光電陰極與光電倍增管.ppt

1、知識回顧,1.光電二極管,分類,符號,接法,光敏二極管接法,2.光電二極管跟普通二極管和光電池的區(qū)別,與普通二極管相比,共同點：一個PN結(jié)，單向?qū)щ娦?不同點：,（1）受光面大，PN結(jié)面積更大，PN結(jié)深度較淺,（2）表面有防反射的SiO2保護層,（3）外加反偏置,與光電池相比,共同點：均為PN結(jié)，利用光伏效應，SiO2保護膜,不同點：,（1）結(jié)面積比光電池的小，頻率特性好;,（2）光生電勢與光電池相同，但電流比光電池小;,（3）可在零偏壓下工作，常在反偏置下工作。,3.光電三極管的電流關(guān)系及電連接方法,根據(jù)共發(fā)射極電流關(guān)系有： IbIp Ic = Ie = （1+） Ib = （1+） Ip

2、= （1+） ESE,4.象限探測器,5.PIN光電二極管,6.PSD位置傳感器,第3章 光電陰極與光電倍增管,本章主要內(nèi)容： 3.1 陰極與陰極電子學 3.2 外光電效應 3.2 光電陰極 2.3光電管和光電倍增管,陰極（Cathode） 電子器件中發(fā)射電子的一極（電子源） 陰極電子學 研究： 1）電子和離子從固體表面的發(fā)射過程,2）粒子 固體表面相互作用的物理過程,從能帶理論淺談電子發(fā)射,【思考】如何使體內(nèi)電子逸出？,第一種方式,第二種方式,使體內(nèi)電子逸出的方法： 1）增加電子能量 2）削弱阻礙電子逸出的力,陰極發(fā)射電子（第一種方式）,1. 增加電子能量,克服表面勢壘而逸出,陰極加熱,T足

3、夠高,部分電子獲得足夠能量,（1）熱電子發(fā)射（熱陰極）,金屬,陰極發(fā)射電子（第一種方式）,1. 增加電子能量,克服表面勢壘而逸出,陰極加熱,T足夠高,部分電子獲得足夠能量,（1）熱電子發(fā)射（熱陰極）,（2）光電子發(fā)射（光電陰極）,陰極發(fā)射電子（第一種方式）,（2）光電子發(fā)射（光電陰極）,半導體光電子主要發(fā)射分三類：,本征發(fā)射：價帶電子導帶電子 hEC-EV,雜質(zhì)發(fā)射：雜質(zhì)能級電子導帶電子 hEg,自由載流子發(fā)射：自由載流子導帶電子 忽略不計,半導體光電子主要發(fā)射分三步：,對光子的吸收,電子向表面運動,克服表面勢壘而逸出,陰極發(fā)射電子（第一種方式）,1. 增加電子能量,克服表面勢壘而逸出,陰極加

4、熱,T足夠高,部分電子獲得足夠能量,（1）熱電子發(fā)射（熱陰極）,（2）光電子發(fā)射（光電陰極）,（3）次級電子發(fā)射（次級電子發(fā)射體）,2. 降低阻礙電子逸出的力 （4）場致發(fā)射（場發(fā)射陰極）,固體表面施加強電場 削弱勢壘 體內(nèi)部分電子 通過隧道效應進入真空,量子隧穿示意圖,陰極發(fā)射電子（第二種方式）,CRT （Cathode Ray Tube） 和 FED（ Field Emission Display ）,陰極的應用舉例,陰極射線管（CRT）,CRT （Cathode Ray Tube） 和 FED（ Field Emission Display ）,Mo,SiO2,Glass,Mo,Si,場

