第5章真空光電器件-吳益根

1、第五章 真空光電器件,真空光電器件基于外光電效應(yīng)的光電探測(cè)器，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是有一個(gè)真空管，其它元件都放在真空管中。主要包括光電管和光電倍增管兩類(lèi)。 由于光電倍增管具有靈敏度高、響應(yīng)迅速等特點(diǎn)，在探測(cè)微弱光信號(hào)及快速脈沖弱光信號(hào)方面是一個(gè)重要的探查器件，因此廣泛應(yīng)用于航天、材料、生物、醫(yī)學(xué)、地質(zhì)等領(lǐng)域。,能夠產(chǎn)生光電發(fā)射效應(yīng)的物體稱(chēng)為光電發(fā)射體，光電發(fā)射體在光電器件中常作為陰極，所以稱(chēng)為光電陰極。 光電發(fā)射效應(yīng)-入射光輻射的光子能量足夠大時(shí)，它和金屬或半導(dǎo)體材料中的電子相互作用的結(jié)果使電子從物質(zhì)表面逸出，在空間電場(chǎng)的作用下就會(huì)形成電流。 光電發(fā)射體-能夠產(chǎn)生光電發(fā)射效應(yīng)的物體。,5.1 光電陰極,5

2、.1.1 光電陰極的主要參數(shù),1.靈敏度：主要分為三類(lèi),（1）光照靈敏度,在一定的白光照射下，光電陰極光電流與入射的白光光通量之比，也稱(chēng)為白光靈敏度或積分靈敏度。,（2）色光靈敏度,也就是局部波長(zhǎng)范圍的積分靈敏度。表示在某些特定的波長(zhǎng)區(qū)域，光電陰極光電流與入射光的白光光通量之比。 通過(guò)加濾光片來(lái)實(shí)現(xiàn)，比如藍(lán)光靈敏度、紅光靈敏度、紅外靈敏度等,（3）光譜靈敏度,確定波長(zhǎng)的單色光照射時(shí)，光電陰極光電流與入射的光通量之比。,2.量子效率,光電陰極受特定波長(zhǎng)的光照射時(shí)，該陰極所發(fā)射的光電子數(shù)與入射的光子數(shù)之比值，稱(chēng)為量子效率，用公式表示：,量子效率與光譜靈敏度之間的關(guān)系如下式；式中單位為nm；S()為

3、光譜靈敏度，單位為A/W。,3.光譜響應(yīng)曲線 光電陰極的光譜靈敏度或量子效率與入射光波長(zhǎng)的關(guān)系曲線，稱(chēng)為光譜響應(yīng)曲線。 4.熱電子發(fā)射 由于電子熱能較大而可能逸出陰極表面，而產(chǎn)生熱電子發(fā)射。室溫下典型陰極每秒每平方米發(fā)射的熱電子可形成10-1610-17A/m2的電流密度，這些熱發(fā)射電子會(huì)引起噪聲。,5.1.2 光電陰極的分類(lèi)：一般分為投射型與反射型兩種,透射型：,通常制作在透明介質(zhì)上，光通過(guò)透明介質(zhì)射向光電陰極，而光電子從光電陰極的另一面發(fā)射出去，所以又稱(chēng)為半透明光電陰極。,反射型：,由于光電子的逸出深度是有限的，因此所有半透明光電陰極都有一個(gè)最佳厚度。不透明陰極通常較厚，光照射到陰極上，電

4、子從同一測(cè)射出，所以不透明光電陰極又稱(chēng)為反射型陰極。,對(duì)陰極的厚度有要求,不能太厚,陰極一般較厚,5.1.3 常用的光電陰極材料,1.Ag-O-Cs 材料,2. 單堿銻化物,3. 多堿銻化物,具有良好的可見(jiàn)和近紅外響應(yīng) 透射型：3001200nm，反射型：3001100nm 在可見(jiàn)光區(qū)域靈敏度較低，所以主要用于近紅外探測(cè),紫外和可見(jiàn)光區(qū)的靈敏度最高 適合于測(cè)量較強(qiáng)的入射光,CsSb：,銻和某一種堿金屬的化合物,銻和多種堿金屬的化合物,具有高靈敏度的寬光譜響應(yīng)，紅外端可延伸到930nm，適用于寬帶光譜測(cè)量?jī)x。,4.負(fù)電子親合勢(shì)光電陰極 前面討論的常規(guī)光電陰極都屬于正電子親合勢(shì)（PEA）類(lèi)型，表面

