光电阴极与光电倍增管PPT课件
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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：
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 削弱势垒 通过隧道效应进入真空
体内部分电子
V V0
量子隧穿示意图
I
II III
oa x
P e x p ( 2 k 1 a ) e x p ( 2 a2 m (V 0 E ))
阴极的应用举例
CRT （Cathode Ray Tube） 和 FED（ Field Emission Display ）
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;
6.PSD位置传感器
xA
O
7雪崩光电二极管；
I1
I0
L xA 2L
I2
I0
L
x 2L
A
Байду номын сангаас
xA
I2 I2
I1 I1
L
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
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
阴极发射电子（第二种方式）
Se
Ik e
Ik ：光电流
Φe ：光强
Se ：该阴极对入射光线的灵敏度
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
（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 自由载流子发射：自由载流子导带电子 忽略不计 半导体光电子主要发射分三步： 对光子的吸收 电子向表面运动 克服表面势垒而逸出
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？
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
第一种方式 第二种方式
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
金属
半导体
E Φ=E0-EF
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
阴极发射电子（第一种方式）
（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： Ib＝Ip 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;
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：
半导体：
(1)光照灵敏度 色温2856K的钨丝灯 M(T)T4
在一定的白光照射下Q，B光:中电国阴青极色的或光兰电色流与入射的
白光光通量之比,也称白光灵敏玻度璃或(积德分国灵:B敏G度) 。
(2) 色光灵敏度
HB:中国红色玻璃
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。
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。
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。
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
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
最低 能量），单位eV，与材料有关的常数， 也称功函数。
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。
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：
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 削弱势垒 通过隧道效应进入真空
体内部分电子
V V0
量子隧穿示意图
I
II III
oa x
P e x p ( 2 k 1 a ) e x p ( 2 a2 m (V 0 E ))
阴极的应用举例
CRT （Cathode Ray Tube） 和 FED（ Field Emission Display ）
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;
6.PSD位置传感器
xA
O
7雪崩光电二极管；
I1
I0
L xA 2L
I2
I0
L
x 2L
A
Байду номын сангаас
xA
I2 I2
I1 I1
L
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
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
阴极发射电子（第二种方式）
Se
Ik e
Ik ：光电流
Φe ：光强
Se ：该阴极对入射光线的灵敏度
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
（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 自由载流子发射：自由载流子导带电子 忽略不计 半导体光电子主要发射分三步： 对光子的吸收 电子向表面运动 克服表面势垒而逸出
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？
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
第一种方式 第二种方式
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
金属
半导体
E Φ=E0-EF
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
阴极发射电子（第一种方式）
（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： Ib＝Ip 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;
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：
半导体：
(1)光照灵敏度 色温2856K的钨丝灯 M(T)T4
在一定的白光照射下Q，B光:中电国阴青极色的或光兰电色流与入射的
白光光通量之比,也称白光灵敏玻度璃或(积德分国灵:B敏G度) 。
(2) 色光灵敏度
HB:中国红色玻璃
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。
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。
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。
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
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
最低 能量），单位eV，与材料有关的常数， 也称功函数。
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。