华中科技大学《光电探测》光电子发射探测器模板PPT教学课件
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氟化镁（镁氟化物）该材料具有极好的紫外线透过性，但 同时也有易潮解的不利因素。尽管如此，氟化镁仍以其接 近115nm的紫外透过能力而成为一种实用的光窗材料。
2020/10/16
21
３.电子光学系统
电子光学系统是适当设计的电极结构，
作用：使前一级发射出来的电子尽可能没有散失地落到
透紫玻璃（UV玻璃） 这种玻璃材料就象其名字所表达 的那样，可以很好地透过紫外光，和硼硅玻璃一样被广 泛使用。分光应用领域一般都要求用透紫玻璃，其截止
波长可接近185nm。
2020/10/16
20
合成石英 合成石英可以将透过的紫外光波长延伸至 160nm，并且在紫外区比熔融石英玻璃有更低的吸收。合 成石英材料的膨胀系数与芯柱用玻璃的膨胀系数有很大差 别，所以，用热膨胀系数渐变的封接材料与合成石英逐渐 过渡。因此，此类光电倍增管的强度易受外界震动的破坏， 使用中要采取足够的保护措施。
EAe
-+ -+
EA2 Ed E0
区的电位下降Ed,造成能带
+
弯曲。 2020/10/16
9Ev2
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 由于能级弯曲，使Ed>EA2,这样就形成了负电子亲 和势。
3.光谱响应曲线
４.热电子发射：
引起噪声，限制探测灵敏度
2020/10/16
4
二、银氧铯(Ag-O-Cs)光电阴极
wenku.baidu.com
350nm, 800nm
2020/10/16
5
三、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。
在光电子发射探测器中，具有光电子发射效 应的材料称为光电阴极。
完成光电转换的功能
光电阴极材料的性能的好坏直接决定探测器 的性能。
一、光电阴极的主要参数
1.灵敏度
光照灵敏度:
光谱灵敏度
2020/10/16
3
２.量子效率 它表示一定波长的光子入射到光电阴极时，该阴 极所发射的光电子数Ne()与入射的光子数Np()之 比。也称量子产额Q()
4.经过倍增后的二次电子由阳极收集，形成阳 极光电流。
2020/10/16
16
光电倍增管工作原理图
2020/10/16
17
2020/10/16
18
２.入射窗口和光电阴极结构
2020/10/16
19
窗口材料
硼硅玻璃 这是一种常用的玻璃材料，可以透过从近红 外至300nm的入射光，但不适合于紫外区的探测。无钾 玻璃中只有极低含量的钾，其中的K40会造成暗计数。 所以通常用于闪烁计数的光电倍增管不仅入射窗，而且 玻璃侧管也使用无钾玻璃，就是为了降低暗计数
2020/10/16
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EA1 Ec1
EA2 E0 对于P型Si的发射阈值是
Ec2
Eg2 Ev2
Ed1=EA1+Eg1,电子进入导带后需 要克服亲和势EA1才能逸出表面。
Eg1 Ev1
Cs2O
Si
EC1
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。 Ef
在交界区形成耗尽层，耗尽 Ev1
2020/10/16
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2020/10/16
15
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；
2020/10/16
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六、负电子亲和势光电阴极
电子亲和势是指半导体导带底部到真空能 级间的能量值，表示了发生光电效应时，电子 逸出的难易程度。
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)。
5.光谱响应平坦；
6.暗电流小；
7.在可见、红外区，能获得高响应度；
8.工艺复杂，售价昂贵。
2020/10/16
11
§3.2 光电管与光电倍增管的工作原理 一、真空光电管
1、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 。
真空光电管构造示意图
2020/10/16
12
光电阴极即半导体光电发射材料，涂于玻壳内 壁，受光照时，可向外发射光电子。阳极是金 属环或金属网，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。
优点：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10-14A；光电发射弛豫过程极短。
缺点：真空光电管体积大、
工作电压高,达百伏到数百伏、
玻壳容易破碎等
2020/10/16
13
二、光电倍增管
1、光电倍增管组成及工作原理
光电倍增管由五个主要部分组成： 光窗、光电阴极、电子光学系统、 电子倍增系统和阳极。
四、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
2020/10/16
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五、紫外光电阴极
通常来说对可见光灵敏的光电阴极对紫外光也 有较高的量子效率。有时，为了消除背景辐射 的影响，要求光电阴极只对所探测的紫外辐射 信号灵敏，而对可见光无响应。
这样的光电阴极有碲化铯(CsTe, 320nm)和碘化 铯(CsI, 200nm)
负电子亲和势阴极与正电子亲和势阴极的区别：
1.参与发射的电子是导带的热化电子，或称为 “冷”电子；
2020/10/16
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２.NEA阴极中导带的电子逸入真空不需作功。
特点：
1.高吸收，低反射性质；
2.高量子效率，50%~60%, 长波到达9%;
3.光谱响应可以达到1m以上；
4.冷电子发射光谱能量分布较集中，接近高斯分布
3 光电子发射探测器
真空光电器件是基于外光电效应（光电子发射 效应）制成的光电探测器。
Photoemissive：简称PE探测器
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真空光电器件
光电管 光电倍增管
特点：灵敏度高、稳定性好、响应速度快和噪声小 探测微弱信号
缺点：结构复杂，工作电压高，体积大
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§3.1 光电阴极
