第4章光电发射器件PPT课件
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《光电发射器》课件
04
光电发射器的设计与优化
光源的选择与设计
总结词
光源的选择与设计是光电发射器性能的关键因素之一，直接影响到光电发射器的输出功 率、光束质量、稳定性等。
详细描述
在光源的选择上，需要根据光电发射器的应用需求和工作环境，选择合适的光谱范围、 功率、寿命等参数的光源。同时，还需要考虑光源的稳定性、抗干扰能力等因素。在光 源的设计上，需要采用先进的光学设计理论和技术，优化光源的光束质量、光强分布等
光电发射器的分类与特点
分类
根据光敏材料的种类，光电发射器可 分为硅基光电发射器、锗基光电发射 器、化合物半导体光电发射器等。
特点
光电发射器具有高灵敏度、快速响应 、低噪声等优点，广泛应用于光通信 、光检测、光传感等领域。
光电发射器的应用领域
光通信
光电发射器作为光信号发射端， 可将高速数字信号转换为光信号 ，实现高速、大容量信息传输。
光检测
光电发射器可用于各种光检测系统 中，如光谱分析、光学干涉、光学 成像等，提高检测精度和灵敏度。
光传感Байду номын сангаас
光电发射器可用于环境光传感、生 物传感等领域，实现非接触式测量 和实时监控。
02
光电发射器的基本结构
光源
01
02
03
光源类型
包括LED、激光、氙灯等 ，根据应用需求选择合适 的光源。
光谱特性
《光电发射器》课件
目录
• 光电发射器概述 • 光电发射器的基本结构 • 光电发射器的性能参数 • 光电发射器的设计与优化 • 光电发射器的应用实例
01
光电发射器概述
光电发射器的定义与工作原理
定义
光电发射器是一种能够将光信号 转换为电信号的器件，通常由光 敏材料和电路组成。
光电发射器件
形成充气型的光电管。
无论真空型还是充气型均属于 光电发射型器件，简称为光电管。
工作原理电路如图4-2所示，在 阴极和阳极之间加有一定的电压， 建立电场。
1、真空型光电管的工作原理 光透过真空光电管的入射到光电阴极面上，产生光电子发射， 在阴极和阳极之间的电场作用下，光电子作加速运动，被高电位
阳极收集，形成光电流，其大小取决于阴极灵敏度和辐射强度。
2、充气型光电管的工作原理 光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 。
• 4.2.2 光电倍增管的原理
光电倍增管（Photo-multiple tube简称为PMT）主要由光入 射窗、光电阴极、电子光学系统、倍增极和阳极等组成。
• 4.1.2 光电阴极材料
1. 单碱与多碱锑化物光阴极
锑铯(Cs3Sb)光电阴极 是最常用的，量子效率很 高。长波限约为650nm，对 红外不灵敏。
锑铯阴极峰值量子效 率较高，常达20%~30%， 比银氧铯阴极高30多倍。
两种或三种碱金属与锑 化合形成多碱锑化物光阴 极。其量子效率峰值可高 达30% 。
如图4-3所示为光电倍增管原理示意图。
• 4.2.3 光电倍增管的结构 1. PMT的入射窗结构 2. 倍增极结构 1）倍增极材料
锑化铯（CsSb）具有很好的二次电子发射功能，可以在较低
电压下产生较高的发射系数，电压高于400V，δ值可高达10倍。
氧化的银镁合金也具有二次电子发射功能，它与锑化铯相比 二次电子发射能力稍差，可以工作在较强电流和较高温度 （150℃）。
铜-铍合金也具有二次电子发射功能，不过它的发射系数δ 比银镁合金低。
无论真空型还是充气型均属于 光电发射型器件，简称为光电管。
工作原理电路如图4-2所示，在 阴极和阳极之间加有一定的电压， 建立电场。
1、真空型光电管的工作原理 光透过真空光电管的入射到光电阴极面上，产生光电子发射， 在阴极和阳极之间的电场作用下，光电子作加速运动，被高电位
阳极收集，形成光电流，其大小取决于阴极灵敏度和辐射强度。
2、充气型光电管的工作原理 光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 。
• 4.2.2 光电倍增管的原理
光电倍增管（Photo-multiple tube简称为PMT）主要由光入 射窗、光电阴极、电子光学系统、倍增极和阳极等组成。
• 4.1.2 光电阴极材料
1. 单碱与多碱锑化物光阴极
锑铯(Cs3Sb)光电阴极 是最常用的，量子效率很 高。长波限约为650nm，对 红外不灵敏。
锑铯阴极峰值量子效 率较高，常达20%~30%， 比银氧铯阴极高30多倍。
