表面勢壘本征半導(dǎo)體的逸出功為：

雜質(zhì)半導(dǎo)體：其光電子發(fā)射中心在雜質(zhì)能級上EcEa

Δ

EA

Δ：為從雜質(zhì)能級上釋放一個(gè)電子到導(dǎo)帶所需要的最小能量EA：表面勢壘Ea：雜質(zhì)能級光電子逸出功為：（C）典型實(shí)用光電陰極材料（1）銀氧銫（Ag-O-Cs，[Ag]-Cs2OAgCs-Cs）光陰極材料類型：雜質(zhì)型半導(dǎo)體光電陰極材料，1929開始使用，1934年研制的第一支紅外變像管就采用這種陰極，促進(jìn)了當(dāng)時(shí)軍事技術(shù)的發(fā)展。制作：沉積的Ag膜用輝光放電的方法氧化后再引入Cs敏化制成光譜響應(yīng)：光譜響應(yīng)范圍300-1200nm,響應(yīng)曲線有兩個(gè)峰值：分別為350nm和800nm工作方式：反射或透射

靈敏度：較低，光照靈敏度30uA/lm,輻照靈敏度3mA/W.缺點(diǎn)：長期光照射，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的疲勞現(xiàn)象，疲勞后光譜相應(yīng)曲線也會(huì)發(fā)生變化，應(yīng)用受到限制。改進(jìn)：把Bi-Cs-O與Ag-O-Cs相結(jié)合，可獲得在可見光譜范圍內(nèi)具有較均勻和高靈敏度的Bi-Ag-O-Cs光電陰極。目前該種材料很少使用；(2)單堿光電陰極--銻銫（Sb-Cs）光陰極本征型半導(dǎo)體材料，1936年開始使用。制作：面板上蒸純Sb膜，引入Cs進(jìn)行熱處理;主要性能：光譜響應(yīng)范圍可見+紫外;長波限波長：700nm附近;峰值波長：300-500nm，依賴于窗材料;量子效率：最高可達(dá)30%;工作方式：反射或透射;靈敏度：積分靈敏度可達(dá)70-150uA/lm;該材料目前被廣泛用作光電陰極材料，同時(shí)也可用作光電倍增管的倍增極，工作電壓為400V，倍增系數(shù)可達(dá)10。（3）多堿光陰極當(dāng)銻與一種以上堿金屬結(jié)合可獲得更好的光陰極材料雙堿：（Sb-K-Cs）(Sb-Rb-Cs)（Sb-K-Na）三堿：（Sb-K-Na-Cs），夜視技術(shù)背景下發(fā)展起來四堿：（Sb-K-Na-Rb-Cs）主要性能：量子效率：在可見波段又很高的量子效率25%左右;工作方式：透射光譜響應(yīng)：可到紅外。（4）氧化的銀-鎂合金（AgMgO[Cs]）

用于倍增極材料，在400V時(shí)，倍增系數(shù)接近6。（二）各種型號光電倍增管介紹外部直徑(mm)型號光譜響應(yīng)特性陰極材料光窗材料倍增結(jié)構(gòu)級數(shù)配套管座極限額定值光譜響應(yīng)代號光譜響應(yīng)范圍(nm)峰值波長(nm)陽極電壓(V)末極電壓(V)陽極平均電流(mA)28GDB-443T35B300-670400KCsSbBBG/11GZS14-1515002500.1H2012T35B300-670400KCsSbBLF/8GZS13-216002500.0530GDB-235T30L310-650450CsSbLLF/8GZS10-116002500.05GDB-240T11L300-1150770AgORbCsLLF/11GZS14-120003000.1GDB-413T35B300-670400KCsSbBBG/11GZS13-215002500.1GDB-415T40B300-670420NaKSbBBG/11GZS13-225002500.140GDB-424T40B300-670420NaKSbBBG/11GZS15-121002500.1GDB-423T50B310-850450NaKCsSbBBG/11GZS15-118002500.1551GDB-512T35Q170-670400KCsSbQVB/13GZS15-220003000.2GDB-526T35B300-670400KCsSbBVB/11GZS15-218003000.25GDB-546T50B310-850400NaKCsSbBVB/11GZS19-122003000.2歡迎再來(KCsSb)(NaKCsSb)4.2光電倍增管(PMT)