5、的真空能級(jí)位于導(dǎo)帶之上。如果把半導(dǎo)體的表面作特殊處理，使表面區(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合勢(shì)變?yōu)樨?fù)值，經(jīng)過(guò)這種特殊處理的光電陰極稱(chēng)為負(fù)電子親合勢(shì)光電陰極（NEA）。 負(fù)電子親合勢(shì)材料制作的光電陰極與前述的正電子親合勢(shì)光電陰極相比，具有4個(gè)方面的特點(diǎn)。,特點(diǎn)：,1）量子效率高,-因其逸出深度高的多，如圖為GaAs,InGaAs,GaAsP等材料的光譜響應(yīng)曲線。他們?cè)诤軐挼墓庾V范圍內(nèi)光譜響應(yīng)曲線平坦。,2）光譜響應(yīng)率均勻，且光譜響應(yīng)延伸到紅外,正電子親合勢(shì)光電陰極的閾值波長(zhǎng)為,負(fù)電子親合勢(shì)光電陰極的閾值波長(zhǎng)為,3）熱電子發(fā)射小,與光譜響應(yīng)范圍相同的正電子親合勢(shì)的光電發(fā)射材

6、料相比，負(fù)電子親合勢(shì)的光電材料的禁帶寬度一般比較寬，所以熱電子不容易發(fā)射。,5.紫外光電陰極,-在某些應(yīng)用中，為了消除背景輻射的影響，要求光電陰極只對(duì)所探測(cè)的紫外輻射信號(hào)靈敏，而對(duì)可見(jiàn)光無(wú)響應(yīng)，這種陰極通常稱(chēng)為“日”盲型光電陰極,CsTe(長(zhǎng)波限0.32m） CsI（長(zhǎng)波限0.2m),目前比較常用的有：,4）光電子的能量集中,當(dāng)負(fù)電子親合勢(shì)光電陰極受光照時(shí)，被激發(fā)的電子在導(dǎo)帶內(nèi)很快熱化并落入導(dǎo)帶底，熱化電子很容易擴(kuò)散到達(dá)能帶彎曲的表面，然后發(fā)射出去，所以其光電子能量基本上等于導(dǎo)帶底的能量。,5.2 光電管與光電倍增管,5.2.1 光電管,真空型,充氣型：有倍增作用,光電管主要由玻管（光窗）、光

7、電陰極和陽(yáng)極三部分組成。下圖為工作電路和結(jié)構(gòu)示意圖。 因光電管內(nèi)有抽成真空或充入低壓惰性氣體，所以又真空型和充氣型兩種。 真空光電管的工作原理是：當(dāng)入射的光線從光窗照射到光電陰極上時(shí)，后者就發(fā)射光電子，光電子在電場(chǎng)的作用下被加速，并被陽(yáng)極收集，形成的光電流的大小主要由陰極靈敏度和光照強(qiáng)度等決定。 在充氣光電管中，光電陰極產(chǎn)生的光電子在加速向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)中與氣體原子碰撞而使后者發(fā)生電離，電離產(chǎn)生的新電子數(shù)倍于原光電子，因此在電路內(nèi)形成數(shù)倍于真空管的光電流。,5.2.2 光電倍增管,光電倍增管實(shí)物圖和結(jié)構(gòu)如下圖所示，光電倍增管主要由入射窗口、光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、電子倍增系統(tǒng)和陽(yáng)極5個(gè)組要部分組成,