5、發(fā)射陣列制作過程,金屬或半導體受光照時，如果入射的光子能量h足夠大，它和物質(zhì)中的電子相互作用，使電子從材料表面逸出的現(xiàn)象，也稱為外光電效應。它是真空光電器件光電陰極的物理基礎(chǔ)。,當照射到光陰極上的入射光頻率或頻譜成分不變時，飽和光電流（即單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)目）與入射光強度成正比： Ik ：光電流 e ：光強 Se ：該陰極對入射光線的靈敏度,光電發(fā)射第一定律斯托列托夫定律,光電發(fā)射第二定律愛因斯坦定律,光電子的最大動能與入射光的頻率成正比，而與入、 射光強度無關(guān)： Emax：光電子的最大初動能。 h： 普朗克常數(shù)。 0： 產(chǎn)生光電發(fā)射的極限頻率，頻率閾值。 W： 金屬電子的逸出功（從材料

6、表面逸出時所需的 最低 能量），單位eV，與材料有關(guān)的常數(shù)， 也稱功函數(shù)。,Emax=(1/2)m2max=h- h0 =h- W,入射光子的能量至少要等于逸出功時，才能發(fā)生光電發(fā)射。 波長閾值： hWhc/W 0.76m）發(fā)射電子，必須尋求低于（？）的低能閾值材料。,1.63eV,圖 光電子最大動能與入射光頻率的關(guān)系,0,Wmax,0,(1/2)m2max=h- h0 =h- W,為什么會彎曲？,能夠產(chǎn)生光電發(fā)射效應的物體稱為光電發(fā)射體，光電發(fā)射體在光電器件中常與陰極相聯(lián)故稱為光電陰極 。,什么是光電陰極？,陰極,常用的光電陰極材料,反射系數(shù)大、吸收系數(shù)小、碰撞損失能量大、逸出功大適應對紫外

7、靈敏的光電探測器。,光吸收系數(shù)大得多，散射能量損失小，量子效率比金屬大得多光譜響應：可見光和近紅外波段。,金屬：,半導體：,常規(guī)光電陰極,負電子親和勢陰極,半導體材料廣泛用作光電陰極,1.靈敏度,色溫2856K的鎢絲燈,(1)光照靈敏度,在一定的白光照射下，光電陰極的光電流與入射的白光光通量之比,也稱白光靈敏度或積分靈敏度。,它表示在某些特定的波長區(qū)域，陰極光電流與入射光的光通量之比。,(2) 色光靈敏度,一般用插入不同的濾光片來獲得不同的光譜范圍，濾光片的透射比不同，它又分別稱為藍光靈敏度、紅光靈敏度及紅外靈敏。,實際上是局部波長范圍的積分靈敏度,QB:中國青色或蘭色玻璃(德國:BG) HB

8、:中國紅色玻璃,2.量子效率,陰極發(fā)射的光電子數(shù) Ne()與入射的光子數(shù) Np()之比，稱為量子效率:,根據(jù)定義:量子效率和光譜靈敏度之間的關(guān)系為:,式中,單位為nm； S()為光譜靈敏度，單位為A/W。,波長一定的單色光照射時，光電陰極發(fā)出的光電流與入射的單色光通量之比。,(3) 光譜靈敏度,光電陰極中有一些電子的熱能有可能大于光電陰極逸出功，因而可產(chǎn)生熱電子發(fā)射。,室溫下典型光電陰極每秒每平方厘米發(fā)射的熱電子相當于,l0-16 10-17A/cm2的電流密度,3.光譜響應曲線,光電陰極的光譜靈敏度與入射光波長的關(guān)系曲線，稱為光譜響應曲線。,4.暗電流,S(),/nm,為什么會有峰值？,光電

9、陰極一般分為:透射型與反射型兩種。,不透明陰極通常較厚，光照射到陰極上，光電子從同一面發(fā)射出來，所以不透明光電陰極又稱為反射型陰極,(二).光電陰極的分類,透射型陰極通常制作在透明介質(zhì)上，光通過透明介質(zhì)后入射到光電陰極上。光電子則從光電陰極的另一邊發(fā)射出來，所以透射型陰極又稱為半透明光電陰極。,(三). 常用光電陰極材料,透射型光譜響應: 300nm到1200nm，反射型光譜響應:300m到1100nm。Ag-O-Cs光電陰極主要應用于近紅外探測。可見光區(qū)域內(nèi)量子效率低于0.43%。如S-1所示。,(1) Ag-O-Cs具有良好的可見和近紅外響應。,350 nm, 800 nm,(三). 常用

