第3章 光电阴极与光电倍增管..

EAe=E0-EC1<0
2. 负电子亲和势阴极
NEA的最大优点：
－－量子效率比常规发射体高得多
热电子
－－受激电子能量 超过导带底的电子
冷电子
－－能量恰好等于 导带底的电子
光电发射过程分析：
量高于 E0 收光子 能量损失 价带上电子 吸 热 电 子 （ 导 带 底 以 上 ） 冷 电 子能 容易逸出
它表示在某些特定的波长区域，阴极光电流与入射光 的光通量之比。 实际上是局部波长范围 一般用插入不同的滤光片来获得不同的光谱范围，滤 的积分灵敏度 光片的透射比不同，它又分别称为蓝光灵敏度、红光灵敏 度及红外灵敏。
(3) 光谱灵敏度
波长一定的单色光照射时，光电阴极发出的光电 流与入射的单色光通量之比。 I ( ) S ( ) e ( ) 2.量子效率 阴极发射的光电子数 Ne(λ)与入射的光子数 Np(λ)之比， 称为量子效率: N e ( ) ( ) N p ( )
料，具有高灵敏度和宽光谱响应，如S-20 。其红外端可延伸到
930nm，量子效率高于20 %。 适用于宽带光谱测量仪.
(三). 常用光电阴极材料 (1) Ag-O-Cs具有良好的可见和近红外响应。 (2)单碱锑化合物(PEA) (3)多碱锑化合物(PEA) (4)紫外光电阴极材料 某些应用，要求光电阴极材料只对所探测的紫外 辐射灵敏，对可见光无响应。这种材料通常称为“日 盲”型光电阴极材料，也称紫外光电阴极材料。目前 实用的紫外光电阴极碲化铯(CsTe)和碘化铯(Csl)两种。
根据定义:量子效率和光谱灵敏度之间的关系为:
I ( ) / q S ( )hc S ( ) 1240 ( ) e ( ) / h q
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
为什么会有峰值？
光电阴极的光谱灵敏度与入射光波长的关系 S(λ) 曲线，称为光谱响应曲线。 4.暗电流
阴极发射电子（第一种方式）
1. 增加电子能量
（1）热电子发射（热阴极） 阴极加热 T足够高 部分电子获得足够能量
半导体
E Φ=E0-EF
克服表面势垒而逸出 金属
阴极发射电子（第一种方式）
1. 增加电子能量
（1）热电子发射（热阴极） 阴极加热 T足够高 部分电子获得足够能量
克服表面势垒而逸出 （2）光电子发射（光电阴极）
半导体材料广泛用作光电阴极 常规光电阴极 负电子亲和势阴极
EA 0
EA 0
1.灵敏度 灵敏度
光照灵敏度
色光灵敏度 光谱灵敏度
(1)光照灵敏度 色温2856K的钨丝灯
M (T ) T 4
(2) 色光灵敏度
QB:中国青色或兰色玻 在一定的白光照射下，光电阴极的光电流与入射的 璃(德国:BG) 白光光通量之比,也称白光灵敏度或积分灵敏度。 HB:中国红色玻璃
探测。可见光区域内量子效率低于0.43%。如S-1所示。
350 nm, 800 nm
(三). 常用光电阴极材料 (1) Ag-O-Cs具有良好的可见和近红外响应。 (2)单碱锑化合物(PEA)
金属锑与碱金属锂、钠、钾、铯中的一种构成的化合物，都 是能形成具有稳定光电发射的发射材料， CsSb最为常用，在紫 外和可见光区的灵敏度最高。
6.PSD位置传感器
O
xA
L xA I1 I 0 2L L xA I2 I0 2L I 2 I1 xA L I 2 I1
7雪崩光电二极管；
第3 章 光电阴极与光电倍增管
本章主要内容：
3.1 阴极与阴极电子学 3.2 外光电效应 3.2 光电阴极 2.3光电管和光电倍增管
（命 寿1014～ 1012 s） （ 109～ 108 s）
NEA量子效率比常规发射体高得多！
2. 负电子亲和势阴极
NEA的优点：量子效率比常规发射体高得多
1、量子效率高 2、阈值波长延伸到红外区 3、由于“冷”电子发射，能量分 散小，在成象器件中分辨率极高
λ/nm
光电阴极中有一些电子的热能有可能大于光电 阴极逸出功，因而可产生热电子发射。 室温下典型光电阴极 每秒每平方厘米发射 的热电子相当于
l0-16 ～10-17A/cm2的电流密度
