光電發(fā)射器件

光電發(fā)射器件第一頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日5.1光電發(fā)射效應(yīng)當(dāng)光照射到某種物質(zhì)時(shí)，若入射的光子能量hv足夠大，它和物質(zhì)中的電子相互作用，致使電子逸出物質(zhì)表面，這種現(xiàn)象稱為光電發(fā)射效應(yīng)，又稱為外光電效應(yīng)。能產(chǎn)生光電發(fā)射效應(yīng)的物體，稱為光電發(fā)射體，在光電管中稱為光陰極。光電子發(fā)射過程包括以下幾個(gè)階段：（1）光電發(fā)射體中的電子吸收入射光光子能量后其能量增大；（2）受激電子（得到光子能量的電子）從發(fā)射體內(nèi)向真空界面運(yùn)動(dòng)；（3）電子越過發(fā)射體表面勢(shì)壘向真空（或其它介質(zhì)）中逸出。但是電子從吸收光子能量到逸出發(fā)射體表面的時(shí)間是很短的，這個(gè)時(shí)間約為10-12s。

第二頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日光電發(fā)射基本定律斯托列托夫定律（光電發(fā)射第一定律）：當(dāng)入射輻射的光譜分布不變時(shí)，發(fā)射的飽和光電流I與入射的幅通量（或光強(qiáng)）Φ成正比：I=SKΦ

愛因斯坦定理（光電發(fā)射第二定律）：發(fā)射的光電子的最大動(dòng)能隨入射光子光頻率的增加而線性地增加，而與入射光地強(qiáng)度無關(guān)：第三頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日一、光電發(fā)射材料分為三類：純金屬材料、表面吸附一層其它元素原子的金屬和半導(dǎo)體材料。光電發(fā)射材料應(yīng)具備的條件：1、光吸收系數(shù)大；2、光電子在體內(nèi)傳輸過程中受到的能量的損失小，使其逸出深度大；3、表面勢(shì)壘低，使表面逸出幾率大。金屬不能作為光電發(fā)射材料原因：半導(dǎo)體作為光電發(fā)射材料；負(fù)親和勢(shì)光電陰極。第四頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日(a)金屬光電子發(fā)射體(b)具有正電子親和勢(shì)的半導(dǎo)體光電子發(fā)射體(c)具有負(fù)電子親和勢(shì)的半導(dǎo)體光電子發(fā)射體第五頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日（一）常用的經(jīng)典發(fā)射材料1、銀氧銫陰極兩個(gè)峰值：可見和紅外，量子效率低，暗電流大；2、銻銫陰極量子效率高，光譜響應(yīng)窄，對(duì)紅光和紅外不靈敏；3、多堿光電陰極（響應(yīng)度高）(1)銻鉀鈉陰極（2）銻鉀鈉銫陰極4、紫外光電陰極（碲化銫）第六頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日（二）負(fù)電子親和勢(shì)材料表面區(qū)域能帶彎曲，真空能級(jí)降到導(dǎo)帶之下，從而使有效的電子親和勢(shì)為負(fù)值。與經(jīng)典的光電發(fā)射材料的區(qū)別：參與發(fā)射的電子是導(dǎo)帶的“熱化”電子或稱“冷”電子；NEA陰極中導(dǎo)帶的電子逸出真空不需作功；NEA是指在半導(dǎo)體內(nèi)的有效值。NEA陰極的特點(diǎn)：第七頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日第八頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日5.2光電管光電管分為真空型和充氣型兩種。在抽成真空或充以惰性氣體的玻璃泡內(nèi)，設(shè)置陽極和對(duì)光敏感的陰極，就構(gòu)成了真空光電管和充氣光電管。第九頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日5.3光電倍增管（PMT）光電倍增管把微弱入射光轉(zhuǎn)換成光電子，并獲得倍增的重要的真空光電發(fā)射器件。工作原理是建立在光電效應(yīng)、二次電子發(fā)射和電子光學(xué)的理論基礎(chǔ)上的。

