研究生光电检测第2章

Ag-O-Cs 光电阴极的光谱响应曲线如图 2.1-3(b) 所 示。 它的长波灵敏度延伸至红外1.2 μm， 并且有两 个峰值， 近红外800 nm处有一主峰， 另一主峰处于紫 外350 nm。 Ag-O-Cs 光电阴极的灵敏度较低, 其光照灵敏度约 为30 μA/lm， 辐照灵敏度为3 mA/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10-11~10-14 A/cm2。
第2章 点探测器
第2章 点探测器
2.1 光电管 2.2 光电倍增管 2.3 光电导探测器 2.4 PN结光伏探测器的工作模式 2.5 硅光电池 2.6 光电二极管 2.7 象限探测器和位敏探测器 2.8 光热探测器 习题与思考题
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2.1 光 电 管
光电管是依据光电发射效应而工作的一种光电探 测器。 其结构原理和偏置电路如图2.1-1所示， 主要由 光阴极K、 阳极A和管壳组成。 如果管壳内是真空状 态， 就称为真空光电管； 如果管壳内充有增益气体， 就称为充气光电管。
(2.1-1)
式中Eφ是光阴极材料的功函数。 该式仅仅说明了理 想情况下光阴极材料能否产生光电子发射的条件， 至于 发射效应本身是否有效， 该式无法说明。
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实际上， 光电子从光阴极内部逸出表面经过三个 过程： (1) 光阴极内部电子吸收光子能量， 被激发到真空 能级以上的高能量状态； (2) 这些高能量的光电子在向表面运动的过程中， 受到其它电子碰撞、 散射而失去一部分能量； (3) 光电子到达表面时还要克服表面势垒才能最后 逸出。
u 1 Rd i tan
所以光电管的暗电导g为
1 tan g Rd
(2.1-10)
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2. 表征光电管进入饱和区快慢的参数g′ 在光照情况下， 流过光电管的电流i包括光电流和 暗电流两部分， 即 i=gu+SP 止与电阻符号相混淆。 (2.1-11)
式中S为光电流灵敏度， 这里采用符号S是为了防
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量子效率 / % 50
In
0.06
GaA s
Ga 0.94 A s
In
0.1 2
10 5
Ga 0
.82
As
1 0.5 Ag -O-Cs
0.1
0.5
0.7
0.9
1.1
波长 / m
图 2.1-6 负电子亲和势材料的光谱响应曲线
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2.1.2 光电特性和伏安特性 光电管典型的光电特性曲线如图2.1-7所示。 图中 曲线1、 2、 3是真空光电管的情况， 而曲线4、 5、 6 则是充气光电管的情况。 不论哪一种情况， 光电流与 光照量在一定范围内呈直线关系。 从光电管的偏置电路 (见图 2.1-1) 可知， 光电管两 端电压u和流过的电流i之间有关系 u=V-iRL 关系称为光电管的伏安特性。 (2.1-9) 式中V是偏置电压(或电源电压)。 u和i之间的变化
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光
阳极A A u 阴极K 反射型 GD K ＋ V － RL
光 透射型
图 2.1-1 光电管及偏置电路
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2.1.1 光阴极材料及其光谱响应 我们已经知道， 光阴极光谱响应的截止波长λc由 式(1.1-4)决定， 即
1.24 c ( m) E ( eV )
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因此， 一个良好的光阴极应该满足三个条件： (1) 光阴极表面对光辐射的反射小而吸收大； (2) 光电子在向表面运动中受到的能量散射损耗小； (3) 光阴极表面势垒低， 电子逸出概率大。
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许多金属和半导体材料虽然都能产生光电效应， 但依据上述原则， 金属和半导体材料相比光电发射效 率要低得多， 因而光阴极通常都采用半导体材料。 半 导体材料光阴极又分为正电子亲和势(亦称经典光阴极) 和负电子亲和势(NEA阴极)两种类型。 NEA光阴极是 当前性能最好的光阴极。 为了有一个明确的物理概 念， 结合图2.1-2来说明两种光阴极类型之间的主要差 别。
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对于金属情况， 见图2.1-2(a)。 金属内的“冷”电子 (即光电子)发射来源于费米能级EF附近。 光电发射阈 值定义为电子真空能级E0与EF之差， 即 Eφ=E0-EF (2.1-2) 对半导体材料， 见图2.1-2(b)， 半导体内“冷”电子 发射来源于价带EV附近， 因此表面处的Eφ为 Eφ=EA+Eg 电子亲和势。 (2.1-3) 式中Eg为禁带宽度， EA为E0和导带EC之差， 称为
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负电子亲和势光电阴极与前述的正电子亲和势光电 阴极相比， 具有以下特点： (1) 量子效率高: 负电子亲和势阴极因其表面无表 面势垒， 所以受激电子跃迁到导带并迁移到表面后， 无需克服表面势垒就可以较容易地逸出表面。 (2) 光谱响应延伸到红外、 光谱响应度均匀: 正电 子亲和势光电阴极的阈值波长为