两种或三种碱金属与锑 化合形成多碱锑化物光阴 极。其量子效率峰值可高 达30% 。
如图4-3所示为光电倍增管原理示意图。
• 4.2.3 光电倍增管的结构 1. PMT的入射窗结构 2. 倍增极结构 1）倍增极材料
锑化铯（CsSb）具有很好的二次电子发射功能，可以在较低
电压下产生较高的发射系数，电压高于400V，δ值可高达10倍。
氧化的银镁合金也具有二次电子发射功能，它与锑化铯相比 二次电子发射能力稍差，可以工作在较强电流和较高温度 （150℃）。
铜-铍合金也具有二次电子发射功能，不过它的发射系数δ 比银镁合金低。
第4章光源和光发射机电子通信专业优秀课件
4.1 光源
4.1.2 PN结 同质结 异质结
3. 外加正向电场的PN结
图解1: 外接电源
4.1 光源
4.1.2 PN结 同质结 异质结
图解2: 接通电源, 内电场被削弱,耗尽层变窄
外加正向电场的PN结
4.1 光源
4.1.2 PN结 同质结 异质结
图解3: 能带发生移动, 产生激活区
激活区电子-空穴复合发光是LED,LD产生辐射的 “源”!
4.1 光源
4.1.2 PN结 同质结 异质结
2. PN结 P型和N型半导体接触,在接触面附近形成PN结.
P区 N区 I1
P区 N区 I2
正向
I1>> I2
反向
外电场方向不同, 导电性大不相同.
4.1 光源
4.1.2 PN结 同质结 异质结
PN结形成图解:
图解1: P,N半导体接触前
4.1 光源
则
ni=2.62*106cm-3
4.1 光源
4.1.1 半导体的能带理论
2. N型和P型半导体
向本征半导体中掺杂V族元素(P,As,Sb), 导带中的电子浓 度增加,电子为多数载流子. 电子-负电荷-Negative-N型
向本征半导体中掺杂III族元素(B,Al,Ga,In), 价带中的空穴浓 度增加,空穴为多数载流子. 空穴-正电荷-Positive-P型
第4章光源和光发射机电子通信 专业
光纤通信系统的组成
驱动电路
光源
调制器
光发射机
光纤
中继器
光纤
光电二 极管
放大器 判决器
光接收机
组成基本单元: 光发射机、光纤光缆、中继器与光接收机。
互连与光信号处理器件: 光纤连接器、隔离器、调制器、滤波 器、光开关及路由器、分插复用器ADM等。
光电发射器件课件
感谢观看
THANKS
THE FIRST LESSON OF THE SCHOOL YEAR
阳极
通常采用导电材料，收集产生的 电子并传导至外部电路。
光电发射器件的材料
硅材料
最常见的光电发射器件材 料，具有优良的光电性能 和稳定性。
化合物半导体材料
如砷化镓、磷化铟等，具 有较高的光电转换效率和 较宽的响应光谱范围。
宽禁带半导体材料
如氮化镓、碳化硅等，具 有高击穿电场和高温稳定 性，适用于高功率和高频 率应用。
军事领域
光电发射器件在激光雷达 、导弹制导、夜视仪等领 域有广泛应用。
01
光电发射器件的结 构与特性
光电发射器件的结构光窗阴极通常采用金属材料，负责收集光 子并将其转换为电子。
透明材料，允许光线进入光敏层 。
光敏层
光电发射器件的核心部分，负责 吸收光子并产生电子-空穴对。
光电发射器件的基本结构
包括阴极、光窗、光敏层和阳极 等部分。
倍增
在光电发射器件中，由于碰撞电离等过程，光生载流子数量 不断增加，形成倍增效应。
光电流的产生与
光电流
在电极上收集到的光生载流子形成的光电流。
输出
通过电路将光电流输出，实现光电转换。
01
光电发射器件的制 备工艺
材料制备
材料选择
选择具有高光电转换效率的材料 ，如硅、锗、硫化铅等。
材料纯化
通过提纯技术将材料中的杂质和缺 陷降低到最低限度，以提高器件性 能。
光电发射器件的性 能测试与表征
光电转换效率的测试与表征
光电转换效率
描述光电发射器件将光能转换为电能的效率，通常以电流或电压输 出与输入光功率的比值表示。
第4章光源和光发射机电子通信专业
第4章光源和光发射机电子通信专业
第四章 光源和光发射机
在光纤通信中，将电信号转变为光信号是 由光发射机来完成的。
光发射机的关键器件是光源： LED(Light Emission Diode) LD (Laser Diode)
第4章光源和光发射机电子通信专业
第四章 光源和光发射机
4.1 光源 4.2 光发射机
第4章光源和光发射机电子通信专业
•4.1 光源
4.1.2 PN结 同质结 异质结
•1. 半导体导电性
•无论本征半导体,还是掺杂的N型,P型半导体,在外加 电场下均可导电,导电性介于导体和绝缘体之间.
•外电场方向不 影响导电性.
第4章光源和光发射机电子通信专业
