光电倍增管(课堂PPT)
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第5章 光电子发射探测器
光子探测器
输出光电流
Ip
e
hv
M0
M－光电增益
光电导探测器：M可以大于1 光电三极管： M~102
雪崩光电二极管：M~103
？？？？
M~106
.
1
第5章 光电子发射探测器
Photoemissive detector,简称PE探测器
－－也称为真空光电器件
光电发射器件是基于外光电效应的器件，它包括真空 光电二极管、光电倍增管、变像管、像增强管和真空 电子束摄像管。
EA1=E0-EC1>0 EA2=E0-EC2>0
负电子亲和势(体内衬 底材料的有效电子亲 和势)是负的
EAe=E0-EC1<0
.
14
NEA的最大优点：
－－量子效率比常规发射体高得多
热电子
－－受激电子能量 超过导带底的电子
冷电子
－－能量恰好等于 导带底的电子
光电发射过程分析：
价带 上 吸 收 电 热 光 子 子 电子（ 能 导 量 冷 损 带 失电 底 能 子 量 以 E 0 高 容 上 于 易 ） 命 1 1 0 ～ 41 1 0s2 ） 1（ 9 0 ～ 1 寿 8 0 s） （
.
8
（2）单碱锑化物：
CsSb阴极最为常用，紫外和可见光区的灵敏度最高
•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（CsSb），其阴极灵敏度最高，量子 效率为15－25％，蓝光区量子效率高达30%，长波限为： 600nm。广泛用于紫外和可见光区的光电探测器中。光谱 响应范围较窄对红光＆红外不灵敏
EA2=E0-EC2>0
.
12
体内：P型 表面：N型
•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EAe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。
.
13
体内：P型
表面：N型
经典发射体的电子亲 和势仍是正的
.
5
5.1 光电阴极
良好的光电发射材料具备的条件：
a 光的吸收系数大 b 光电子在体内传输过程中受到的能量损失小 c 表面势垒低，表面逸出几率大
.
6
常用的光电阴极材料
金属：
半导体：
反射系数大、吸收系 数小、碰撞损失能量 大、逸出功大－－适 应对紫外灵敏的光电 探测器。
光吸收系数大得多，散 射能量损失小，量子效 率比金属大得多－－光 谱响应：可见光和近红 外波段。
（3）多碱锑化物：
Sb－Na－K－Cs 最实用的光电阴极材料，高灵敏度、
宽光谱，红外端延伸930nm，用于宽带光谱测量仪，扩
展到近红外。
.
9
（4）紫外光电阴极
“日盲”型光电阴极
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，这种阴极通常称为“日盲”型光电阴 极。
实用的两种： 响应范围(100—280nm)
.
18
5.2.2 光电倍增管 Photomultiplier Tube 简称PMT
1.基本结构
电子光学系统
.
19
1.基本结构
1）. 入射光窗
作用：
(a)侧窗式 (b)端窗式
1）光入射通道
2）短波阈值
.
20
窗口材料
硼硅玻璃（无钾玻璃）
常用的玻璃材料，可以透过从 近红外至300nm的入射光，不 适合于紫外区的探测。
.
3
第5章 光电子发射探测器
具有外光电效应的材料 －－光电子发射体
光电子发射探测器中的光电子发射体 －－又称为光电阴极
光电阴极是完成光电转换的重要部件，其性能 好坏直接影响整个光电发射器件的性能！！！
.
4
第5章 光电子发射探测器
5.1 光电阴极 5.2 光电管和光电倍增管结构原理 5.3 光电倍增管的主要特性参数 5.4 光电倍增管的工作电路
碲化铯(CsTe)－－长波限为0.32μm 碘化铯(Csl) －－长波限为0.2 μm。
.
10
2. 负电子亲和势阴极
负电子亲和势材料结构、原理
以Si-Cs2O光电阴极为例
重掺杂的P型硅表 面涂极薄的金属Cs， 经过处理形成N型 的Cs2O。
.
