光电探测技术—第四章 李静

光电探测技术—第四章
李静
真空光电器件
真空光电发射器件是基于外光电效应的光电探测器，包括 光电管和光电倍增管两类。具有极高的灵敏度、快速响应等特 点，它在探测微弱光信号及快速脉冲弱光信号等方面仍然是一 个重要的探测器件。因此广泛应用于航天、材料、生物、医学、 地质等领域都有相当大的应用。
真空光电器件结构及常见类型

三、单碱锑化物光电阴极

金属锑与碱金属锂、纳、钾、铷、铯中的一种 化合，都能形成具有稳定光电发射的发射体。 其中，以CsSb阴极的灵敏度最高，是最具有使 用价值的光电发射材料，广泛用于紫外和可见 光区的光电探测器中。

锑铯阴极的典型光谱响应曲线

四、多碱锑化物光电阴极



当锑和几种碱金属形成化合物时，具有更高的响 应率，其中有双碱、三碱和四碱等，统称为多碱 锑化物光电阴极。 锑纳钾阴极是双碱阴极中的一种，它的光谱响应 与锑铯阴极相近，在峰值波长0.4um处的量子效率 达25%，其典型光照灵敏度可到50uA/lm。它的特 点是耐高温，工作温度可达到175℃，而一般含铯 阴极的工作温度不能超过60 ℃，因此锑钾钠阴极 可用于石油探测等特殊场合。 锑钾钠铯阴极是三碱阴极中最有实用价值的一种， 它从紫外到近红外的光谱区都具有较高的量子效 率。

二、银氧铯（Ag-O-Cs）光电阴极


银氧铯阴极是最早出现的实用光电阴极。 目前，除了Ⅲ-Ⅴ族的光电阴极外，它仍 然是在近红外区具有使用价值的唯一阴极。 银氧铯阴极是以Ag为基底，氧化银为中 间层，上面再有一层带有过剩Cs原子及 Ag原子的氧化铯，而表面由Cs原子组成， 可用[Ag]-Cs2OAgCs-Cs的符号表示，如图 a所示。
材料的二次发射系数σ随一次电子的能量Ep不同而改变， 图4-13表示σ与Ep的一般关系。 其原因是：当一次电子能量过大，电子穿透材料的有效 深度增加；尽管激发的内二次电子数有所增加，但许多 深层的内二次电子在逸出过程中，由于碰撞散射而损失 能量，结果不能逸出，反而使σ减小。不同的发射材料， 当二次发射系数达最大值σmax时，相应的一次电子能量 Epmax 变化很大，约100～2000电子伏。
结构：均包括光电阴极、阳极、真空玻璃壳 分类：
成像型 非成像型
常见器件：
光电管
真空光电管
充气光电管 光电倍增管
4.1
光电阴极
在光电管、光电倍增管、变象管、象增加器和一 些摄像管等光电器件中，使不同波长的各种辐射信号 转换为电信号，均依靠光电阴极。因而光电阴极关系 到光电器件的各项光电性能。
光电发射阴极是光电发射器件的重要部件，它是 吸收光子能量发射光电子的部件。它的性能直接影响 着整个光电发射器件的性能，为此，首先讨论用于制 造光电阴极的典型光电发射材料。
Ag-O-Cs光电阴极的光谱响应曲线如图b 所示。它的长波灵敏度延伸至红外1.2um， 并且有两个峰值，近红外800nm处有一主 峰，另一主峰处于紫外350nm。



Ag-O-Cs光电阴极的灵敏度较低。光照灵敏度约为 30uA/lm，辐照灵敏度为3mA/W，量子效率在峰值波长 处也只有1%，它的热电子发射密度在室温下超过任何 其它实用阴极，约为10-11~10-14A/cm2。此外，当阴极 长期受光照后，会产生严重的疲劳现象，且疲劳特性 与光照度。光照波长等都有密切关系，疲劳后光谱响 应曲线也会发生变化，因此它的应用受到很大限制。 将近红外区具有高灵敏度的Ag-O-Cs阴极和蓝光区具 有高灵敏度的Bi-Cs-O阴极相结合，可获得在整个可 见光谱范围内具有较均匀响应和高灵敏度的 Bi-Ag-O-Cs光电阴极。该阴极的量子效率达10%，但 长波限只有750nm。

图a分别表示p型Si和n型Cs2O两种材料的能带图。

本来p型Si的发射临界值是 Ed 1 EA 1 Eg1 ，电 子受光激发进入导电带后需克服亲和势才能逸出出 表面。现在由于表面存在n型薄层，使耗尽区的电位 下降，表面电位降低Ed。光电子在表面附近受到耗 尽区内建电场的作用，从Si的导电带底部漂移到表 面Cs2O的导带底部。此时，电子只需克服EA2就能逸 出出表面。对于p型Si的光电子需克服的有效亲和势 为


常用的窗口材料有下列几种： (1)硼硅玻璃，应用广泛，透射光谱范围从300nm到红外，不 适合作紫外辐射窗口材料。 (2)透紫外玻璃，透紫外性能很好，紫外波段的截止波长约 185nm，应用普遍。 (3)熔融石英（熔融二氧化硅），透紫外波长可达到160nm。 (4)蓝宝石 (5)MgF2
4.2 光电管与光电倍增管的工作原理

一、光电管

光电管主要由光电阴极 和阳极两部分组成，因 管内有抽成真空或充入 低气压惰性气体的不同， 所以有真空型和充气型 两种。它的工作电路如 图所示，阴极和阳极之 间加有一定的电压，且 阳极接正，阴极接负。