本来P型Si的发射阈值是Ed1=EA1+Eg1， 电子受光激 发进入导带后需克服亲和势EA1才能逸出表面。 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就能逸出表面。 对于P型Si的 光电子需克服的有效亲和势为 EAe=EA2-Ed (2.1-6)
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现以 Si-Cs2O 光电阴极为例加以说明。 它是在P型 Si的基质材料上涂一层极薄的金属Cs， 经特殊处理而 形成 N 型 Cs2O 。 表面为 N 型的材料有丰富的自由电 子， 基底为P型材料有丰富的空穴， 它们相互扩散形 成表面电荷局部耗尽。 与PN结情况类似， 耗尽区的 电位下降Ed， 造成能带弯曲， 如图2.1-5(b)所示。 图 2.1-5(a)分别表示P型Si和N型Cs2O两种材料的能带图。
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e e E0 E EF EA EC EF EV (a) (b) E E0 EA e EC EF EV
e E0 EA E E EC EA e EF EV
e
EA
E0 E
(c)
(d)
图 2.1-2 典型光阴极能级示意图 (a) 金属； (b) 理想半导体； (c) 正电子亲和势； (d) 负电子亲和势
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i / A 6 25 20 15 10 5 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 (a) Pv / lm 5 4 3 2 1 i / A
20 15 10 5 0 0.15 (lm) 0.1 0.05 0 50 100 150 200 250 (b) u/V
图 2.1-7 光电管的光电和伏安特性曲线 (a) 光电特性曲线； (b) 伏安特性曲线
通常所说的电子亲合势就指的是EAe， 这样， 半导
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1. 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族材料的光电阴极外，它仍然是在近红外区 具有使用价值的惟一阴极。
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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2.1-3(a)所示。 有一些光电器件也有不用氧化 而用硫化， 或以碱金属代替铯原子， 其目的都是希望 得到高的响应度及合适的光谱响应范围。
1240 c nm Eg E A
(2.1-7)
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而负电子亲和势光电阴极的阈值波长为
1240 c nm Eg
(2.1-8)
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(3) 热电子发射小: 与光谱响应范围类似的正电子 亲和势的光电发射材料相比， 负电子亲和势材料的禁 带宽度一般比较宽， 所以在没有强电场作用的情况 下， 热电子发射较小， 一般只有10-16 A/cm2。 (4) 光电子的能量集中: 当负电子亲和势光电阴极 受光照时， 价带中的电子受激发而跃迁至导带， 此光 激发电子在导带内很快热化 ( 约 10-12 s) ， 落入导带底 (寿命达10-9 s)， 热化电子很容易扩散到达能带弯曲的 表面， 然后发射出去， 所以其光电子能量基本上都等 于导带底的能量。
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E A2 E A1 EC1 E F1 E V1 E g1 Si (a) Eg2 Cs 2O
E0 E C2 E F2 E V2
EC1
－
EA e
EA2
Ed
－
E0 EC2 EF EV2
EF E V1
－ －
＋ ＋ ＋ ＋
表面 耗尽区
(b)
图 2.1-5 负电子亲和势材料表面能带弯曲图
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4. 紫外光电阴极 一般来说， 对可见光灵敏的光电阴极， 对紫外光 也都具有较高的量子效率。 但在某些应用中， 为了消 除背景辐射的影响， 要求光电阴极只对所探测的紫外 辐射信号灵敏， 而对可见光无响应， 这种阴极通常称 为“日盲”型光电阴极。 目前比较实用的“日盲”型光电阴极有碲化铯(CsTe) 和碘化铯(CsI)两种。 CsTe阴极的长波限为0.32 μm， 而CsI阴极的长波限为0.2 μm。
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从图 2.1-8 可见， 直线 OM′是所有曲线进入饱和 区的分界线， 它与电压轴的夹角α″是固定值， 显然
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2. 单碱锑化物光电阴极 金属锑与碱金属锂、 钠、 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 LiSb 、 NaSb、 KSb、 RbSb和CsSb等。其中， 以CsSb阴极的 灵敏度为最高， 是最有实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如图2.1-4所示。