第2节 外光电效应探测器

（3）光电管光谱特性
由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有选择 性。保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与光波长之间的关 系叫光电管的光谱特性。一般对于光电阴极材料不同的光电管 ，它们有不同的红限频率υ0，因此它们可用于不同的光谱范围 。除此之外，即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率 υ0，并且强度相同，随着入射光频率的不同，阴极发射的光电 子的数量还会不同，即同一光电管对于不同频率的光的灵敏度 不同，这就是光电管的光谱特性。所以，对各种不同波长区域 的光，应选用不同材料的光电阴极。
光电倍增管在无辐射作用下的阳极输出电流称为暗电 流，记为ID。光电倍增管的暗电流值在正常应用的情况下 是很小的，一般为~nA，是所有光电探测器件中暗电流最 低的器件。
影响暗电流的主要因素：热发射、残余气体放电、欧姆 漏电、场致发射、玻璃壳放电和玻璃荧光
本底电流：光电倍增管与闪烁体放在一起时，由于宇宙 射线引起闪烁体发光而照射在光电倍增管上出现的脉冲 式的电流
真空光电管构造示意图
第2章 光接收器件
第2节 外光电效应探测器
光电阴极即光电发射材料，涂于玻壳内壁，受光 照时，可向外发射光电子。阳极置于光电阴极的 对面，加正的高电压，用来收集从阴极发射出来 的电子。
特点：光电阴极面积大，灵敏度较高，一般积分灵 敏度可达20～200μA/lm；暗电流小，最低可达1014A；光电发射弛豫过程极短。
10－3
阳 10－5 极 10－7
与直线最大 偏离是3%
电 流
10－9 10－10
/A
10－13
10－14 10－10 10－6
在 45mA 处饱和
10－2
光电 倍增 管的 光照 特性
光通量/1m
第2章 光接收器件
第2节 外光电效应探测器
4.变像管与像增强器
• 变像管是指把不可见光转换为可见光的器 件。通常是指红外变像管。其核心部分是 对红外光敏感的光电阴极。当红外光照射 到阴极时，产生光电发射，经过电子光学 系统，实现光谱变换。
• 像增强器是指将微弱像变为明亮像的器件
第2章 光接收器件
第2节 外光电效应探测器
第2章 光接收器件
第2节 外光电效应探测器
基本原理
光电阴极将光学图像转换为电子图像，电子 光学成像系统（电极系统）将电子图像传递到 荧光屏，在传递过程中增强电子能量并完成电 子图像几何尺寸的缩放，荧光屏完成电光转换， 即将电子图像转换为可见光图像，图像的亮度 已被增强到足以引起人眼视觉，在夜间或低照 度下可以直接进行观察。
第2章 光接收器件
第2节 外光电效应探测器
1.外光电效应原理
• 在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的 现象称为外光电效应。向外发射的电子叫做光电子。
• 一个电子接受一个光子的能量，一个电子从物体表面逸出 时，必须使其能量大于该物体的表面逸出功，超过部分的 能量表现为逸出电子的动能。
h
缺点：真空光电管一般体积都比较大、工作电压高 达百伏到数百伏、玻壳容易破碎等
第2章 光接收器件
第2节 外光电效应探测器
充气型光电管的工作原理
光照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 。
第2章 光接收器件
M N
第2章 光接收器件
第2节 外光电效应探测器
当考虑到光电阴极发射出的电子被第1倍增极所收集， 其收集系数为η1，且每个倍增极都存在收集系数ηi，因 此，增益G应修正为
G 1(i )N
对于非聚焦型光电倍增管, η1近似为90%。 ηi要高于 η1 ，但小于1；
对于聚焦型的，尤其是在阴极与第1倍增极之间具有 电子限束电极F的倍增管，其η1≈ηi ≈ 1。
1 2
m02
A0
h：普朗克常数，6.626×10-34J·s
•外光电效应多发生于金属和金属氧化物，从光开始照射 至金属释放电子所需时间不超过10-9s。
第2章 光接收器件
第2节 外光电效应探测器
2 光电管
真空光电管工作原理
(phototube)
结构与工作原理
真空光电管由玻壳、光电 阴极和阳极三部分组成 。
电位下降，表面电位降低Ed。光 电子在表面受到耗尽区电场的作