•4.1 光源
4.1.2 PN结 同质结 异质结
•导带: •由于热或光的激发,价带中的部分电子挣脱原子束缚
成为自由电子进入价带上面空着的能带,这些电子是 能参与导电的,故称价带上面的能带为导带.
第4章光源和光发射机电子通信专业
•4.1 光源
4.1.1 半导体的能带理论
•电子 •空穴
•激发 •复合
•--导带底能级
•--价带顶能级
•--禁带宽度,能隙
第4章光源和光发射机电子通信专业
•4.1 光源
4.1.1 半导体的能带理论
•1. 能带 •在半导体中，由于邻近原子的作用，电子所处的
能态扩展成能级连续分布的能带。
第4章光源和光发射机电子通信专业
•4.1 光源
4.1.1 半导体的能带理论
•价带: •与原子价电子相应的能带.接近绝对0K时电子均束
缚于价带中,价带以上的能带是空的.
•Donor level
《光电器件》幻灯片
在可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。但对 红外线探测时，锗管较为适宜。
伏安特性 当光照时，反向电流随着光照强度的增大而 增大。 频率特性 光敏管的频率特性是指光敏管的输出电流 （或相对灵敏度）随频率变化的关系。 温度特性 光敏管的温度特性是指光敏管的暗电流及光 电流与温度的关系。
光电池
光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”。它实质上 是一个大面积的PN结，当光照射在PN结的一个面，在 结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动 势。
光电耦合器的发光和接收元件都封装在一个外壳内, 一般有金属封装和塑料封装两种。 耦合器常见的组 合形式如下图
图(a)所示的组合形式结构简单、成本较低, 且输出电流较大, 可达100 mA, 响应时间为3～4μs。 图(b)形式结构简单, 成 本较低、 响应时间快, 约为1μs, 但输出电流小, 在50～300 μA之间。图（c）形式传输效率高, 但只适用于较低频率的 装置中。 图（d）是一种高速、高传输效率的新颖器件。对 图中所示无论何种形式, 为保证其有较佳的灵敏度, 都考虑了 发光与接收波长的匹配。
基本特性
光谱特性 光电池对不同波长的光灵敏度是不同的。 光照特性 光电池在不同光照度下，其光电流和光生 电动势是不同的 。
频率特性 硅光电池有较好的频率响应 。
温度特性 光电池的温度特性是描述光电池的开路电压 和短路电流随温度变化的情况。
光电耦合器件
光电耦合器件是由发光元件（如发光二极管）和光电 接收元件合并使用, 以光作为媒介传递信号的光电器件。 光电耦合器中的发光元件通常是半导体的发光二极管, 光电接收元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管 或光可控硅等。根据其结构和用途不同，又可分为用 于实现电隔离的光电耦合器和用于检测有无物体的光 电开关。
伏安特性 当光照时，反向电流随着光照强度的增大而 增大。 频率特性 光敏管的频率特性是指光敏管的输出电流 （或相对灵敏度）随频率变化的关系。 温度特性 光敏管的温度特性是指光敏管的暗电流及光 电流与温度的关系。
光电池
光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”。它实质上 是一个大面积的PN结，当光照射在PN结的一个面，在 结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动 势。
光电耦合器的发光和接收元件都封装在一个外壳内, 一般有金属封装和塑料封装两种。 耦合器常见的组 合形式如下图
图(a)所示的组合形式结构简单、成本较低, 且输出电流较大, 可达100 mA, 响应时间为3～4μs。 图(b)形式结构简单, 成 本较低、 响应时间快, 约为1μs, 但输出电流小, 在50～300 μA之间。图（c）形式传输效率高, 但只适用于较低频率的 装置中。 图（d）是一种高速、高传输效率的新颖器件。对 图中所示无论何种形式, 为保证其有较佳的灵敏度, 都考虑了 发光与接收波长的匹配。
基本特性
光谱特性 光电池对不同波长的光灵敏度是不同的。 光照特性 光电池在不同光照度下，其光电流和光生 电动势是不同的 。
频率特性 硅光电池有较好的频率响应 。
温度特性 光电池的温度特性是描述光电池的开路电压 和短路电流随温度变化的情况。
光电耦合器件