10、光電陰極材料,(1) Ag-O-Cs具有良好的可見和近紅外響應。,(2)單堿銻化合物(PEA),量子效率一般高達20%30%，比銀氧銫光電陰極高30多倍。如S-4。,金屬銻與堿金屬鋰、鈉、鉀、銫中的一種構(gòu)成的化合物，都是能形成具有穩(wěn)定光電發(fā)射的發(fā)射材料， CsSb最為常用，在紫外和可見光區(qū)的靈敏度最高。,(三). 常用光電陰極材料,(1) Ag-O-Cs具有良好的可見和近紅外響應。,(2)單堿銻化合物(PEA),(3)多堿銻化合物(PEA),銻和幾種堿金屬形成的化合物包括雙堿銻材料Sb-Na-K、Sb-K-Cs和三堿銻材料Sb-Na-K-Cs等，Sb-Na-K-Cs是最實用的光電陰極材料，具有

11、高靈敏度和寬光譜響應，如S-20 。其紅外端可延伸到930nm，量子效率高于20 %。 適用于寬帶光譜測量儀.,(三). 常用光電陰極材料,(1) Ag-O-Cs具有良好的可見和近紅外響應。,(2)單堿銻化合物(PEA),(3)多堿銻化合物(PEA),(4)紫外光電陰極材料,某些應用，要求光電陰極材料只對所探測的紫外輻射靈敏，對可見光無響應。這種材料通常稱為“日盲”型光電陰極材料，也稱紫外光電陰極材料。目前實用的紫外光電陰極碲化銫(CsTe)和碘化銫(Csl)兩種。,長波限為0.32m,長波限為 0.2m,(三). 常用光電陰極材料,(1) Ag-O-Cs具有良好的可見和近紅外響應。,(2)單

12、堿銻化合物(PEA),(3)多堿銻化合物(PEA),(4)紫外光電陰極材料,負電子親和勢材料制作的光電陰極與正電子親和勢材料光電陰極相比,具有以下四點特點,(5)負電子親合能材料(NEA),負電子親和勢材料結(jié)構(gòu)、原理,重摻雜的P型硅表面涂極薄的金屬Cs，經(jīng)過處理形成N型的Cs2O。,以Si-Cs2O光電陰極為例,P型Si的電子親和勢:,N型Cs2O電子親和勢:,EA1=E0-EC10,EA2=E0-EC20,體內(nèi)：P型,表面：N型,表面電子，能級Ec1,入射光子,體內(nèi)電子，能級Ec1,表面逸出電子 E0-Ec1 0,體內(nèi)有效電子親和勢: EAe=E0-EC10,2. 負電子親和勢陰極,體內(nèi)：P

13、型,表面：N型,2. 負電子親和勢陰極,負電子親和勢是指體內(nèi)襯底材料的有效電子親和勢？,經(jīng)典發(fā)射體的電子親和勢仍是正的 ？,EA1=E0-EC10,EA2=E0-EC20,EAe=E0-EC10,NEA的最大優(yōu)點： 量子效率比常規(guī)發(fā)射體高得多,光電發(fā)射過程分析：,熱電子 受激電子能量超過導帶底的電子,冷電子 能量恰好等于導帶底的電子,NEA量子效率比常規(guī)發(fā)射體高得多！,2. 負電子親和勢陰極,NEA的優(yōu)點：量子效率比常規(guī)發(fā)射體高得多,1、量子效率高 2、閾值波長延伸到紅外區(qū) 3、由于“冷”電子發(fā)射，能量分散小，在成象器件中分辨率極高 4、延伸的光譜區(qū)內(nèi)其靈敏度均勻,2. 負電子親和勢陰極,當負