8、光電倍增管-是在光電管的基礎(chǔ)上研制出來(lái)的一種真空光電器件，由于在結(jié)構(gòu)上增加了電子光學(xué)系統(tǒng)和電子倍增極，因此極大地提高了檢測(cè)靈敏度。,每一倍增極之間的電壓為50-150V。 每7-10個(gè)光子從光電陰極發(fā)射出1-3個(gè)電子。 電子被加速打在倍增極上，每1個(gè)電子可以打出3-6個(gè)電子。 一直持續(xù)下去直到最后一個(gè)倍增極,電子數(shù)量達(dá)到105-108， 最后這些電子被吸引到陽(yáng)極形成電流輸出。電流的大小正比于光陰極接受的光子數(shù)目，即正比于探測(cè)器吸收的輻射通量或照度。,工作原理,1.入射窗口,1）窗口形式,反射式光電陰極,透射式光電陰極,-決定了入射光的透過(guò)情況,光電倍增管的光窗是入射光的通道，光窗材料對(duì)光的吸收

9、與波長(zhǎng)有光，波長(zhǎng)越短吸收越多。光窗通常有側(cè)窗和端窗兩種類(lèi)型。側(cè)窗式是通過(guò)管殼的側(cè)面接收入射光，端窗是通過(guò)端面接收入射光。,2）常用的窗口材料 光電倍增管常用的窗口材料有硼硅玻璃、 透紫外玻璃、熔融石英、藍(lán)寶石和MgF2 它們的透射率如右圖所示，下面簡(jiǎn)單討論 這些材料的特性。 硼硅玻璃：透射范圍從300nm紅外。 透紫外玻璃：可透過(guò)的最短波長(zhǎng)為185nm，但化學(xué)穩(wěn)定性較差 熔融石英：可透過(guò)的最短波長(zhǎng)為160nm 藍(lán)寶石：可透過(guò)的最短波長(zhǎng)為150nm MgF2: 可透過(guò)的最短波長(zhǎng)為115nm,2. 電子光學(xué)系統(tǒng),是指：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

10、。,作用： 使光電子盡可能的匯集到第一倍增極上，而將其他部分的雜散熱電子散射掉，提高信噪比。 盡量使電子的渡越時(shí)間相同，這樣可以保證光電倍增管的快速響應(yīng)。,3. 電子倍增極,1）二次電子發(fā)射原理,二次電子發(fā)射系數(shù),當(dāng)具有足夠動(dòng)能的電子轟擊倍增極材料 時(shí)，倍增極表面將發(fā)射新的電子。稱(chēng)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。為了表征材料發(fā)射電子的能力，用右邊系數(shù)表示。 二次電子發(fā)射過(guò)程可以分為3個(gè)階段：,倍增系統(tǒng)是由許多倍增極組成的綜合體，每個(gè)倍增極都是有二次電子材料構(gòu)成的，具有使一次電子倍增的能力。,材料吸收一次電子的能量，躍遷到高能態(tài)，脫離原子的速縛，稱(chēng)為內(nèi)二次電子 內(nèi)二次電子

11、中速度指向表面的電子向表面運(yùn)動(dòng) 穿過(guò)表面勢(shì)壘區(qū)發(fā)射到真空中,一般為3-6個(gè) 可達(dá)20-25個(gè),N1入射光子數(shù) N2出射光電數(shù),2）倍增極材料 大致可以分為以下4類(lèi) 主要銀氧和銻銫兩種化合物，它們即可做光電發(fā)射材料，也可做二次電子發(fā)射材料 氧化物型，氧化鎂、氧化鋇 合金型，銀鎂、鋁鎂、銅鎂、銅鈹 負(fù)電子親合勢(shì)材料，如銫激活的磷化鎵,3）倍增極結(jié)構(gòu),有聚焦型和非聚焦型兩大類(lèi)。 聚焦型- 鼠籠式、盒柵式、直線聚焦式 非聚焦型- 百葉窗式、近貼柵網(wǎng)式、微通道板式,4. 陽(yáng)極,陽(yáng)極的作用是收集從末級(jí)倍增極發(fā)射出的二次電子。最簡(jiǎn)單常用的陽(yáng)極是柵狀陽(yáng)極，他的輸出電容小，陽(yáng)極附近也不易產(chǎn)生空間電荷效應(yīng)。 光電