光电耦合器件是由发光元件（如发光二极管）和光电 接收元件合并使用, 以光作为媒介传递信号的光电器件。 光电耦合器中的发光元件通常是半导体的发光二极管, 光电接收元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管 或光可控硅等。根据其结构和用途不同，又可分为用 于实现电隔离的光电耦合器和用于检测有无物体的光 电开关。
第4章光通信器件PPT课件
Eg Eg
不同的半导体材料有不同的禁带宽度，因而有不同的发射波长
镓铝砷-镓砷(GaAlAs-GaAs)----0.85 μm 铟镓砷磷-铟磷(InGaAsP-InP)----1.3~1.55 μm
It称为阈值电流
32
F-P谐振腔
谐振腔中的电磁场呈驻波分布，谐振腔中的谐振模式分 为纵模和横模
纵模
光波在两个镜面之间来回反射，入射波和反射波叠加会 形成稳定的驻波分布。
轴向形成稳定驻波的条件是两个反射镜之间的距离即腔 体的长度L是腔体中电磁波半波长的整数倍
33
F-P谐振腔
激光振荡的相L位 q条 件 q c：
➢ q：纵模序数（一般不写） ➢ m和n：横模序数
基横模状态TEM00q ，对于一个确定的纵模序数q，谐振 频率是确定的，即每一个纵模序数q对应一条谱线。
多横模条件下，对应确定的纵模序数，谱线将被展宽。
35
F-P谐振腔的损耗
腔内的光强在 数轴 衰向 减 Iz呈 ： I0e指 az
腔内能量按指W 数 t衰 W0减 et/： Q
8
半导体晶体的能带
在热平衡状态，能量为E的能级被电子占据的概率为费米分布
PE
1
1exp
EEf kT
材料的费米能级 Ef 是一个参考能级，E>Ef 的能级，被电子占据
的可能性小于1/2，而对于 E<Ef 的能级，被电子占据的可能性
大于1/2。
能量
导带
Ec Eg/2
Eg
Ef
Eg
Eg/2
Ev
价带
Ec
益大于损耗，此时才能产生激光。因此，LD是一种阈值器件
26
4.4.1 LD的结构
27
不同的半导体材料有不同的禁带宽度，因而有不同的发射波长
镓铝砷-镓砷(GaAlAs-GaAs)----0.85 μm 铟镓砷磷-铟磷(InGaAsP-InP)----1.3~1.55 μm
It称为阈值电流
32
F-P谐振腔
谐振腔中的电磁场呈驻波分布，谐振腔中的谐振模式分 为纵模和横模
纵模
光波在两个镜面之间来回反射，入射波和反射波叠加会 形成稳定的驻波分布。
轴向形成稳定驻波的条件是两个反射镜之间的距离即腔 体的长度L是腔体中电磁波半波长的整数倍
33
F-P谐振腔
激光振荡的相L位 q条 件 q c：
➢ q：纵模序数（一般不写） ➢ m和n：横模序数
基横模状态TEM00q ，对于一个确定的纵模序数q，谐振 频率是确定的，即每一个纵模序数q对应一条谱线。
多横模条件下，对应确定的纵模序数，谱线将被展宽。
35
F-P谐振腔的损耗
腔内的光强在 数轴 衰向 减 Iz呈 ： I0e指 az
腔内能量按指W 数 t衰 W0减 et/： Q
8
半导体晶体的能带
在热平衡状态，能量为E的能级被电子占据的概率为费米分布
PE
1
1exp
EEf kT
材料的费米能级 Ef 是一个参考能级，E>Ef 的能级，被电子占据
的可能性小于1/2，而对于 E<Ef 的能级，被电子占据的可能性
大于1/2。
能量
导带
Ec Eg/2
Eg
Ef
Eg
Eg/2
Ev
价带
Ec
益大于损耗，此时才能产生激光。因此，LD是一种阈值器件
26
4.4.1 LD的结构
27
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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。
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8
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。
(m m)
11
2、多碱锑化物光电阴极
多碱锑化合：两种以上碱金属与锑化合形成多碱锑化物
光阴极。其量子效率峰值可高达30%。暗电流低，光谱
响应范围宽。双碱阴极锑钾钠（Na2KSb），锑铯钾 （K2CsSb） ；三碱阴极锑钾钠铯（NaKSb Cs）
锑钾钠(NaKSb)阴极的光谱响应与锑铯阴极相近，光照灵敏度可达 50μA/lm。最大特点是耐高温，工作温度可达175℃，而一般含铯阴 极的工作温度不能超过60℃，因此可用于石油勘探等特殊场合。它 的热电子发射很小，室温下约10-17～10-18A/cm2，光电疲劳效应也小， 因此也常用于光子计数技术中。