14、電子親和勢光電陰極受光照時，被激發(fā)的的電子在導帶內(nèi)很快熱化(約10-12s)并落入導帶底(壽命達10-9s)。熱化電子很容易擴散到能帶彎曲的表面，然后發(fā)射出去，所發(fā)射光電子的能量基本上都等于導帶底的能量。,知識回顧,1. 陰極，使陰極發(fā)射電子的方式？,電子器件中發(fā)射電子的一極（電子源）,知識回顧,1. 陰極，使陰極發(fā)射電子的方式？,2. 光電陰極,能夠產(chǎn)生光電發(fā)射效應的物體稱為光電發(fā)射體,(1) Ag-O-Cs：可見和近紅外響應, 0.42%,(2)單堿銻化合物(PEA)：紫外和可見光區(qū)，20%-30%,(3)多堿銻化合物(PEA)：紫外和可見光區(qū)+紅外，20%,(4)紫外光電陰極材料：日盲型

15、，碲化銫，碘化銫C,(5)負電子親合能材料(NEA),3.作為光電陰極材料，金屬和半導體材料的優(yōu)缺點？,反射系數(shù)大、吸收系數(shù)小、碰撞損失能量大、逸出功大適應對紫外靈敏的光電探測器。,光吸收系數(shù)大得多，散射能量損失小，量子效率比金屬大得多光譜響應：可見光和近紅外波段。,金屬：,半導體：,知識回顧,4.負電子親和勢材料，特點？,知識回顧,4.負電子親和勢材料，特點？,1、量子效率高 2、閾值波長延伸到紅外區(qū) 3、由于“冷”電子發(fā)射，能量分散小，在成象器件中分辨率極高 4、延伸的光譜區(qū)內(nèi)其靈敏度均勻,當負電子親和勢光電陰極受光照時，被激發(fā)的的電子在導帶內(nèi)很快熱化(約10-12s)并落入導帶底(壽命達

16、10-9s)。熱化電子很容易擴散到能帶彎曲的表面，然后發(fā)射出去，所發(fā)射光電子的能量基本上都等于導帶底的能量。,本章主要內(nèi)容： 3.1 陰極與陰極電子學 3.2 外光電效應 3.3 光電陰極 3.4光電管和光電倍增管,光電管主要由玻殼（光窗）、光電陰極和陽極三部分組成,PT內(nèi)可以抽成真空也可以充入低壓惰性氣體，有真空型和充氣型兩種。,(一). 光電管(PT),簡述真空型和充氣型兩種光電管的工作原理?,工作原理,0.2,0.6,0.4,0.8,1,25,20,15,10,5,0,5,6,4,3,2,1,i,P/lm,i/uA,(一). 光電管分類：反射型和透射型,光電倍增管是在光電管的基礎(chǔ)上研制出

17、來的一種真空光電器件，在結(jié)構(gòu)上增加了電子光學系統(tǒng)和電子倍系統(tǒng)，因此極大的提高了檢測靈敏度。,光電倍增管主要由入射窗口、光電陰極、電子光學系統(tǒng)、電子倍增系統(tǒng)和陽極五個主要部分組成。,(二). 光電倍增管(PMT),1光電倍增管的結(jié)構(gòu),為了使光電子能有效地被各倍增極電極收集并倍增，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。,最基本的方法是在陰極和陽極之間加上適當?shù)母邏海帢O接負，陽極接正，外部并接一系列電阻，使各電極之間獲得一定的分壓:,2. PMT的工作原理, 經(jīng)過倍增后的二次電子由陽極P收集起來，形成陽極光電流Ip，在負載RL上產(chǎn)生信號電壓0。, 光子透過入射