（一）PMT的基本結(jié)構(gòu)與原理第十頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日5.3.1光電倍增管的結(jié)構(gòu)

光電倍增管主要由光入射窗口、光電陰極、電子光學(xué)輸入系統(tǒng)、二次發(fā)射倍增系統(tǒng)及陽極組成。第十一頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日側(cè)窗式：一般使用反射式光電陰極，大多數(shù)用于分光光度和光度測(cè)量中。端窗式：光電陰極沉積在入射窗的內(nèi)側(cè)面。為了使各處的靈敏度一致，陰極面做成半球狀。第十二頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日電子光學(xué)輸入系統(tǒng)主要起兩方面作用：一是使光電陰極發(fā)射的光電子盡可能全部會(huì)聚到第一倍增極上，而將其他部分的雜散熱電子散射掉，提高信噪比；二是使陰極面上各處發(fā)射的光電子在電子光學(xué)系統(tǒng)中渡越的時(shí)間盡可能相等，以保證光電倍增管的快速響應(yīng)。倍增系統(tǒng)必須有高的倍增效益，增益A由下式?jīng)Q定：

第十三頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日5.3.2PMT的基本特性參數(shù)1.靈敏度光譜響應(yīng)度陰極靈敏度陽極靈敏度2.放大倍數(shù)（電流增益）ε0為第一倍增極對(duì)陰極的電子收集效率，即光學(xué)系統(tǒng)的收集率；ε為倍增極間的傳遞效率；σ為次級(jí)發(fā)射系統(tǒng)的平均值；n為倍增極的級(jí)數(shù)。

第十四頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日3.暗電流Id光電陰極和第一倍增極的熱電子發(fā)射；極間漏電流；離子和光的反饋?zhàn)饔茫粓?chǎng)致發(fā)射；放射性同位素和宇宙射線的影響減少暗電流的方法：直流補(bǔ)償、選頻、鎖相放大、制冷、電磁屏蔽和磁場(chǎng)散焦。第十五頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日在低電壓時(shí)，暗電流由漏電流決定；電壓較高時(shí)，主要是熱電子發(fā)射；電壓再高，則導(dǎo)致場(chǎng)致發(fā)射和殘余氣體離子發(fā)射，使暗電流急劇增加，甚至可能發(fā)生自持放電。

第十六頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日暗電流的補(bǔ)償方法：1、直流補(bǔ)償2、選頻和鎖相放大3、致冷4、電磁屏蔽5、磁場(chǎng)散焦第十七頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日4.PMT的噪聲（散粒噪聲、閃爍噪聲。熱噪聲）5.時(shí)間特性和頻率響應(yīng)6.線性度：不僅與PMT的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，很大程度上取決于外部的高電壓供電電路及信號(hào)輸出電路。第十八頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日7、穩(wěn)定性（靈敏度的慢漂移，滯后效應(yīng)）8、最小可探測(cè)功率（NEP）9、伏安特性10、磁場(chǎng)特性11、空間均勻性(一些電子偏離設(shè)計(jì)軌道、加漫射器）12、偏振效應(yīng)第十九頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日慢漂移主要是由于最后幾級(jí)倍增極在大量電子轟擊下受損，引起二次發(fā)射系數(shù)變化。主要取決于陽極電流的大小。在PMT加上高壓或開始光照的短時(shí)間內(nèi)，陽極輸出電流存在短暫的不穩(wěn)定，電流可能比穩(wěn)定值大，也可能小。第二十頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日第二十一頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日5.3.3PMT的供電和信號(hào)輸出電路一、高壓供電1、供電電壓的極性（陽極接地、陰極接地）2、線性供電方式 （1）直流信號(hào) （2）脈沖信號(hào)3、高壓電源二、信號(hào)輸出1、負(fù)載電阻輸出2、運(yùn)放輸出第二十二頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日第二十三頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日第二十四頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日第二十五頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日1.分壓電路電壓不均勻分布時(shí)分壓器的設(shè)計(jì)原則：光電陰極K與第一倍增極D1間電壓要足夠高；中間相鄰間采用均勻分壓；最后三極間通常也加較高電壓。最后三級(jí)并聯(lián)電容的選取第二十六頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日2.供給電源（1）對(duì)電源的要求（2）PMT的饋電方法第二十七頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日2、PMT的輸出電路負(fù)載電阻輸出在頻響要求比較高的場(chǎng)合，負(fù)載電阻應(yīng)盡可能小一些。當(dāng)輸出信號(hào)的線性要求較高時(shí)，選擇的負(fù)載電阻應(yīng)使信號(hào)電流在它上面產(chǎn)生的壓降在幾伏以下。負(fù)載電阻應(yīng)比放大器的輸入阻抗小得多。運(yùn)算放大器輸出