12、倍增管的工作原理：1.光子透過(guò)入射窗口入射在光電陰極K上2.光電陰極受光照激發(fā)，表面發(fā)射光電子3.光電子被電子光學(xué)系統(tǒng)加速和聚集后入射到第一倍增極D1上，倍增極將發(fā)射出比入射電子數(shù)目更多的二次電子。入射電子經(jīng)N級(jí)倍增極倍增后，光電子數(shù)就放大N次4.經(jīng)過(guò)倍增后的二次電子由陽(yáng)極P收集起來(lái)，形成陽(yáng)極光電流Ip，在負(fù)載上產(chǎn)生信號(hào)電壓Uo,1. 靈敏度 1）光譜響應(yīng) 陰極的光譜靈敏度取決于光電陰極和窗口的材料的性質(zhì)。陽(yáng)極的光譜靈敏度等于陰極的光譜靈敏度與光電倍增管放大系數(shù)的乘積。 2）陰極靈敏度 陰極的光照靈敏度定義為光陰極輸出電流與入射光 通量之比 陰極光照靈敏度測(cè)試所用的光源為色溫2856K的鎢絲白

13、熾燈，因此陰極單色靈敏度又稱(chēng)為陰極白光靈敏度。,5.3 光電倍增管的主要特性參數(shù),3）陽(yáng)極光照靈敏度,陽(yáng)極光照靈敏度表示光電倍增管在接收分布溫度為2856K的光輻射時(shí)，陽(yáng)極輸出信號(hào)電流與入射到陰極上的光通量之比,2. 放大倍數(shù)（增益）,二次電子發(fā)射系數(shù)與極間電壓的關(guān)系,C是常數(shù) k一般為0.70.8,設(shè)第一，第二、第三、第N極的倍增系數(shù)分別為：,且電子光學(xué)系統(tǒng)的電子收集率為：,則陽(yáng)極光電電流和陰極電流的關(guān)系為,設(shè)各倍增系數(shù)都為,則：,3. 暗電流,正常工作狀態(tài)下,但無(wú)信號(hào)光照的情況下,陽(yáng)極的電流輸出叫暗電流；分為三類(lèi)：,（1）陰極的熱電子發(fā)射是主要原因。 只能通過(guò)降低陰極溫度來(lái)減弱。,（2）支

14、撐電極的絕緣體的漏電。保持清潔,（3）高壓電場(chǎng)產(chǎn)生離子反饋,進(jìn)而形成光反饋,4.噪聲,光電倍增管的噪聲主要有光電器件本身的散粒噪聲和熱噪聲、負(fù)載電阻的熱噪聲、光電陰極和倍增極發(fā)射時(shí)的閃爍噪聲等。,致冷對(duì)降低噪聲很有效，使用致冷方法是必須注意以下幾個(gè)問(wèn)題：,光電陰極的光譜響應(yīng)曲線會(huì)隨溫度而變化，光電儀器定標(biāo)時(shí)的工作溫度必須和測(cè)量溫度相同 光電陰極（如CsSb)的電阻會(huì)隨溫度下降而很快增加，結(jié)果光電流改變了陰極的電位分布，從而影響第一倍增極的光電子收集效率 冷卻時(shí)要防止光入射窗上凝結(jié)水汽，引起入射光線的散射，同樣在管座上也易引起高壓擊穿和漏電流 致冷溫度不能過(guò)低，否則可能會(huì)引起陰極和倍增極材料的損