18、窗口入射在光電陰極K上, 光電陰極K受光照激發(fā)，表面發(fā)射光電子, 光電子被電子光學系統(tǒng)加速和聚焦后入射到第一倍增極D1上，將發(fā)射出比入射電子數(shù)更多的二次電子。入射電子經(jīng)N級倍增后，光電子數(shù)就放大N次,端窗式,側(cè)窗式,(1). 入射窗口,側(cè)窗型（sideon）: 從側(cè)面接收入射光。 使用不透明光陰極（反射式光陰極），數(shù)百元一只。,端窗型（headon）： 從頂部接收入射光。 入射窗的內(nèi)表面上沉積了半透明的光陰極（透過式光陰極），數(shù)千元一只。,a. 窗口形式,b.常用的窗口材料,硼硅玻璃:透射范圍從300nm到HW,透紫外玻璃優(yōu)點:紫外短波透射截止波長可延伸到250nm,熔融石英（二氧化硅）優(yōu)點:

19、在遠紫外區(qū)有相當好的透過率，短波截止波長可達到160nm,藍寶石(Al2O3晶體)特點是:紫外透過率處于熔融石英和透紫外玻璃之間，紫外截止波長可以達到150nm。,無毒、抗酸、抗堿，用于軍事和航空,1) 使光電陰極發(fā)射的光電子盡可能全部匯聚到第一倍增極上。,(2).電子光學系統(tǒng),電子光學系統(tǒng):陰極到倍增系統(tǒng)第一倍增極之間的電極空間.包括:光電陰極、聚焦極、加速極及第一倍增極。,電子光學系統(tǒng)的主要作用有兩點,2) 使陰極面上各處發(fā)射的光電子在電子光學系統(tǒng)中渡越的時間盡可能相等，這樣可以保證光電倍增管的快速響應。,(3)電子倍增極,倍增系統(tǒng)是由許多倍增極組成，每個倍增極都是由二次電子倍增材料構(gòu)成的

20、，具有使一次電子倍增的能力。,當具有足夠動能的電子轟擊倍增極材料時，倍增極表面將發(fā)射新的電子。稱入射的電子為一次電子，從倍增極表面發(fā)射的電子為二次電子,(a) 二次電子發(fā)射原理,把二次發(fā)射的電子數(shù)N2與入射的一次電子數(shù)Nl的比值定義為該材料的二次發(fā)射系數(shù),什么是一次和二次電子？,增大Ep，值反而下降,隨Ep增大而增大,3) 到達界面的內(nèi)二次電子中能量大于表面勢壘的電子發(fā)射到真空中，成為二次電子。,二次電子發(fā)射過程三個階段,2) 內(nèi)二次電子中初速指向表面的那一部分向表面運動,1) 材料吸收一次電子的能量，激發(fā)體內(nèi)電子到高能 態(tài)，這些受激電子稱為內(nèi)二次電子；,光電倍增管中的倍增極一般由幾級到十五級

21、組成。根據(jù)電子的軌跡又可分為聚焦型和非聚焦型兩大類。,(3)倍增極結(jié)構(gòu),聚焦不是指使電子束會聚于一點，而是指電子從前一級倍增極飛向后一級倍增極時，在兩電極間的電子運動軌跡，可能有交叉。非聚焦則是指在兩電極間的電子運動軌跡是平行的,倍增極結(jié)構(gòu)形式:,鼠籠式,結(jié)構(gòu)特點：瓦片，沿 圓周排列,性能特點：聚焦性能 好，增益高,光電倍增管中的倍增極一般由幾級到十五級組成。根據(jù)電子的軌跡又可分為聚焦型和非聚焦型兩大類。,(3)倍增極結(jié)構(gòu),聚焦不是指使電子束會聚于一點，而是指電子從前一級倍增極飛向后一級倍增極時，在兩電極間的電子運動軌跡，可能有交叉。非聚焦則是指在兩電極間的電子運動軌跡是平行的,倍增極結(jié)構(gòu)形式:,鼠籠式,結(jié)構(gòu)特點：瓦片，沿 軸排列,性能特點：聚焦性能 好，增益高,直列式,光電倍增管中的倍增極一般由幾