即单色（单一波长）辐射时，光电阴极输出电流Ik与单色
辐射通量φe,λ之比。
2)
积分灵敏度： Se
Ik
0
Φe,λ
d
mA/W或A/W。
即光电阴极输出电流Ik与某波长范围内入射辐射通量φe
之比。
3)
色灵敏度：
SV
Ik
780
380 Φv,λd
mA/lm
即光电阴极输出电流Ik与可见光波长范围内入射辐射通 量φe之比。白光灵敏度
η=0.1%
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。长期受光照后，
会产生严重的疲劳现象
0.2 0.4
0.6 0.8 1.0 (mm)
1.2
2021/3/18
光谱响应曲线
13
4、铋银氧铯Bi-Ag-O-Cs光电阴极
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 以获得在整个可见光谱内有较均匀响应和高灵敏
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。
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9
4. 暗电流
光电发射阴极中少数处于较高能级的电子 在室温下获得了热能产生热电子发射，形成暗 电流。光电发射阴极的暗电流与材料的光电发 射阈值有关。一般暗电流极低，其强度相当于 10-16~10-18Acm-2的电流密度。
2021/3/18
10
4.1.2 光电阴极材料
四类光电阴极：单碱与多碱锑化物光电阴极、银氧铯与铋 银氧铯光电阴极、紫外光电阴极、负电子亲和势光电阴极
1. 单碱锑化物光电阴极
单碱锑化物：金属锑（Sb）与碱金属锂（Li）、钠
（Na）、钾（K）、铷(Rb)、铯（Cs）中的一种化合，
能形成具有稳定光电发射的发射体。 100
4.1.1 光电发射阴极的主要参数
光电发射阴极的主要特性参数有： 1.灵敏度——输出电流对光照的敏感程度 2.量子效率——照射光子数与发射电子数关系 3.光谱响应——灵敏度等与入射辐射波长的关系 4.暗电流——光照时由热电子发射产生的电流
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5
1. 灵敏度
1) 光谱灵敏度：
µA/W或A/W
特点是对近红外辐射灵敏。制作过程是先在真空玻璃壳壁
上涂上一层银膜再通入氧气电阻太高，不能用放电方法而用
射频加热法形成氧化银膜，再引入铯蒸汽进行敏化处理，
形成Ag-O-Cs薄膜。
10
η=1%
量子效率不高，两个峰值处
S()(mA/W)
约0.5%～1%左右。银氧铯使用 温度可达100℃，但暗电流较大， 1
锑钾钠铯(NaKSbCs)阴极是三碱阴极中最有实用价值的一种，光照 灵敏度为150μA/lm。它从紫外到近红外的光谱区都具有较高的量 子效率。热电子发射约10-14～10-16A/cm2，而且工作稳定性好，疲 劳效应很微小。
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12
3、银氧铯(Ag-O-Cs)光电阴极
银氧铯(Ag-O-Cs)阴极是最早使用的实用光阴极。它的
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2
光电管
光电倍增管
像增强管
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3
具有外光电效应的材料 －－光电子发射体
光电子发射器中的光电子发射体 －－又称为光电阴极
光电阴极是完成光电转换的重要部件，其性能 好坏直接影响整个光电发射器件的性能！！！
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4
4.1光电发射阴极
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。常将半导体光电发射材料， 涂于玻壳内壁，构成光电发射阴极，而阳极是金属环或金 属网，在其对面。
最常用的是锑化铯(Cs3Sb) ，其阴 极灵敏度最高。长波限约为650nm，对 红外不灵敏，广泛用于紫外和可见光区 10
SbKCs
CsSb NaKSbCs
S()(mA/ W)
的光电探测器中。锑化铯阴极的峰值量 子效率较高，一般高达20%～30%，比 银氧铯光电阴极高30多倍。