(二).光电阴极的分类 光电阴极一般分为:透射型与反射型两种。
光 阳极 A
阴极 K 光 反射型 透射型
不透明阴极通常 较厚，光照射到阴极 上，光电子从同一面 发射出来，所以不透 明光电阴极又称为反 射型阴极
阴极射线管（CRT）
CRT （Cathode Ray Tube） 和 FED（ Field Emission Display ）
索尼2010
场致发射显示器（FED）
被视为继液晶、等离子、 OLED之后的第四大平板显示技术
场发射阵列制作过程
Mo SiO2 Si Mo Glass
3.2 外光电效应
max
1.24 μm Eg E A
1.24 μm Eg
m a x
4、延伸的光谱区内其灵敏度均匀
当负电子亲和势光电阴极受 光照时，被激发的的电子在 导带内很快热化(约10-12s)并 落入导带底(寿命达10-9s)。 热化电子很容易扩散到能带 弯曲的表面，然后发射出去， 所发射光电子的能量基本上 都等于导带底的能量。
金属或半导体受光照时，如果入射的光子能量hν足够 大，它和物质中的电子相互作用，使电子从材料表面逸出 的现象，也称为外光电效应。它是真空光电器件光电阴极 的物理基础。
光电发射第一定律——斯托列托夫定律
当照射到光阴极上的入射光频率或频谱 成分不变时，饱和光电流（即单位时间内发 射的光电子数目）与入射光强度成正比：
量子效率一般高达20%～30%，比银 氧铯光电阴极高30多倍。如S-4。
(三). 常用光电阴极材料 (1) Ag-O-Cs具有良好的可见和近红外响应。 (2)单碱锑化合物(PEA) (3)多碱锑化合物(PEA)
锑和几种碱金属形成的化合物包括双碱锑材料Sb-Na-K、Sb-KCs和三碱锑材料Sb-Na-K-Cs等，Sb-Na-K-Cs是最实用的光电阴极材
对光子的吸收 电子向表面运动 克服表面势垒而逸出
阴极发射电子（第一种方式）
1. 增加电子能量
（1）热电子发射（热阴极） 阴极加热 T足够高 部分电子获得足够能量
克服表面势垒而逸出 （2）光电子发射（光电阴极）
光辐射
物体
体内电子吸收光量子后逸出
（3）次级电子发射（次级电子发射体） 初始能量电子 轰击物体 体内电子获得能量逸出
Ik ：光电流 Φe ：光强 Se ：该阴极对入射光线的灵敏度
Ik Se e
光电发射第二定律——爱因斯坦定律
光电子的最大动能与入射光的频率成正比，而与入、 射光强度无关：
Emax=(1/2)mυ2max=hν- hν0 =hν- W
Emax：光电子的最大初动能。 h： 普朗克常数。 ν0： 产生光电发射的极限频率，频率阈值。 W： 金属电子的逸出功（从材料表面逸出时所需的 最低 能量），单位eV，与材料有关的常数， 也称功函数。
光辐射
物体
百度文库
体内电子吸收光量子后逸出
阴极发射电子（第一种方式）
（2）光电子发射（光电阴极）
光辐射
物体
体内电子吸收光量子后逸出
半导体光电子主要发射分三类： 本征发射：价带电子导带电子 hν>EC-EV
杂质发射：杂质能级电子导带电子
hν>ΔEg
忽略不计
自由载流子发射：自由载流子导带电子 半导体光电子主要发射分三步：
入射光子的能量至少要等于逸出功时，才能发生 光电发射。 波长阈值：
hν>W hc/λ>W λ <hc/W=1.24/A λ < =1.24/W(μm) 当入射光波长大于λ时，不论光强如何，以及照 射时间多长，都不会有光电子产生。要用红外光 （λ>0.76μm）发射电子，必须寻求低于（？） 的低能阈值材料。
知识回顾
1. 阴极，使阴极发射电子的方式？
电子器件中发射电子的一极（电子源）
知识回顾
1. 阴极，使阴极发射电子的方式？ 2. 光电阴极
能够产生光电发射效应的物体称为光电发射体 (1) Ag-O-Cs：可见和近红外响应, 0.42% (2)单碱锑化合物(PEA)：紫外和可见光区，20%-30% (3)多碱锑化合物(PEA)：紫外和可见光区+红外，20% (4)紫外光电阴极材料：日盲型，碲化铯，碘化铯C (5)负电子亲合能材料(NEA)