11
P型Si的电子亲和势: N型Cs2O电子亲和势:
EA1=E0-EC1>0
透紫玻璃（UV玻璃）
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。
合成石英 紫外光波长延伸至160nm
蓝宝石 紫外光波长延伸至150nm
.
21
来自百度文库
氟化镁（镁氟化物）极好的紫外线透过性，接近115nm，
2）光电阴极
作用: 1) 光电转换能力 2) 长波波长阈值 3) 决定整管灵敏度
半导体材料广泛用作光电阴极
常规光电阴极
负电子亲和势阴极
EA 0 . EA 0 7
1、常规光电阴极
（1）、银氧铯(Ag-O-Cs)光电阴极
最早的光电阴极，主要应用于近红外探测
•峰值波长： 350nm, 800nm
•光谱响应范围约300-1000nm；
•量子效率约0.5％；
•使用温度100°C；
•暗电流大。
5.2.1 光电管
1、结构
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
.
17
充气型光电管：
光电管的特点：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10-14A；光电 发射弛豫过程极短。
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
.
2
第5章 光电子发射探测器
Photoemissive detector,简称PE探测器 －－也称为真空光电器件
缺点：结构复杂 工作电压高 体积庞大 优点：灵敏度高 稳定性好 响应速度快 噪声小
光 电 管： 被半导体光电器件取代
光电倍增管：
极高灵敏度 快速响应
～106 ～pS
应 用： 微弱光信号、快速脉冲弱光信号
.
22
3）电子光学系统
作用:
1）收集率接近于1
2）渡越时间零散最小.
NEA量子效率比常规发射体高得多！
.
15
NEA的优点：量子效率比常规发射体高得多
1、量子效率高 2、阈值波长延伸到红外区 3、由于“冷”电子发射，能量分 散小，在成象器件中分辨率极高 4、暗电流极小 5、延伸的光谱区内其灵敏度均匀
式（5－2）与式（1－65）对比
m
a
x
1.24 Eg
μm
.
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5.2 光电管和光电倍增管的结构原理
光子探测器
输出光电流
Ip
e
hv
M0
M－光电增益
光电导探测器：M可以大于1 光电三极管： M~102
雪崩光电二极管：M~103
？？？？
M~106
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第5章 光电子发射探测器
Photoemissive detector,简称PE探测器
－－也称为真空光电器件
光电发射器件是基于外光电效应的器件，它包括真空 光电二极管、光电倍增管、变像管、像增强管和真空 电子束摄像管。
EA1=E0-EC1>0 EA2=E0-EC2>0
负电子亲和势(体内衬 底材料的有效电子亲 和势)是负的
EAe=E0-EC1<0
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NEA的最大优点：
－－量子效率比常规发射体高得多
热电子
－－受激电子能量 超过导带底的电子
冷电子
－－能量恰好等于 导带底的电子
光电发射过程分析：
价带 上 吸 收 电 热 光 子 子 电子（ 能 导 量 冷 损 带 失电 底 能 子 量 以 E 0 高 容 上 于 易 ） 命 1 1 0 ～ 41 1 0s2 ） 1（ 9 0 ～ 1 寿 8 0 s） （
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（2）单碱锑化物：
CsSb阴极最为常用，紫外和可见光区的灵敏度最高
•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（CsSb），其阴极灵敏度最高，量子 效率为15－25％，蓝光区量子效率高达30%，长波限为： 600nm。广泛用于紫外和可见光区的光电探测器中。光谱 响应范围较窄对红光＆红外不灵敏
EA2=E0-EC2>0
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体内：P型 表面：N型
•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EAe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。
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体内：P型
表面：N型
经典发射体的电子亲 和势仍是正的
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5.1 光电阴极
良好的光电发射材料具备的条件：
a 光的吸收系数大 b 光电子在体内传输过程中受到的能量损失小 c 表面势垒低，表面逸出几率大
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常用的光电阴极材料
金属：
半导体：
反射系数大、吸收系 数小、碰撞损失能量 大、逸出功大－－适 应对紫外灵敏的光电 探测器。
光吸收系数大得多，散 射能量损失小，量子效 率比金属大得多－－光 谱响应：可见光和近红 外波段。
（3）多碱锑化物：
Sb－Na－K－Cs 最实用的光电阴极材料，高灵敏度、
宽光谱，红外端延伸930nm，用于宽带光谱测量仪，扩
展到近红外。
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（4）紫外光电阴极
“日盲”型光电阴极
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，这种阴极通常称为“日盲”型光电阴 极。
实用的两种： 响应范围(100—280nm)
.