A、光電倍增管特點(diǎn)：（1）較高的內(nèi)增益，二次電子發(fā)射增益因子可達(dá)107。（2）對單個(gè)光子能量靈敏，應(yīng)用于光輻射較弱，響應(yīng)率要求較高的場合，特別是在高精度、遠(yuǎn)距離的激光測距中廣泛使用。（3）光譜范圍為可見+近紅外（<1.06um）.B、光電倍增管工作原理：二次電子發(fā)射

D1

D3

D7

D5

D9D4D2

D8D6D10

－1200

－1000－800－600－400－200－1100－900－700－500－300－100Ka

RLVO光輻射K：光電陰極;D：為聚焦極;D1-D10：為倍增極（打拿極）;a：收集電子的陽極;光電倍增管的放大倍數(shù)：（1）計(jì)算陰極電流設(shè)Φ為入射到光陰極的光通量，IK為陰極電流（光陰極發(fā)射到D1上的電流），那么有：（4.1.3）

SK為陰極靈敏度，定義為陰極電流IK與標(biāo)準(zhǔn)A光源(色溫為2856K的黑體輻射光)入射于光電陰極的光通量之比，單位為uA/lm。(2)計(jì)算陽極電流設(shè)陽極電流為Ia，Sa為陽極靈敏度，定義為陽極輸出的光電流Ia與標(biāo)準(zhǔn)A光源入射于光電陰極的光通量之比，單位為A/lm。那么陽極電流為：（4.1.4）(3)計(jì)算光電倍增管的電流放大倍數(shù)Gm

(4.1.5)通常在實(shí)際工程計(jì)算中，電流放大倍數(shù)可以近似為：

（4.1.6）

其中f：第一倍增極對陰極發(fā)射電子的收集效率，通常取0.9g：倍增極間的傳遞效率：聚焦型結(jié)構(gòu)g=1非聚焦型結(jié)構(gòu)g<1n：為倍增極個(gè)數(shù)

δ：倍增極的倍增系數(shù)。◆如果f=g=1，n為9-14個(gè)，當(dāng)極間電壓為80-150V時(shí)，倍增極的倍增系數(shù)δ為3-6，那么電流放大倍數(shù)為

（4）估算倍增系數(shù)δ

δ與倍增極材料有關(guān)，也與倍增極的極間電壓VD（伏特）有關(guān)，對于Sb-Cs陰極，δ可以近似為

(4.1.7)

對于銀-鎂倍增極，倍增系數(shù)可估算為

（4.1.8）

作業(yè)31、設(shè)光電倍增管有10個(gè)倍增極，每個(gè)倍增極的二次電子發(fā)射系數(shù)均為4，陰極靈敏度為20uA/lm，陽極電流不超過100uA時(shí)，試估算入射于陰極的光通量上限；2、設(shè)光電倍增管的陰極靈敏度為20uA/lm，倍增極倍增系數(shù)為3，當(dāng)入射光通量為7.5x10-5lm時(shí)，陽極輸出電流為150uA。計(jì)算帶寬為1Hz時(shí)的輸出噪聲電流和等效噪聲功率。C、光電倍增管的幾種結(jié)構(gòu)（1）電子光學(xué)輸入系統(tǒng)（光電陰極到第一個(gè)倍增極之間的系統(tǒng)）1

234213456

754321（a）1：光電陰極2：金屬導(dǎo)電層3：帶孔膜片4：第一倍增極。收集效率85%以上，渡越時(shí)間的散差為10ns（b）與（a）相近，增加了斜劈式電極4（c）性能最好，光陰極為球面形，附加3個(gè)圓筒形電極(3,4,5)，渡越時(shí)間的散差接近零。（2）倍增極結(jié)構(gòu)①聚焦型：直列式結(jié)構(gòu)和圓形鼠籠式結(jié)構(gòu)

直列式特點(diǎn)：倍增極的形狀類似瓦片，它的曲度能提供一個(gè)聚焦電場，使前一級電子流大致射到下級倍增級中央，它的響應(yīng)時(shí)間快，脈沖信號的上升時(shí)間小到1ns光輻射a

VOD1

D3

D7

D5

D9D4D2

D8D6D10

光電陰極聚焦電極聚焦形光電倍增管的缺點(diǎn)：每對倍增極的工作狀態(tài)與鄰近倍增極的電壓有關(guān)，所以對供電電源的穩(wěn)定性要求很高。入射光輻射屏蔽K

D1

D2D3D4D5D7D8鼠籠式特點(diǎn)：小巧緊湊，散差很小脈沖信號的上升時(shí)間可達(dá)ns級②非聚焦型D1

D2D4D5D6D7D8D9D10陽極珊網(wǎng)