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1
0.3 0.5 0.7 0.9
Se,λ hc
q
1240Se,λ
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3. 光谱响应
光电发射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。
光阴极光谱响应的截止波长：C (μm)
1.24 E (eV)
式中Eφ是光阴极材料的功函数。该式说明了理想情况 下光阴极材料能否产生光电发射的条件实际上，光电子从
第4章 光电发射器件
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1
第4章 光电发射器件 Photoemissive Device
光电发射器件是基于外光电效应的器件
光电管
真空光电器件 光电倍增管
像增强管 特点：灵敏度高、稳定性好、响应速度快和噪声小
缺点：结构复杂，工作电压高，体积大
应用:微弱辐射的探测和快速弱辐射脉冲信息捕捉等
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2.量子效率
定义：在单色辐射作用于光电阴极时，光电阴极发射
单位时间发射出去的光电子数Ne,λ,与入射的光子数之比为光 电阴极的量子效率ηλ（或称量子产额）。
即
N e, λ N p, λ
量子效率和光谱灵敏度是一个物理量的两种表示方法。 它们之间的关系为
λ
Ik /q
Φe,λ / h
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。
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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。
(m m)
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2、多碱锑化物光电阴极
多碱锑化合：两种以上碱金属与锑化合形成多碱锑化物
光阴极。其量子效率峰值可高达30%。暗电流低，光谱
响应范围宽。双碱阴极锑钾钠（Na2KSb），锑铯钾 （K2CsSb） ；三碱阴极锑钾钠铯（NaKSb Cs）
锑钾钠(NaKSb)阴极的光谱响应与锑铯阴极相近，光照灵敏度可达 50μA/lm。最大特点是耐高温，工作温度可达175℃，而一般含铯阴 极的工作温度不能超过60℃，因此可用于石油勘探等特殊场合。它 的热电子发射很小，室温下约10-17～10-18A/cm2，光电疲劳效应也小， 因此也常用于光子计数技术中。
即单色（单一波长）辐射时，光电阴极输出电流Ik与单色
辐射通量φe,λ之比。
2)
积分灵敏度： Se
Ik
0
Φe,λ
d
mA/W或A/W。
即光电阴极输出电流Ik与某波长范围内入射辐射通量φe
之比。
3)
色灵敏度：
SV
Ik
780
380 Φv,λd
mA/lm
即光电阴极输出电流Ik与可见光波长范围内入射辐射通 量φe之比。白光灵敏度
η=0.1%
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。长期受光照后，
会产生严重的疲劳现象
0.2 0.4
0.6 0.8 1.0 (mm)
1.2
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光谱响应曲线
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4、铋银氧铯Bi-Ag-O-Cs光电阴极
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 以获得在整个可见光谱内有较均匀响应和高灵敏
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。
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4. 暗电流
光电发射阴极中少数处于较高能级的电子 在室温下获得了热能产生热电子发射，形成暗 电流。光电发射阴极的暗电流与材料的光电发 射阈值有关。一般暗电流极低，其强度相当于 10-16~10-18Acm-2的电流密度。
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4.1.2 光电阴极材料