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３.电子光学系统
电子光学系统是适当设计的电极结构，
作用：使前一级发射出来的电子尽可能没有散失地落到
透紫玻璃（UV玻璃） 这种玻璃材料就象其名字所表达 的那样，可以很好地透过紫外光，和硼硅玻璃一样被广 泛使用。分光应用领域一般都要求用透紫玻璃，其截止
波长可接近185nm。
2020/10/16
20
合成石英 合成石英可以将透过的紫外光波长延伸至 160nm，并且在紫外区比熔融石英玻璃有更低的吸收。合 成石英材料的膨胀系数与芯柱用玻璃的膨胀系数有很大差 别，所以，用热膨胀系数渐变的封接材料与合成石英逐渐 过渡。因此，此类光电倍增管的强度易受外界震动的破坏， 使用中要采取足够的保护措施。
EAe
-+ -+
EA2 Ed E0
区的电位下降Ed,造成能带
+
弯曲。 2020/10/16
9Ev2
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 由于能级弯曲，使Ed>EA2,这样就形成了负电子亲 和势。
3.光谱响应曲线
４.热电子发射：
引起噪声，限制探测灵敏度
2020/10/16
4
二、银氧铯(Ag-O-Cs)光电阴极
wenku.baidu.com
350nm, 800nm
2020/10/16
5
三、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。
在光电子发射探测器中，具有光电子发射效 应的材料称为光电阴极。
完成光电转换的功能
光电阴极材料的性能的好坏直接决定探测器 的性能。
一、光电阴极的主要参数
1.灵敏度
光照灵敏度:
光谱灵敏度
2020/10/16
3
２.量子效率 它表示一定波长的光子入射到光电阴极时，该阴 极所发射的光电子数Ne()与入射的光子数Np()之 比。也称量子产额Q()
4.经过倍增后的二次电子由阳极收集，形成阳 极光电流。
2020/10/16
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光电倍增管工作原理图
2020/10/16
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2020/10/16
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２.入射窗口和光电阴极结构
2020/10/16
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窗口材料
硼硅玻璃 这是一种常用的玻璃材料，可以透过从近红 外至300nm的入射光，但不适合于紫外区的探测。无钾 玻璃中只有极低含量的钾，其中的K40会造成暗计数。 所以通常用于闪烁计数的光电倍增管不仅入射窗，而且 玻璃侧管也使用无钾玻璃，就是为了降低暗计数
2020/10/16
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EA1 Ec1
EA2 E0 对于P型Si的发射阈值是
Ec2
Eg2 Ev2
Ed1=EA1+Eg1,电子进入导带后需 要克服亲和势EA1才能逸出表面。
Eg1 Ev1
Cs2O
Si
EC1
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。 Ef
在交界区形成耗尽层，耗尽 Ev1
2020/10/16
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2020/10/16
15
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；
2020/10/16
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六、负电子亲和势光电阴极
电子亲和势是指半导体导带底部到真空能 级间的能量值，表示了发生光电效应时，电子 逸出的难易程度。
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)。
5.光谱响应平坦；
6.暗电流小；
7.在可见、红外区，能获得高响应度；
8.工艺复杂，售价昂贵。
2020/10/16
11
§3.2 光电管与光电倍增管的工作原理 一、真空光电管
1、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 。
真空光电管构造示意图
2020/10/16
12
光电阴极即半导体光电发射材料，涂于玻壳内 壁，受光照时，可向外发射光电子。阳极是金 属环或金属网，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。
优点：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10-14A；光电发射弛豫过程极短。
缺点：真空光电管体积大、
工作电压高,达百伏到数百伏、
玻壳容易破碎等
2020/10/16
13
二、光电倍增管
1、光电倍增管组成及工作原理
光电倍增管由五个主要部分组成： 光窗、光电阴极、电子光学系统、 电子倍增系统和阳极。
四、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
2020/10/16
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五、紫外光电阴极
通常来说对可见光灵敏的光电阴极对紫外光也 有较高的量子效率。有时，为了消除背景辐射 的影响，要求光电阴极只对所探测的紫外辐射 信号灵敏，而对可见光无响应。
这样的光电阴极有碲化铯(CsTe, 320nm)和碘化 铯(CsI, 200nm)
负电子亲和势阴极与正电子亲和势阴极的区别：
1.参与发射的电子是导带的热化电子，或称为 “冷”电子；
2020/10/16
10
２.NEA阴极中导带的电子逸入真空不需作功。
特点：
1.高吸收，低反射性质；
2.高量子效率，50%~60%, 长波到达9%;
3.光谱响应可以达到1m以上；
4.冷电子发射光谱能量分布较集中，接近高斯分布
3 光电子发射探测器
真空光电器件是基于外光电效应（光电子发射 效应）制成的光电探测器。
Photoemissive：简称PE探测器
2020/10/16
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真空光电器件
光电管 光电倍增管
特点：灵敏度高、稳定性好、响应速度快和噪声小 探测微弱信号
缺点：结构复杂，工作电压高，体积大
2020/10/16
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§3.1 光电阴极