第四章--光电子技术.

► （3）克服表面势垒逸出：
到达表面的光电子能否逸出取决于它的能量是 否大于表面势垒。
► 半导体的表面势垒情况
●本征半导体：
EA
Ec
EF Ev
Wφ Eg
Ev：价带能级 Ec：导带能级 EA：表面势垒
本征半导体的逸出功为：
W hv0 Eg E A
► 杂质半导体：其光电子发射中心在杂质能级上
（4.1-1）
Δ E：电子向表面运动过程中由于散射损失的能量 W E A EF ：金属材料的逸出功。 在散射损耗ΔE 为 ： 0，光电子发射具有最大的初始速度
1 2 m max hv W h(v v0 ) 2
（4.1-2）
hv0 W
v0 为截止频率
（2）T>0 K的情况 能量分布如图曲线2 ▲部分自由电子的能量比费米能级EF高出δE，由于这些 电子的存在，在相同入射光子能量条件下，会出现初始 速度大于vmax的光电子 1 2 ▲在最大动能与入射光频率曲 线上看，会出现在v＜vo时仍然 存在光电效应，如下图所示 爱因斯坦公式：在T=0时才严 格成立； 金属材料的缺点： （1）逸出功高 （2）表面反射强
(2) 单碱光电阴极--锑铯（Sb-Cs）光阴极 本征型半导体材料，1936年开始使用。 制作：面板上蒸纯Sb膜，引入Cs进行热处理; 主要性能：光谱响应范围 可见+紫外; 长波限波长：700nm附近; 峰值波长：300-500nm，依赖于窗材料; 量子效率：最高可达30%; 工作方式：反射或透射; 灵敏度：积分灵敏度可达70-150uA/lm; 该材料目前被广泛用作光电阴极材料，同时也可用作光 电倍增管的倍增极，工作电压为400V，倍增系数 可达10。
2 m max
v0
v
（3）对辐射吸收率低 （4）体内自由电子多，碰撞使得电子逸出困难。
（B）半导体材料的光电子发射
目前光电阴极多采用半导体材料，其优点是：
（1）对辐射吸收系数大 （2）导电性能适中，电子向表面运动时损失能量小 （3）价带中电子密度很大，容易受激发跃迁 （4）逸出功较小 半导体光电子发射过程 (1) 对光子吸收： 价带上的电子、杂质能级上的电子、自由电子都可以吸收入射 光子而跃迁到导带，当其能量高于EA时就能逸出表面。 本征发射：光电子来源于价带的发射，相应的材料叫本征发射。 优点：吸收系数很高(约105/cm)，量子效率很高可达20%-30%。 典型材料：“锑铯Sb-Cs”、“锑钾钠铯Sb-K-Na-Cs”等阴极材料。
E E
δE
2 1 EF EA
dN/dE
x
EA：表面势垒的高度-金属对电子的亲和势，自由电子的能量 大于EA时才能逸出； EF：费米能级
（1）T=0K的情况 能量最大的电子处在费米能级上，即E= EF 吸收光子能量hv，从表面逸出的光电子具有的动能：
1 2 mv EF hv E E A 2
杂质发射：光电子来源于杂质能级的发射，相应的材料叫杂质
发射体， 缺点：杂质浓度一般不超过1%，杂质发射的量子效率较低 为1%左右 典型材料：“银氧铯（Ag-O-Cs）”
► （2）光电子向表面运动：
半导体中的自由电子浓度很小，电子散射所造成 的能量损失可以忽略不计。电子能量损失的主要 是：晶格散射和与价带电子的碰撞，而晶格散射 造成的能量损失非常的小。 在以晶格散射为主的半导体中，对于某些吸收系 数大于106/cm的半导体，它的逸出深度比较大， 所产生的光电子几乎全部都以足够的能量逸出。
Ec
EA
Δ
Ea
Δ：为从杂质能级上 释放一个电子到导带所需 要的最小能量 EA：表面势垒 Ea：杂质能级
光电子逸出功为：
W hv0 E A
►
（C）典型实用光电阴极材料
（1）银氧铯（Ag-O-Cs，[Ag]-Cs2OAgCs-Cs）光阴极 材料类型：杂质型半导体光电阴极材料， 1929开始使用，1934年研制的第一支红外变像管就采用这种阴 极，促进了当时军事技术的发展。
阳极平 均电流 (mA) 0.1
28
GDB443
KCsSb
1500
H2012
GDB235 GDB240
GDB413 GDB415 GDB424 GDB423 GDB512
T35B
制作：沉积的Ag膜用辉光放电的方法氧化后再引入 Cs敏化制成 光谱响应：光谱响应范围 300-1200nm,响应曲线 有两个峰值：分别为350nm和800nm 工作方式：反射或透射 灵敏度：较低，光照灵敏度30uA/lm,辐照灵敏度3mA/W. 缺点：长期光照射，会产生严重的疲劳现象，疲劳后 光谱相应曲线也会发生变化，应用受到限制。 改进：把Bi-Cs-O与Ag-O-Cs相结合，可获得在可见光 谱范围内具有较均匀和高灵敏度的Bi-Ag-O-Cs 光电阴极。目前该种材料很少使用；
（3）多碱光阴极 当锑与一种以上碱金属结合可获得更好的光阴极材料 双碱：（Sb-K-Cs）(Sb-Rb-Cs)（ Sb-K-Na ） 三碱：（Sb-K-Na-Cs），夜视技术背景下发展起来 四碱：（Sb-K-Na-Rb-Cs） 主要性能： 量子效率：在可见波段又很高的量子效率25%左右; 工作方式：透射 光谱响应：可到红外。 （4）氧化的银-镁合金（AgMgO[Cs]）
用于倍增极材料，在400V时，倍增系数接近6。
光谱响应特性
外部 直径 (mm)
来自百度文库
极限额定值
型号
光谱 响应 代号 T35B
光谱响 应范围 (nm)
300-670
峰值 波长 (nm) 400
阴极 材料
光 窗 材 料 B
倍增 结构 级数
BG/11
配套管 阳极 电压 座 (V)
GZS14-15
末极 电压 (V) 250
第四章：光电子发射探测器
主要内容：介绍利用光电子发射效应制成的光电器件，重点介 绍光电倍增管； 应用范围：主要用于可见和紫外光辐射的探测，长波长一般 限于1.06um以内的光辐射探测
4.1 光电子发射
光电子发射效应：
光辐射 器件光敏体 电子获得足够能量逸出 光敏材料
(A) 金属材料的光电子发射 金属中自由电子能量分布：费米分布 曲线1：T=0K 曲线2：T>0 右图为金属表面的势垒 的情况