用。
EAe
EC1
-
EA2 Ed E0
Ef Ev1
+ -+
+
第2章 光接收器件
第2节 外光电效应探测器
Ev2
从Si的导带底部漂移到表面Cs2O的导带底部。此时， 电子只需克服EA2就能逸出表面。对于P型Si的光电 子需克服的有效亲和势为
EAe=EA2-Ed
第2章 光接收器件
第2节 外光电效应探测器
EA
Ec11 Eg1
Ev1
Ec2 Ev2
EA E0 2 Eg2
Cs2O
Si
Si-CsO2光电阴极：在p型Si 基上涂一层金属Cs，经过 特殊处理而形成n型Cs2O。 在交界区形成耗尽层，耗 尽区的电位下降Ed,造成能 带弯曲。
对于P型Si的发射阈值是
Ed1=EA1+Eg1,电子进入导带后需要 克服亲和势EA1才能逸出表面。由 于表面存在n型薄层，使耗尽区的
第2节 外光电效应探测器
第2章 光接收器件
第2节 外光电效应探测器
第2章 光接收器件
第2节 外光电效应探测器
工作原理：
1.光子透过入射窗口入射在光电阴极上;
2.光电阴极上的电子受光子激发，离开表面发射到真空中;
3.光电子通过电场加速和电子光学系统聚焦入射到第一倍 增级上，倍增级将发射出比入射电子数目更多的二次电子。 入射电子经N级倍增极倍增后，光电子就放大N次； 4.经过倍增后的二次电子由阳极收集，形成阳极光电流。
由于能级弯曲，使Ed>EA2,这样就形成了负电子亲 和势。 负电子亲和势阴极与正电子亲和势阴极的区别在于：
1)参与发射的电子是导带的未热化电子，或称为 “冷”电子； ２)NEA阴极中导带的电子逸入真空不需作功。
第2节 外光电效应探测器
• 1888 Hallwachs发现 在赫兹实验中 光照射 一起电子发射
• 1905 爱因斯坦
• 1909 Richtmeyer 真空中投射到Na光电 阴极所发射电子总数 与入射果子数成正比
• 之后不久 Zwakyn 制 造出光电倍增管
• 非放大Fra Baidu bibliotek 真空光电管、 充气光电管
• 放大型 光电倍增管、 变像管、 像增强器、 摄像管
0
50
100 150 200
阳极与末级倍增极间的电压/V
应用光电传感器参数 的主要依据。
第2章图光4.接2收-2器件光电管的伏安第2特节 性外光电效应探测器
（2） 光电管的光照特性
通常指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定
时，光通量与光电流之间的关系为光电管的光照特性。
其特性曲线如图所示。曲线1表示氧铯阴极光电
第2节 外光电效应探测器
真空、充气光电管性能比较
项目 优点 缺点
第2章 光接收器件
真空光电管
充气光电管
1.光电阴极面积大，暗电 流小
2.驰豫过程小
光照灵敏度高
1.灵敏度低
1.稳定性差
2.体积大
2.线性度差
3.玻璃体，易碎
3.噪声大
4.要和放大器配合，使用 受限制
第2节 外光电效应探测器
4.响应时间长
第2章 光接收器件
第2节 外光电效应探测器
第2章 光接收器件
第2节 外光电效应探测器
光电倍增管的主要特性参数
（1） 电流放大倍数（倍增系数）
电流放大倍数表征了光电倍增管的内增益特性，
它不但与倍增极材料的二次电子发射系数δ有关，而且
与光电倍增管的级数N有关。理想光电倍增管的增益M与
电子发射系数δ的关系为
第2章 光接收器件
第2节 外光电效应探测器
国产GD-4型的光电管，阴极是用锑铯材料制成的。其红限 λ0=7000Å，它对可见光范围的入射光灵敏度比较高，转换效率： 25%~30%。它适用于白光光源，因而被广泛地应用于各种光电式 自动检测仪表中。对红外光源，常用银氧铯阴极，构成红外传感 器。对紫外光源，常用锑铯阴极和镁镉阴极。另外，锑钾钠铯阴 极的光谱范围较宽，为3000~8500Å，灵敏度也较高，与人的视觉 光谱特性很接近，是一种新型的光电阴极；但也有些光电管的光 谱特性和人的视觉光谱特性有很大差异，因而在测量和控制技术 中，这些光电管可以担负人眼所不能胜任的工作，如坦克和装甲 车的夜视镜等。
IA/ μA
管的光照特性，光电 流I与光通量成线性关
系。曲线2为锑铯阴极
100
的光电管光照特性，
75
2
50
25
1
它成非线性关系。光 照特性曲线的斜率 （光电流与入射光光 通量之间比）称为光
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Φ/1m