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5.2.2 光电倍增管 Photomultiplier Tube 简称PMT
1.基本结构
电子光学系统
.
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1.基本结构
1）. 入射光窗
作用：
(a)侧窗式 (b)端窗式
1）光入射通道
2）短波阈值
.
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窗口材料
硼硅玻璃（无钾玻璃）
常用的玻璃材料，可以透过从 近红外至300nm的入射光，不 适合于紫外区的探测。
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第5章 光电子发射探测器
具有外光电效应的材料 －－光电子发射体
光电子发射探测器中的光电子发射体 －－又称为光电阴极
光电阴极是完成光电转换的重要部件，其性能 好坏直接影响整个光电发射器件的性能！！！
.
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第5章 光电子发射探测器
5.1 光电阴极 5.2 光电管和光电倍增管结构原理 5.3 光电倍增管的主要特性参数 5.4 光电倍增管的工作电路
碲化铯(CsTe)－－长波限为0.32μm 碘化铯(Csl) －－长波限为0.2 μm。
.
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2. 负电子亲和势阴极
负电子亲和势材料结构、原理
以Si-Cs2O光电阴极为例
重掺杂的P型硅表 面涂极薄的金属Cs， 经过处理形成N型 的Cs2O。
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11
P型Si的电子亲和势: N型Cs2O电子亲和势:
EA1=E0-EC1>0
透紫玻璃（UV玻璃）
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。
合成石英 紫外光波长延伸至160nm
蓝宝石 紫外光波长延伸至150nm
.
21
来自百度文库
氟化镁（镁氟化物）极好的紫外线透过性，接近115nm，
2）光电阴极
作用: 1) 光电转换能力 2) 长波波长阈值 3) 决定整管灵敏度
半导体材料广泛用作光电阴极
常规光电阴极
负电子亲和势阴极
EA 0 . EA 0 7
1、常规光电阴极
（1）、银氧铯(Ag-O-Cs)光电阴极
最早的光电阴极，主要应用于近红外探测
•峰值波长： 350nm, 800nm
•光谱响应范围约300-1000nm；
•量子效率约0.5％；
•使用温度100°C；
•暗电流大。
5.2.1 光电管
1、结构
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
.
17
充气型光电管：
光电管的特点：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10-14A；光电 发射弛豫过程极短。
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
.
2
第5章 光电子发射探测器
Photoemissive detector,简称PE探测器 －－也称为真空光电器件
缺点：结构复杂 工作电压高 体积庞大 优点：灵敏度高 稳定性好 响应速度快 噪声小
光 电 管： 被半导体光电器件取代
光电倍增管：
极高灵敏度 快速响应
～106 ～pS
应 用： 微弱光信号、快速脉冲弱光信号
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3）电子光学系统
作用:
1）收集率接近于1
2）渡越时间零散最小.
NEA量子效率比常规发射体高得多！
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15
NEA的优点：量子效率比常规发射体高得多
1、量子效率高 2、阈值波长延伸到红外区 3、由于“冷”电子发射，能量分 散小，在成象器件中分辨率极高 4、暗电流极小 5、延伸的光谱区内其灵敏度均匀
式（5－2）与式（1－65）对比
m
a
x
1.24 Eg
μm
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5.2 光电管和光电倍增管的结构原理