15、壞，或者是玻殼封結(jié)處裂開(kāi),5. 伏安特性,2）陽(yáng)極伏安特性曲線,相應(yīng)于不同輻射通量值的陽(yáng)極伏安特性示于圖中，它表示陽(yáng)極電流 IP 對(duì)于最后一級(jí)倍增極和陽(yáng)極間的電壓U的關(guān)系。如右下圖可知，當(dāng)陽(yáng)極電壓大于一定值后陽(yáng)極電流趨向飽和，與入射到陰極面上的光通量成線性關(guān)系。,1）陰極伏安特性曲線,它表示陰極電流 IK 與陰極與第一倍增極之間電壓的關(guān)系。如由上圖所示，當(dāng)陰極電壓大于一定值后，陰極電流開(kāi)始趨向飽和，與入射光通量成線性關(guān)系。,7. 穩(wěn)定性,光電倍增管具有很寬的動(dòng)態(tài)范圍，能夠在很大光強(qiáng)度變化范圍內(nèi)保持線性。但如果入射光強(qiáng)過(guò)大，輸出信號(hào)電流就會(huì)偏離理想的線性。這主要是由光電倍增管的陽(yáng)極線性特性引起的

16、；如果工作電壓時(shí)恒定的，陰極和陽(yáng)極的線性就僅僅取決于電流值，與入射光的波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。,6. 線性,8. 滯后效應(yīng),光電倍增管的穩(wěn)定性是指在恒定光照情況下，陽(yáng)極電流隨時(shí)間的變化。光電倍增管的穩(wěn)定性與工作電流、極間電壓、運(yùn)行時(shí)間、環(huán)境條件和光照情況等許多因素有關(guān)。 當(dāng)入射光或者所加電壓以階躍函數(shù)變化時(shí)，光電倍增管并不能輸出完全相同的階躍函數(shù)信號(hào)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“滯后”。滯后效應(yīng)主要是由于電子偏離設(shè)計(jì)的軌跡及倍增極的陶瓷支架和玻殼等靜電作用引起的。,9. 時(shí)間特性 光電倍增管的時(shí)間響應(yīng)主要是由從光陰極發(fā)射光電子、經(jīng)過(guò)倍增極放大到達(dá)陽(yáng)極的渡越時(shí)間，以及由每個(gè)光電子之間的渡越時(shí)間差決定的。光電倍增管的時(shí)間響應(yīng)

17、通常用陽(yáng)極輸出脈沖的上升時(shí)間、下降時(shí)間、電子的渡越時(shí)間離散來(lái)表示。 10. 磁場(chǎng)特性 幾乎所有的光電倍增管都會(huì)受到周?chē)h(huán)境磁場(chǎng)的影響。磁場(chǎng)會(huì)使本來(lái)由靜電場(chǎng)確定的電子軌跡產(chǎn)生偏移。這種現(xiàn)象在陰極到第一倍增區(qū)域最為明顯，因?yàn)樵谶@一區(qū)域，電子路徑最大。在磁場(chǎng)的作用下電子運(yùn)動(dòng)偏離正常軌跡，引起光電倍增管靈敏度下降，噪聲增加。,5.4 光電倍增管的供電和信號(hào)輸出電路,5.4.1 高壓電源,為了使光電倍增管能正常工作，通常在陰極（K）和陽(yáng)極（P）之間加上近千伏的高壓。為保證光電子能被有效地收集，光電流通過(guò)倍增管系統(tǒng)能得到有效放大，還需將高壓在陰極、聚焦極、倍增極和陽(yáng)極之間按一定規(guī)律進(jìn)行分配。 從光電倍增管

18、的工作原理可知，它必須工作在高壓狀態(tài)下，而且光電倍增管對(duì)高壓電源的穩(wěn)定性要求比較高。在精密的光輻射測(cè)量中，通常要求穩(wěn)定度在0.01%0.05%之間。 目前，光電倍增管常用的一種體積小巧的高壓電源模塊，如左下圖所示。調(diào)節(jié)控制端的電阻或電壓值，輸出的電壓可以在-200-1200V之間變化，如右下圖所示。,1.定義 光電倍增管工作時(shí)，需要在陰極和陽(yáng)極之間加上500-1000V的高壓。該高壓將以適當(dāng)?shù)谋壤峙浣o聚焦極、倍增極和陽(yáng)極，保證光電子能被有效地收集，光電流通過(guò)倍增系統(tǒng)得到放大。實(shí)際應(yīng)用中各級(jí)間的電壓都是由連接于陽(yáng)極與陰極之間的分壓電阻所得到的，這一電路被稱(chēng)為高壓分壓電路。 2. 分壓電路的接地

