第四章--光电子技术

►
光电倍增管的放大倍数：
（1）计算阴极电流 设Φ为入射到光阴极的光通量，IK为阴极电流 （光阴极发射到D1上的电流），那么有：
I K SK
（4.1.3）
SK为阴极灵敏度，定义为阴极电流IK与标准A光源
(色温为2856K的黑体辐射光)入射于光电阴极的光 通量之比，单位为uA/lm。
► (2)
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
计算阳极电流 设阳极电流为Ia，Sa为阳极灵敏度，定义为阳 极输出的光电流Ia与标准A光源入射于光电阴极的 光通量之比，单位为A/lm。那么阳极电流为：
I a Sa
► (3)
（4.1.4）
计算光电倍增管的电流放大倍数Gm
Ia Sa Gm I K SK
(4.1.5)
通常在实际工程计算中，电流放大倍数可以近似为：
►
►
B、光电倍增管工作原理：二次电子发射
－900 －700 －300 －100 － 500 －1100 D2
光 辐 射
D4
D6
D8
D10
VO
K
D1
D3
D5
D7
D9
a
RL
－1200 －1000 －800 －600 －400 －200
K：光电阴极; D：为聚焦极; D1-D10：为倍增极（打拿极）; a：收集电子的阳极;
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。
Gm 10 10
5
8
► （4）
估算倍增系数δ
δ与倍增极材料有关，也与倍增极的极间电压VD （伏特）有关，对于Sb-Cs阴极，δ可以近似为
0.2VD
0.7
(4.1.7)
对于银-镁倍增极，倍增系数可估算为
0.025 VD
（4.1.8）
作业3
1、设光电倍增管有10个倍增极，每个倍增极 的二次电子发射系数均为4，阴极灵敏度为 20uA/lm，阳极电流不超过100uA时，试估算 入射于阴极的光通量上限； 2、设光电倍增管的阴极灵敏度为20uA/lm，倍 增极倍增系数为3，当入射光通量为7.5x105lm时，阳极输出电流为150uA。计算带宽为 1Hz时的输出噪声电流和等效噪声功率。
（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
► （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
►
C、光电倍增管的几种结构
（1）电子光学输入系统（光电阴极到第一个倍增极 之间的系统）
1 1 2 1 2 3 5 5 3 7 4 6
2 4
4
3
（a）1：光电阴极2： （b）与（a）相 金属导电层3：带孔 膜片4：第一倍增极。 近，增加了斜劈 收集效率85%以 式电极4 上 ，渡越时间的散 差 为10ns
（c）性能最好，光阴 极为球面形，附加 3个圆筒形电极 (3,4,5)，渡越时 间的散差接近零。
►
（2）倍增极结构
①聚焦型：直列式结构和圆形鼠笼式结构
D2
D4
D6
D8
D10
VO
直 列 式
光 辐 射
D1
聚焦电极
D3
D5
D7
D9
a
光电阴极
特点：倍增极的形状类似瓦片，它的曲度能提供一 个聚焦电场，使前一级电子流大致射到下级 倍增级中央，它的响应时间快，脉冲信号的 上升时间小到1ns
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；
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。
250
250 300 250 250 250 250 300
0.05
0.05 0.1 0.1 0.1 0.1 0.15 0.2
CsSb
AgORb Cs KCsSb NaKSb NaKSb NaKCs Sb KCsSb
30
300-670 300-670 300-670 310-850 170-670
40
51
GDB526 GDB546
T35B
T50B
300-670
310-850
400
400
KCsSb NaKCs Sb
B
B
VB/11
VB/11
GZS15-2
GZS19-1
1800
2200
300
300
0.25
0.2
(NaKCsSb)
(KCsSb)
4.2 光电倍增管(PMT)
A、光电倍增管特点： （1）较高的内增益，二次电子发射增益因子可 达107。 （2）对单个光子能量灵敏，应用于光辐射较 弱，响应率要求较高的场合，特别是在高 精度、远距离的激光测距中广泛使用。 （3）光谱范围为可见+近红外（<1.06um）.
光辐射
Vo
半透明光电阴极
阳极
特点：每个倍增极采用若干小板，小板与光电倍增 管轴线成450角，与前一倍增极的小板成900角。 为从相邻的前一倍增极引出低能量的初级电子，每 个倍增极前接有金属珊网，形成等电位体，屏蔽前 一级的影响。此结构适用于大直径器件，倍增极可 以做得很大，易于收集光电阴极所发射的电子。
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
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)
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
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。
(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。
（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]）
盒-网式
D1
光辐射
D3
D5
D7
D9
D2
D 4 D6
D8 D10
Vo
光电阴极
结构特点：倍增极由1/4圆弧组成，前面接有金属 网，屏蔽上一级的影响。这种结构的倍 增管体积可以做得很小，小型倍增管大 多采用这种结构。
► 非聚焦型
优点：（1）倍增极的效率较高，在低的极间电压下 能给出高的倍增系数。（2）每对倍增极的 工作状态基本上与邻近的倍增极电压无关。 缺点：（1）非聚焦型结构由于电子散差效应，使得 在同一时间从光电阴极中心和边缘处发射并 经倍增极倍增的一束电子不能在同一时刻到 达阳极，导致电子渡越时间存在的散差，这 种散差使脉冲信号的前沿变斜。（2）非聚焦 型光电倍增管的响应时间比聚焦型差。
KCsSb
B
L L B B B B Q
LF/8
LF/8 LF/11 BG/11 BG/11 BG/11 BG/11 VB/13
GZS13-2
GZS10-1 GZS14-1 GZS13-2 GZS13-2 GZS15-1 GZS15-1 GZS15-2
1600
1600 2000 1500 2500 2100 1800 2000
阳极平 均电流 (mA) 0.1
28
Baidu Nhomakorabea
GDB443
KCsSb
1500
H2012
GDB235 GDB240
GDB413 GDB415 GDB424 GDB423 GDB512
T35B
T30L T11L T35B T40B T40B T50B T35Q
300-670
310-650
300-1150
400
450 770 400 420 420 450 400
D3 D1
鼠 笼 式
D5
D4 D 2
入射光辐射
D7 D8 K
屏蔽
特点：小巧 紧凑，散差 很小脉冲信 号的上升时 间可达ns级
► 聚焦形光电倍增管的缺点：每对倍增极的工作状态
与邻近倍增极的电压有关，所以对供电电源的稳定 性要求很高。
►
②非聚焦型
珊网
百 叶 窗 式
D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10
Gm f ( g ) n
（4.1.6）
其中 f：第一倍增极对阴极发射电子的收集效率，通常取0.9 g：倍增极间的传递效率：聚焦型结构g=1 非聚焦型结构g<1 。 n：为倍增极个数 δ ：倍增极的倍增系数
◆如果
f=g=1，n为9-14个，当极间电压为80-150V时
，倍增极的倍增系数δ为3-6，那么电流放大倍数为