透射型阴极通常制作 在透明介质上，光通过 透明介质后入射到光电 阴极上。光电子则从光 电阴极的另一边发射出 来，所以透射型阴极又 称为半透明光电阴极。
(三). 常用光电阴极材料 (1) Ag-O-Cs具有良好的可见和近红外响应。 透射型光谱响应: 300nm到1200nm，反射型光谱响
应:300m到1100nm。Ag-O-Cs光电阴极主要应用于近红外
3.1 阴极与阴极电子学

阴极（Cathode） 电子器件中发射电子的一极（电子源）

阴极电子学
研究： 1）电子和离子从固体表面的发射过程
2）粒子
固体表面相互作用的物理过程

从能带理论浅谈电子发射
【思考】如何使体内电子逸出？
第一种方式
第二种方式
使体内电子逸出的方法：
1）增加电子能量 2）削弱阻碍电子逸出的力
EA2=E0-EC2>0
2. 负电子亲和势阴极
体内：P型
表面：N型
入射光子
体内电子，能级Ec1 表面电子，能级Ec1 表面逸出电子 E0-Ec1< 0
体内有效电子亲和势:
EAe=E0-EC1<0
2. 负电子亲和势阴极
体内：P型
表面：N型
经典发射体的电子亲 和势仍是正的 ？？？ EA1=E0-EC1>0 EA2=E0-EC2>0 负电子亲和势是指体 内衬底材料的有效电 子亲和势？？？
1.63eV
为什么会弯曲？
Wmax
0
ν0
ν
图 光电子最大动能与入射光频率的关系
(1/2)mυ2max=hν- hν0 =hν- W
3.3 光电阴极
什么是光电阴极？ 能够产生光电发射效应的物体称为光电发射体，光 电发射体在光电器件中常与阴极相联故称为光电阴极 。
阴极
常用的光电阴极材料
金属： 反射系数大、吸收系 数小、碰撞损失能量 大、逸出功大－－适 应对紫外灵敏的光电 探测器。 半导体： 光吸收系数大得多，散 射能量损失小，量子效 率比金属大得多－－光 谱响应：可见光和近红 外波段。
a.量子效率高 b. 光谱响应率均匀,且光谱响应延伸到红外 c. 热电子发射小 d. 光电子的能量集中
负电子亲和势材料结构、原理
以Si-Cs2O光电阴极为例 重掺杂的P型硅表 面涂极薄的金属Cs， 经过处理形成N型 的Cs2O。
P型Si的电子亲和势:
N型Cs2O电子亲和势:
EA1=E0-EC1>0
阴极发射电子（第二种方式）
2. 降低阻碍电子逸出的力 （4）场致发射（场发射阴极） 固体表面施加强电场 通过隧道效应进入真空
V
削弱势垒
体内部分电子
V0
I
II
III
o a
量子隧穿示意图
x
P exp(2k1a) exp(
2a 2m(V0 E ))
阴极的应用举例
CRT （Cathode Ray Tube） 和 FED（ Field Emission Display ）
长波限为 0.32µ m
长波限为 0.2µ m
(三). 常用光电阴极材料 (1) Ag-O-Cs具有良好的可见和近红外响应。 (2)单碱锑化合物(PEA) (3)多碱锑化合物(PEA) (4)紫外光电阴极材料 (5)负电子亲合能材料(NEA) 负电子亲和势材料制作的光电阴极与正电子亲和势材 料光电阴极相比,具有以下四点特点
知识回顾
1.光电二极管 分类 符号
接法
光敏二极管符号
光敏二极管接法
2.光电二极管跟普通二极管和光电池的区别
与普通二极管相比 共同点：一个PN结，单向导电性 不同点： （1）受光面大，PN结面积更大，PN结深度较浅 （2）表面有防反射的SiO2保护层 （3）外加反偏置 与光电池相比 共同点：均为PN结，利用光伏效应，SiO2保护膜 不同点： （1）结面积比光电池的小，频率特性好; （2）光生电势与光电池相同，但电流比光电池小; （3）可在零偏压下工作，常在反偏置下工作。
3.光电三极管的电流关系及电连接方法
根据共发射极电流关系有： I b＝ I p Ic = Ie = （1+β） Ib = （1+β） Ip = （1+β） E· SE
4.象限探测器
5.PIN光电二极管
由于I层比PN结宽的多，光生电流增大; 由于耗尽层变宽，结电容变小；提高响应速度； 由于I层电阻率很高，故能承受的电压增大;