真空型光电管的工作原理

当入射光透过真空型光电管的入射窗照射到光电阴极 面上时，光电子就从阴极发射出去，在阴极和阳极之间 形成的电场作用下，光电子在极间作加速运动，被高电 位的阳极收集，其光电流的大小主要由阴极灵敏度和入 射辐射的强度决定。 光照生电子在电场的作用下运动，途中与惰性气体原 子碰撞而电离，电离又产生新的电子，它与光电子一起 都被阳极收集，形成数倍于真空型光电管的光电流 。


一、光电阴极的主要参数
1.灵敏度

(1)光照灵敏度

表示光电阴极在一定的白光照射下，阴极光电流与入射的光通量之 比。光照灵敏度也称为白光灵敏度或积分灵敏度，单位为uA/lm。 就是局部光谱区域的积分灵敏度。它表示在某些特定的波长区，通 常用特性已知的滤光片插入光路，然后测得的光电流与未插入滤光 片时阴极所受光照的光通量之比。

图c所示的是性能最好 的一种结构，它采用 了球面形光电阴极， 并附加了3个圆筒形电 极。此时，阴极表面 电位分布比较均匀， 而且从阴极中心和边 缘发射的电子的轨迹 长度相差甚小，可使 穿越时间的离散性接 近于零。

3.电子倍增极

(1)二次电子发射

具有足够动能的电子轰击某些材料时，材料表面将发射新 的电子，这种现象称为二次电子发射。轰击材料的入射电 子称为一次电子，从材料表面发射出的电子称为二次电子。 不同材料的二次电子发射能力是不一样的。为表征材料的 这种能力，通常把二次发射的电子数N2与入射的一次电子 数N1的比值定义为该材料的二次发射系数σ


(1)量子效率高 (2)光谱响应延伸到红外、光谱响应率均匀

正电子亲和势光电阴极的临界值波长为
1240 0 (nm) Eg E A

而负电子亲和势光电阴极的临界值波长为
1240 0 (nm) Eg

(3)热电子发射小 (4)光电子的能量集中

实用的负电子亲和势光电 阴极有GaAs、InGaAs、 GaAsP等，其光谱响应曲 线如图所示。

式中λ单位为nm；S(λ)为光谱灵敏度，单位为A/W。


3.光谱响应曲线 光电阴极的光谱灵敏度或量子效率与入射辐射波长的关 系曲线，称为光谱响应曲线。真空光电组件中的长波灵 敏度极限，主要由光电阴极材料的截止波长 0 决定。 4.热电子发射 光电阴极中有少数电子的热能大于光电阴极逸出功，因 而产生热电子发射。室温下典型阴极每秒每平方厘米发 射二个数量级的电子，相当于10-16～10-17Acm-2的电流 密度。这些热发射电子会引起噪声，限制着传感器的灵 敏度极限。
N2 N1

二次发射过程可以分三步来描述： 材料吸收一次电子的能量，激发体内电子到高能态， 这些被激电子称为内二次电子； 内二次电子中初速指向表面的那一部分向表面运动， 在运动过程中因散射而损失能量； 如果达到界面的内二次电子仍有足以克服表面势垒的 能量，即逸出表面成为二次电子。


常用几种窗口材料的 光谱透射比曲线。


实用光电倍增管的阴极光谱响应特性如图4-11和表4-1所示。

2.电子光学系统 电子光学系统主要有两方面的作用，使光电阴极发射的光电 子尽可能全部会聚到第一倍增极上，而将其它部分的杂散热 电子散射掉，提高信噪比，一般用电子收集率表示；二是使 阴极面上各处发射的光电子在电子光学系统中渡越的时间尽 可能相等，以保证光电倍增管的快速响应，这一参数常用渡 越时间的离散型△t表示。 下面介绍几种典型的结构和性能。 图a是最简单的电子光学系统。

图a中：


1是光电阴极； 2是与光电阴极同电位的金 属筒或镀在玻璃壳上的金 属导电层； 3是带孔膜片； 4是第一倍增极。

在图 (b)系统中约为10ns，为 了使小型光电倍增管的倍增 极合理安排在管壳内（具有 对称性），充分利用玻璃管 内的空间，同时保证有高的 电子收集率，可采用图4-12? 所示电子光学系统。图中增 加了斜劈式圆柱筒电极4，该 电极固定在偏心的带孔膜片 上，其轴线与阴极的轴线之 间的夹角常取20°。这种结 构的性能与前者相近。


光电倍增管中的倍增极一般由 几级到十五级组成。根据电子 轨迹的型式可分为两大类，即 聚焦型和非聚焦型。凡是由前 一倍增极来的电子被加速和会 聚在下一倍增极上，在两个倍 增极之间可能发生电子束交叉 的结构称为聚焦型。非聚焦型 形成的电场只能是电子加速， 电子的轨迹都是平行的。 根据电子倍增极的结构形式， 目前光电倍增管分成六种形式， 如图所示。

光电倍增管通常有侧窗和端窗两种形式。侧窗型光电倍 增管是透过管壳的侧面接收入射光，而端窗式光电倍增 管是透过管壳的端面接收入射光。

侧窗式光电倍增管一般使用反射式光电阴极，而且 大多数采用鼠笼式倍增极结构，如图a所示。 端窗式光电倍增管通常使用半透明光电阴极，光电 阴极材料沉积在入射窗的内侧面。如图b所示。