光电倍增管工作原理

4.1光電陰極

一、光電陰極的主要參數

1.靈敏度

(1)光照靈敏度

(2)色光靈敏度

(3)光譜靈敏度

就是局部光譜區域的積分

靈敏度。它表示在某些特

定的波長區，通常用特性

已知的濾光片（藍色為

QB24、紅色為HB11、紅

外為HWB3）插入光路，

然後測得的光電流與未插

入濾光片時陰極所受光照

的光通量之比。根據插入

濾光片的光譜透射比的不

同（圖4-1），它又分別稱

為藍光靈敏度、紅光靈敏

度及紅外靈敏度。

2.量子效率

量子效率和光譜靈敏度是一個物理量的兩種表示方法。它們之間的關係如下(4.1)：

式中λ單位為nm；S(λ)

為光譜靈敏度，單位為

A/W。

3.光譜響應曲線

光電陰極的光譜靈敏度或量子效率與入射輻射波長的關係曲線，稱為光譜響應曲線。真空光電元件中的長波靈敏度極限，主要由光電陰極材料的截止波長決定。

4.熱電子發射

光電陰極中有少數電子的熱能大於光電陰極游離能，因而產生熱電子發射。室溫下典型陰極每秒每平方厘米發射二個數量級的電子，相當於10∼10Acm的電流密度。這些熱發射電子會引起雜訊，限制著感測器的靈敏度極限。

二、銀氧銫（Ag-O-Cs）光電陰極

銀氧銫陰極是最早出現的實用光電陰極。

目前，除了Ⅲ-Ⅴ族的光電陰極外，它仍

然是在近紅外區具有使用價值的唯一陰

極。銀氧銫陰極是以Ag為基底，氧化銀

為中間層，上面再有一層帶有過剩Cs原

子及Ag原子的氧化銫，而表面由Cs原子

組成，可用Ag−CsOAgCs-Cs的符號表

示，如圖4-2⒜所示。

有一些光電元件也有不用氧化，而是用

硫化，或以鹼金屬代替銫原子，目的都

是希望得到高的響應率及合適的光譜響

應範圍。Ag-O-Cs光電陰極的光譜響應

曲線如圖4-2⒝所示。

銻銫陰極的典型光譜響應曲線如圖4-3所示。

它在可見光的短波區和近紫外區（0.3∼0.45μm）響應度最高，其量子效率可達25%，截止波長在0.65μm附近；它的典型光照靈敏度達60μA/lm，比銀氧銫陰極高得多。CsSb陰極的熱電子發射（約10A/cm）和疲勞特性均優於銀氧銫陰極，而且製造技術簡單，目前使用比較普遍。

五、紫外光電陰極

六、負電子親和力光電陰極

現以Si-CsO光電陰極為例加以說明，它是在p型Si的基質材料

上塗一層極薄的金屬Cs，經特殊處理而形成n型CsO。表面為

n型的材料有豐富的自由電子，基底為p型材料有豐富的電洞，

它們相互擴散形成表面電荷局部耗盡。與p-n接面情況類似，

耗盡區的電位下降E，造成能帶彎曲，如圖4-4⒝所示。

圖4-4⒜分別表示p型Si和n型CsO兩種材料的能帶圖。

本來p型Si的發射臨界值是，電子受光激發進入導電帶後需克服親和力才能游離出表面。現在由於表面存在n型薄層，使耗盡區的電位下降，表面電位降低。光電子在表面附近受到耗盡區內建電場的作用，從Si的導電帶底部漂移到表面CsO的導帶底部。此時，電子只需克服就能游離出表面。對於p型Si的光電子需克服的有效親和力為(4.2)

(1)量子效率高

(2)光譜響應延伸到紅外、光譜響應率均勻

由（3.74）式可知，正電子親和力光電陰極的臨界值波長為(4.3)

而負電子親和力光電陰極的臨界值波長為(4.4)

(3)熱電子發射小

(4)光電子的能量集中

實用的負電子親和力光

電陰極有GaAs、

InGaAs、GaAsP等，其

光譜響應曲線如圖4-5所

示。

4.2光電管與光電倍增管的工作原理

一、光電管

光電管主要由光電陰極和陽

極兩部分組成，因管內有抽

成真空或充入低氣壓惰性氣

體的不同，所以有真空型和

充氣型兩種。它的工作電路

如圖4-6所示，陰極和陽極之

間加有一定的電壓，且陽極

接正，陰極接負。

二、光電倍增管

光電倍增管是一種真空光電

元件，它主要由光入射窗口、

光電陰極、電子光學系統、

倍增極和陽極組成，如圖4-7

⒜所示。

光電倍增管的工作原理如圖

4-7⒝所示。

為了使光電子能有效地被各

電極收集並通過各倍增極倍

增，陰極與第一倍增極、各

倍增極之間以及末級倍增極

與陽極之間都必須施加一定

的電壓。最普通的形式是外

接一系列電阻，在陰極和陽

極之間加上適當的高壓，陰

極接負，陽極接正，使各電

極之間獲得一定的偏壓，如

圖4-7⒝。

1.入射窗口和光電陰極結構

光電倍增管通常有側窗和端窗兩種形式，如圖4-8所示。側窗型光電倍增管是透過管殼的側面接收入射光，而端窗式光電倍增管是透過管殼的端面接收入射光。側窗式光電倍增管一般使用反射式光電陰極，而且大多數採用鼠籠式倍增極結構，如圖4-9⒜所示。

端窗式光電倍增管通常使用半透明光電陰極，光電陰極材料沉積在入射窗的內側面。如圖4-9⒝所示。

光電倍增管的短波靈敏度一般受窗口材料限制。常用的窗口材料有下列幾種：

(1)硼矽玻璃

(2)透紫外玻璃

(3)熔融石英（熔融二氧化矽）

(4)藍寶石

(5)MgF2

圖4-10是常用幾種窗口

材料的光譜透射比曲線。

光電倍增管的光譜響應

特性主要由窗口材料和

光電陰極材料決定，因

此在使用時應根據窗口

和陰極材料的特性，選

擇相應的管子。