第二十八頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日PMT的使用陽極電流IP隨入射光功率Ps的變化規(guī)律是：開始階段是線性增長(zhǎng)，當(dāng)Ps大到一定值時(shí)，IP增加緩慢，出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。這是由于光陰極受強(qiáng)光照射后發(fā)射電子的速率過高，內(nèi)部來不及重新補(bǔ)充電子，致使靈敏度下降（出現(xiàn)疲勞效應(yīng)）。在輕度疲勞時(shí)，若停止工作一段時(shí)間，可以恢復(fù)正常工作能力。但是太強(qiáng)的光照射會(huì)使光電倍增管損壞。所以，切忌過強(qiáng)的光照射。第二十九頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日PMT的應(yīng)用：PMT具有極高的靈敏度和快速響應(yīng)等特點(diǎn)，在精密測(cè)量中，正確使用PMT，應(yīng)注意：1、陽極電流不超過1A，可以減緩疲勞和老化效應(yīng)，減少負(fù)載電阻反饋和分壓器電壓的再分配效應(yīng)；2、電壓分壓器中流過的電流至少應(yīng)大于期望陽極電流的1000倍，即1mA；3、陰極和第一倍增極之間，以及末級(jí)倍增極和陽極之間的極間電壓應(yīng)設(shè)計(jì)得與總電壓無關(guān)；第三十頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日4、高壓電源得穩(wěn)定性必須為所需測(cè)量精度得10倍左右；5、輸出信號(hào)采用運(yùn)放作電流電壓變換，以獲得高得信噪比和好的線性；6、采取電磁屏蔽，最好使屏蔽筒與陰極處于相同的電位；7、應(yīng)貯存在黑暗中，使用前最好先接通高壓電源，在黑暗總存放幾小時(shí)；8、最好在光電陰極前放置優(yōu)質(zhì)的漫射器；10、不應(yīng)在He中使用。第三十一頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日應(yīng)用舉例：光子計(jì)數(shù)工作原理：光子計(jì)數(shù)器一般測(cè)量小于10-14W的連續(xù)弱輻射。假設(shè)為He－Ne激光，則發(fā)生光子速率Np＝10－14/hv=3.18*104/s第三十二頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日討論：PMT為何做成球面？如何選擇倍增極之間的極間電壓？光電發(fā)射和二次電子發(fā)射兩者有何不同？光電倍增管產(chǎn)生暗電流的原因有哪些？如何減少暗電流？光電倍增管采用負(fù)高壓供電或正高壓供電，各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？他們分別使用哪些情況下？現(xiàn)有12級(jí)倍增極的光電倍增管，若要求正常工作時(shí)放大倍數(shù)的穩(wěn)定度為1％，則電源電壓的穩(wěn)定度是多少？第三十三頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日光電倍增管(1)光電倍增管利用外光電效應(yīng)制成(2)結(jié)構(gòu)第三十四頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日光電倍增管(3)特點(diǎn)靈敏度高，適宜弱光信號(hào)；響應(yīng)時(shí)間極短；頻率特性較好，頻率可達(dá)106赫或更高；(4)缺點(diǎn)