电管的灵敏度。
第2章 光光接收电器管件 的光照特性第2节 外光电效应探测器
第2节 外光电效应探测器
（4）、负电子亲和势光电阴极
常规的光电阴极属于正电子亲和势(PEA)类型， 即表面的真空能级位于导带之上。如果给半导体 的表面作特殊处理，使表面区域能带弯曲，真空 能级降低到导带之下，从而使有效的电子亲和势 为负值，经过特殊处理的阴极称作负电子亲和势 光电阴极(NEA)。
1963年Simon根据半导体物理的研究提出了负电子亲和势 的理论，1965年J.J.Scheer和J.V.Laar首先研制出了GaAsCs负 电子亲和势阴极。
第2章 光接收器件
第2节 外光电效应探测器
第2章 光接收器件
第2节 外光电效应探测器
5. 光电阴极材料 （1）、银氧铯(Ag-O-Cs)光电阴极
350nm,800nm
第2章 光接收器件
第2节 外光电效应探测器
（2）、单碱锑化物光电阴极 金属锑与碱金属锂、钠、钾、铷、铯中的一种
化合，能形成具有稳定光电发射的发射体。最常 用的是锑化铯，其阴极灵敏度最高，广泛用于紫 外和可见光区的光电探测器中。
第2章 光接收器件
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（4）光电倍增管的光谱特性
光谱特性反应了光电倍增管的阳极输出电流与照射在光电阴
极上的光通量之间的函数关系。对于较好的管子，在很宽的光 通量范围之内，这个关系是线性的，即入射光通量小于10-4lm时， 有较好的线性关系。光通量大，开始出现非线性，如图所示。
10－1
第2章 光接收器件
第2节 外光电效应探测器
二代管采用了不同于一代管的增益机构MCP，MCP由上百万个紧密排列的空芯通道管 组成。通道芯径间距约12，长径比为40—60。 通道的内壁具有较高的二次电子发射特性， 入射到通道的初始电子在电场作用下使激发 出来的电子依次倍增，从而在输出端获得很 高的增益。MCP的两个端面镀镍，构成输入和 输出电极。
主要性能
光电器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光谱 特性、响应时间、峰值探测率和温度特性来描述。
（1） 光电管的伏安特性
IA/ μA
12 10 8 6 4 2
120μlm 100μlm 80μlm 60μlm 40μlm 20μlm
在一定的光照射 下，对光电器件的阴 极所加电压与阳极所 产生的电流之间的关 系称为光电管的伏安 特性。光电管的伏安 特性如图所示。它是
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第2节 外光电效应探测器
（2） 光电阴极灵敏度与光电倍增管总灵敏度
阴极灵敏度
定义光电倍增管阴极电流Ik与入射光谱辐射通量之比
为阴极的光谱灵敏度，并记为
S k ,λ
Ik Φe,λ
若入射辐射为白光，则以阴极积分灵敏度，IK与光谱
辐射通量的积分之比，记为Sk
Sk
Ik
0
e,λ
d
第2章 光接收器件
（3）、多碱锑化物光电阴极
当锑和几种碱金属形成化合物时，具有更高的响应率
第2章 光接收器件
第2节 外光电效应探测器
第2章 光接收器件
锑铯(Cs3Sb)光电阴 极是最常用的，量子效率 很高的光电阴极。长波限 约为650nm，对红外不灵 敏。锑铯阴极的峰值量子 效率较高，一般高达 20%~30%，比银氧铯光电 阴极高30多倍。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% 。
第2节 外光电效应探测器
光电倍增管总灵敏度或阳极灵敏度
定义光电倍增管阳极输出电流Ia与入射光谱辐射
通量之比为阳极的光谱灵敏度，并记为
Sa ,λ
Ia Φe, λ
若入射辐射为白光，则定义为阳极积分灵敏度，记为Sa
Sa
Ia
0
e,λ
d
第2章 光接收器件
第2节 外光电效应探测器
（3）暗电流 与本底脉冲
一般充气光电管当入射光频率大于8000Hz时，光电流将有下 降趋势，频率愈高，下降得愈多。
第2章 光接收器件
第2节 外光电效应探测器
3 光电倍增管(Photomultiplier Tube (PMT) ）
光电倍增管是一种真空光电发射器件。
光入射窗 光电阴极 电子光学系统 电子倍增系统 阳极
第2章 光接收器件