第二章光电探测器2

E E0 Ec Eg
EA Eg
Ec
EF
e E0
EA Eφ
Eg
电子亲和势： 真空能级与导带底之差
Ev (b) 理想半导体
半导体光电逸出参量：
• 电子亲和势：导带底上的电子向真空逸出时所需的最低 能量，数值上等于真空能级（真空中静止电子能量） E0 与导带底能级Ec之差。它有表面电子亲和势Ea与体内电 子亲和势Eae之分。Ea是材料的参量，与掺杂、表面能带 弯曲等因素无关。而Eae不是材料参量，可随表面能带弯 曲变化。
限可达1.2um • 但是——量子效率极低，暗电流大；
单碱锑化物光电阴极
****** 碱金属与锑（Sb）、铅（Pb）、铋（Bi）、铊（Tl） 等生成的金属化合物具有极其宝贵的光电发射性能，其中， 锑铯(CsSb)阴极广泛用于紫外和可见光区的光电探测器中。
金属反射掉大部分入射的可见光（反射系数达90%
以上），吸收效率很低；
光电子与金属中大量的自由电子碰撞，在运动中丧
失很多能量。只有很靠近表面的光电子，才有可能 到达表面并克服势垒逸出，即金属中光电子逸出深 度很浅，只有几nm；
金属逸出功大多为大于3eV，对能量小于3eV
（λ>410nm）的可见光来说，很难产生光电发射， 只有铯（2eV逸出功）对可见光最灵敏，故可用于 光阴极。但纯金属铯量子效率很低，小于0.1%，在 光电发射前两个阶段能量损耗太大。
• 北京半导体所 • 重庆光电所 • 上海光机所 • 中国电子科技集团11所、13所 • 兵器211所 • 邮科院
2.4.1光电子发射探测器
• 光电倍增管具有较高的内增益，对单光 子的能量测量比较灵敏，在探测极微弱 、变化极快光辐射仍有广泛应用
• 光电子发射效应
– 金属，最早从金属发现 – 半导体，具有良好的光电子发射性能
利的光电子发射条件，只要激发导带中的光电子，因为没有
表面势垒的阻挡，所以都能有效地逸出表面。
这就是NEA光阴极的基 本原理
e
EC
EAe
EF
EV
E
0
EA E
负电子亲和势
一 光电阴极
良好的光阴极材料的标准：
♠ 1.光阴极表面对光辐射的反射小而吸收大，以便体
内有较多的电子受到激发；
♠ 2.受激电子最好是发生在表面附近，这样向表面运
动过程中损失的能量少；
♠ 3.材料的逸出功要小（光阴极表面势垒低），使到
达真空界面的电子能够比较容易地逸出；
♣ 半导体材料与金属相比，对光辐射的吸
收率大，内部能量散射损失小，表面势垒又 可以人为控制，因而采用半导体材料作光阴 极获得了广泛应用。
常用的光电发射材料
1、银氧铯（Ag—O—Cs)阴极
• 1934年研制的第一支红外变象管就采用这种阴极。 • 它是红外波段唯一可用的经典光电发射材料，长波
半导体的光电子发射过程：
本征发射、杂质发射、 自由载流子发射
1)吸收光电子。当吸收的光子能量大于EA时激发的电子
才有可能逸出表面，而低于EA的那些电子则成为导带中 的非平衡电子，对光电导有贡献。
2)光电子向表面运动。受激电子从受激地点出发，在
向表面运动过程中免不了要同其它电子或晶格发生碰撞， 而失去一部分能量。
§2.4 光电探测器
一、光电检测器件的类型
• 凡是能把光辐射量转换成另一类便于测量的物理量 的器件，都叫光探测器。光电检测器件是把光通量 转换成电信号的器件。
• 光电检测器件分为两大类:
– 光子(光电子)检测器件 – 热电检测器件
光电检测器件
光子器件
热电器件
真空器件
光电管 光电倍增管 真空摄像管 变像管 像增强管
由于ΔE的量值可以人为控制，EAe值可以
人为地加以改变。
E0
EAe
EC EF Eg
ΔE
EA Eφ
Ev
正电子亲和势
如果EAe>0，就称为正电子亲和势光阴极，亦称经典光阴极，
目前广泛用的光阴极就属此类。
• 半导体材料光阴极又分为正电子亲和势(PEA，亦称经典光阴极)和负 电子亲和势(NEA阴极)两种类型。
3)克服表面势能逸出。达到表面的电子，如果仍有足
够的能量足以克服表面势垒对电子的束缚（即逸出功）时， 即可从表面逸出。
本征半导体
T=0K时，本征半导体中电子占据的最高能级是价带顶，因 此，电子从价带顶跃迁到导带所需的最小能量为：
E Eg EA
Ec EA
Eg
EF
Ev
(a) 本征半导体
Ec EA
• NEA光阴极是当前性能最好的光阴极。
e
E Ae EC EF EV
E0
E EA E
E
e EC EF
EV
E
0
EA
E
（a）正电子亲和势
（b） 负电子亲和势
正电子亲和势：表面真 空能级位于导带底之上
负电子亲和势：表面特殊 处理后表面区域能带弯曲， 真空能级降至导带底之下， 有效电子亲和势为负值。
• 如果EAe<0，即真空能级降至导带之下，就出现一种非常有
响应快，吸收辐射产生信号 响应慢，一般为几毫秒
需要的时间短， 一般为纳
秒到几百微秒
• 光电子发射探测器
– 光电阴极，光电倍增管
• 光电导探测器
– 碲镉汞光电导探测器，InSb，Pbs
• 光伏探测器
– PIN光电二极管，雪崩光电二极管（APD）
• 固体摄像器件
– 线阵、面阵
国内从事光电探测研究的单位
E0
EF
Eg
W
Ev
(a) 本征半导体
Ec W
EA
EF
E0 Ea
Ev
Eg
(b) N型半导体
逸出功
• 逸出功： W EA来自百度文库 Eg
• 逸出功： W EA
半导体的光电逸出功由两部分组成：
一部分是电子从发射中心激发到导带所需
的最低能量；
另一部分是电子从导带底逸出所需的最低
能量（即电子亲和势）。
• 对半导体材料，体内光电子发射来源于价带EV附近， 因此表面处的光电发射阈值Eφ为：
固体器件
光敏电阻 光电池 光电二极管 光电三极管 雪崩光电管 电荷耦合器件
CCD
热电偶/热电堆
热辐射计/热敏 电阻
热释电探测器
二、光电检测器件的特点
光子器件
热电器件
响应波长有选择性，一般有 响应波长无选择性，对可见
截止波长，超 过该波长， 光到远红外的各种波长的辐
器件无响应。
射同样敏感
电 子 亲 和 势
♠ 实际的半导体能级，在半导体表面附近要发生弯曲，
这时EA定义为E0与表面处导带底EC之差。
♠ 考虑到导带在表面处的弯曲量用ΔE 表示，于是体内光
电子的有效电子亲合势变为：
EAe EA E
我们通常所说的电子亲合势就是指的EAe， 半导体材料的光电发射阈值变为：
E Eg EAe