光輻射

半透明光電陰極

VoD3百葉窗式

特點(diǎn)：每個(gè)倍增極采用若干小板，小板與光電倍增管軸線成450角，與前一倍增極的小板成900角。為從相鄰的前一倍增極引出低能量的初級電子，每個(gè)倍增極前接有金屬珊網(wǎng)，形成等電位體，屏蔽前一級的影響。此結(jié)構(gòu)適用于大直徑器件，倍增極可以做得很大，易于收集光電陰極所發(fā)射的電子。光輻射

光電陰極

Vo

D1

D2D3D4D5D6D7D8D9D10盒-網(wǎng)式

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：倍增極由1/4圓弧組成，前面接有金屬網(wǎng)，屏蔽上一級的影響。這種結(jié)構(gòu)的倍增管體積可以做得很小，小型倍增管大多采用這種結(jié)構(gòu)。非聚焦型

優(yōu)點(diǎn)：（1）倍增極的效率較高，在低的極間電壓下能給出高的倍增系數(shù)。（2）每對倍增極的工作狀態(tài)基本上與鄰近的倍增極電壓無關(guān)。缺點(diǎn)：（1）非聚焦型結(jié)構(gòu)由于電子散差效應(yīng)，使得在同一時(shí)間從光電陰極中心和邊緣處發(fā)射并經(jīng)倍增極倍增的一束電子不能在同一時(shí)刻到達(dá)陽極，導(dǎo)致電子渡越時(shí)間存在的散差，這種散差使脈沖信號的前沿變斜。（2）非聚焦型光電倍增管的響應(yīng)時(shí)間比聚焦型差。D、光電倍增管的基本特性一、伏-安特性（1）陰極伏-安特性：當(dāng)入射照度E一定時(shí)，陰極發(fā)射電流IK與陰極和倍增極之間的電壓VK的關(guān)系。IK(×10-3uA)

1051020304050VK(V)

E3E2E1E3>E2>E1

當(dāng)VK在20V左右時(shí)，陰極電流開始趨向飽和，與入射照度成線性關(guān)系。（2）陽極伏-安特性：當(dāng)入射照度E為一定時(shí)，陽極電流Ia與最后一級倍增極和陽極之間的電壓Va的關(guān)系稱為陽極伏-安特性。Ia(uA)

100

5010050Va(V)

照度不同時(shí)，陽極電壓達(dá)50V時(shí)，陽極電流趨向飽和，與入射到陽極面上的照度成正比，實(shí)際中，感興趣的是陽極伏-安特性。二、暗電流暗電流：無光照時(shí)，光電倍增管的輸出電流。（對測量緩變?nèi)跣盘柌焕┊a(chǎn)生的主要因素：熱電子發(fā)射、場致發(fā)射和極間漏電一般暗電流為10-8-10-9A，相當(dāng)于入射光通量為10-10-10-13lm。

三、疲勞瞬間強(qiáng)光照射，靈敏度下降，但可恢復(fù)。過分的強(qiáng)光照射會(huì)使光電倍增管出現(xiàn)不可逆損壞，因此，在工作中，要求陽極電流不得超過額定值，一般在100uA左右，相當(dāng)于陰極入射光通量為10-5lm.四、噪聲

光電倍增管的噪聲主要是散粒噪聲，包括陰極電流產(chǎn)生的散粒噪聲和各級倍增極產(chǎn)生的噪聲。步驟1，陰極電流產(chǎn)生的散粒噪聲，設(shè)陰極電流為IK，其散粒噪聲功率為

（4.2.9）

與有用的信號一樣，這個(gè)散粒噪聲電流INK也將被逐級放大

步驟2，倍增極1的散粒噪聲，由于二次電子發(fā)射也是個(gè)隨機(jī)事件，必然引入附加散粒噪聲，假定通過每一倍增極的倍增系數(shù)均為δ，則該級輸出噪聲功率為：步驟3，第二倍增極噪聲，除了對陰極噪聲和第一倍增級噪聲進(jìn)行放大外，第二倍增極自己也產(chǎn)生噪聲，總噪聲為：

類推可以得到第n級倍增級的散粒噪聲功率：

（4.2.10）

由于δn

>>1，當(dāng)f=g=1時(shí)，Gm=f(gδ)n=δn，所以上式可寫為：（4.2.11）

陽極噪聲功率（即第n個(gè)倍增級的噪聲）為：過剩噪聲因子（4.2.12）

五、通量閾