四类光电阴极：单碱与多碱锑化物光电阴极、银氧铯与铋 银氧铯光电阴极、紫外光电阴极、负电子亲和势光电阴极
1. 单碱锑化物光电阴极
单碱锑化物：金属锑（Sb）与碱金属锂（Li）、钠
（Na）、钾（K）、铷(Rb)、铯（Cs）中的一种化合，
能形成具有稳定光电发射的发射体。 100
4.1.1 光电发射阴极的主要参数
光电发射阴极的主要特性参数有： 1.灵敏度——输出电流对光照的敏感程度 2.量子效率——照射光子数与发射电子数关系 3.光谱响应——灵敏度等与入射辐射波长的关系 4.暗电流——光照时由热电子发射产生的电流
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1. 灵敏度
1) 光谱灵敏度：
µA/W或A/W
特点是对近红外辐射灵敏。制作过程是先在真空玻璃壳壁
上涂上一层银膜再通入氧气电阻太高，不能用放电方法而用
射频加热法形成氧化银膜，再引入铯蒸汽进行敏化处理，
形成Ag-O-Cs薄膜。
10
η=1%
量子效率不高，两个峰值处
S()(mA/W)
约0.5%～1%左右。银氧铯使用 温度可达100℃，但暗电流较大， 1
锑钾钠铯(NaKSbCs)阴极是三碱阴极中最有实用价值的一种，光照 灵敏度为150μA/lm。它从紫外到近红外的光谱区都具有较高的量 子效率。热电子发射约10-14～10-16A/cm2，而且工作稳定性好，疲 劳效应很微小。
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3、银氧铯(Ag-O-Cs)光电阴极
银氧铯(Ag-O-Cs)阴极是最早使用的实用光阴极。它的
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光电管
光电倍增管
像增强管
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具有外光电效应的材料 －－光电子发射体
光电子发射器中的光电子发射体 －－又称为光电阴极
光电阴极是完成光电转换的重要部件，其性能 好坏直接影响整个光电发射器件的性能！！！
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4.1光电发射阴极
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。常将半导体光电发射材料， 涂于玻壳内壁，构成光电发射阴极，而阳极是金属环或金 属网，在其对面。
最常用的是锑化铯(Cs3Sb) ，其阴 极灵敏度最高。长波限约为650nm，对 红外不灵敏，广泛用于紫外和可见光区 10
SbKCs
CsSb NaKSbCs
S()(mA/ W)
的光电探测器中。锑化铯阴极的峰值量 子效率较高，一般高达20%～30%，比 银氧铯光电阴极高30多倍。
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0.3 0.5 0.7 0.9
Se,λ hc
q
1240Se,λ
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3. 光谱响应
光电发射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。
光阴极光谱响应的截止波长：C (μm)
1.24 E (eV)
式中Eφ是光阴极材料的功函数。该式说明了理想情况 下光阴极材料能否产生光电发射的条件实际上，光电子从
第4章 光电发射器件
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第4章 光电发射器件 Photoemissive Device
光电发射器件是基于外光电效应的器件
光电管
真空光电器件 光电倍增管
像增强管 特点：灵敏度高、稳定性好、响应速度快和噪声小
缺点：结构复杂，工作电压高，体积大
应用:微弱辐射的探测和快速弱辐射脉冲信息捕捉等
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2.量子效率
定义：在单色辐射作用于光电阴极时，光电阴极发射
单位时间发射出去的光电子数Ne,λ,与入射的光子数之比为光 电阴极的量子效率ηλ（或称量子产额）。
即
N e, λ N p, λ
量子效率和光谱灵敏度是一个物理量的两种表示方法。 它们之间的关系为
λ
Ik /q
Φe,λ / h