需高壓直流電源、價(jià)貴體積大、經(jīng)不起機(jī)械沖擊等。第三十五頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日光敏電阻(1)結(jié)構(gòu)第三十六頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日光敏電阻(2)優(yōu)點(diǎn)光譜響應(yīng)相當(dāng)寬;

光敏電阻的靈敏域可在紫外光區(qū)，可見光區(qū)，也可在紅外區(qū)和遠(yuǎn)紅外區(qū)。所測(cè)的光強(qiáng)范圍寬;使用方便，成本低，穩(wěn)定性高，壽命長(zhǎng);靈敏度高，工作電流大，可達(dá)數(shù)毫安。(3)不足在強(qiáng)光照射下線性較差，頻率特性也較差。

第三十七頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日光電導(dǎo)攝像管(1)基本原理由半導(dǎo)體能帶理論可知，當(dāng)圖像的光子大量入射到半導(dǎo)體光電導(dǎo)材料上時(shí)，使大量的電子吸收能量進(jìn)入導(dǎo)帶，從而使其導(dǎo)電性能改善，電導(dǎo)率增加或電阻下降，形成了電子圖像信號(hào)。第三十八頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日光電導(dǎo)攝像管(2)組成：電子槍偏轉(zhuǎn)線圈光電導(dǎo)靶面第三十九頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日光電池（1）原理與結(jié)構(gòu)第四十頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日光電池（2）特性：波長(zhǎng)范圍:硅光電池為400—1100nm，峰值波長(zhǎng)在850nm附近；靈敏度：硅光電池為6-8毫安／流明；可靠性好，壽命也較長(zhǎng)；

體積小。第四十一頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日光敏二極管(1)結(jié)構(gòu)第四十二頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日光敏二極管(2)特性體積小，穩(wěn)定性好；靈敏度高，響應(yīng)速度快；易于獲得定向性；光譜響應(yīng)在可見和紅外區(qū)。第四十三頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日光敏二極管雪崩光敏二極管

頻率響應(yīng)很高，帶寬可達(dá)100GHz。是目前響應(yīng)最快的一種光敏二極管。適用于光纖通信、激光測(cè)距及其他微弱光的探測(cè)等。光敏二極管陣列

將光敏二極管以線列或面陣形式集合在一起，用來同時(shí)探測(cè)被測(cè)物體各部位提供的不同光信息，并將這些信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件。第四十四頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日象限探測(cè)器

象限探測(cè)器有二象限和四象限探測(cè)器，又分光電二極管象限探測(cè)器和硅光電池象限探測(cè)器。象限探測(cè)器是在同一塊芯片上制成兩或四個(gè)探測(cè)器，中間有溝道將它們隔開，因而這兩或四個(gè)探測(cè)器有完全相同性能參數(shù)。當(dāng)被測(cè)體位置發(fā)生變化時(shí)，來自目標(biāo)的輻射量使象限間產(chǎn)生差異，這種差異會(huì)引起象限間信號(hào)輸出變化，從而確定目標(biāo)方位，同時(shí)可起制導(dǎo)、跟蹤、搜索、定位等作用。第四十五頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日光敏三極管

結(jié)構(gòu)

第四十六頁，共五十頁，編輯于2023年，星期日光敏三極管

靈敏度比光敏二極管高，是光敏二極管的數(shù)十倍，故輸出電流要比光敏二極管大得多，一般為毫安級(jí)。但其它特性不如光敏二極管好，在較強(qiáng)的光照下，光電流與照度不成線性關(guān)系。頻率特性和溫度特性也變差，故光敏三極管多用作光電開關(guān)或光電邏輯元件。第四十七頁，共五十頁，編輯于