19、方法 高壓分壓電路的接地方式有陽(yáng)極接地和陰極接地兩種方式。 多數(shù)情況下采用陽(yáng)極接地、陰極接負(fù)高壓的方式，如圖所示。此方案消除了外部電路域陽(yáng)極之間的電壓差，便于電流計(jì)或電流-電壓轉(zhuǎn)換運(yùn)算放大器直接與光電倍增管相連接。,5.4.2 高壓分壓電路,陰極K,A陽(yáng)極,D2,E,D3,D1,D4,D5,R6,R3,R2,R1,R4,R5,IP,A,5.4.3 分壓電流與輸出線性的關(guān)系,流經(jīng)分壓電路的電流被稱(chēng)為分壓電流，該電流與光電倍增管輸出電流的線性有著密切關(guān)系。如圖所示，入射到光電倍增管陰極的光通量與陽(yáng)極電流的理想線性關(guān)系從一個(gè)特定的電流值（B段）開(kāi)始發(fā)生變化，并最終使光電倍增管的輸出飽和（C段）。,1

20、.直流信號(hào)工作時(shí)的線性,A段：,當(dāng)入射光比較弱時(shí)，流經(jīng)各分壓電阻的電流差別不大，所以此時(shí)成線性,B段：,當(dāng)入射光再增強(qiáng)，前面幾級(jí)所分得的電壓明顯增大，使它們的二次電子發(fā)射系數(shù)增大，而這種改變又一步步的被放大，所以使輸出電流的放大倍數(shù)增大,C段：,當(dāng)入射光再增強(qiáng)，用電器上的電壓降比較大，使最后一級(jí)與陽(yáng)級(jí)之間的電壓被顯著降低，使電子的收集率大大降低，從而進(jìn)入飽和區(qū),一般光電流的最大直流輸出為分壓電流的1/201/50，從而使光電流的改變不能對(duì)各分壓電阻上的電壓造成顯著的影響,要增大線性輸出范圍，通常采用兩種方法：,1.減小分壓電阻的阻值來(lái)增加分壓電流 2.在最后一倍增極和陽(yáng)極之間使用一只齊納二極管

21、，如右圖所示。如果必要倒數(shù)第二、第三極也可以使用齊納二極管。,2. 脈沖信號(hào)工作時(shí)的線性,脈沖電流輸出、電流變化輔值大，對(duì)分壓電路要求高。當(dāng)光電倍增管處于脈沖工作狀態(tài)時(shí)，在分壓器最后幾級(jí)電阻上并聯(lián)去耦電容，如左下圖所示。使用去耦電容，可以是串聯(lián)方式，也可以是并聯(lián)方式，如右下圖所示。,5.4.4 信號(hào)輸出方式,1. 用負(fù)載電阻實(shí)現(xiàn)電流-電壓轉(zhuǎn)換,在頻率響應(yīng)要求比較高的場(chǎng)合，負(fù)載電阻應(yīng)盡量可能小一些 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)電流在它上面的電壓降在幾伏以下 負(fù)載電阻應(yīng)比放大器的輸入阻抗小得多,如左圖所示，電路的負(fù)載電阻為Rl，光電倍增管的輸出電容為Cs，那么截止頻率為：,要

22、確定一個(gè)最佳的負(fù)載電阻值，還必須考慮連接到光電倍增管上的放大器的輸入阻抗Rin。因?yàn)楣怆姳对龉艿挠行ж?fù)載電阻R0為Rl和Rin的并聯(lián)，所以R0的阻值要小于Rl。 分析可知，選擇負(fù)載電阻時(shí)要注意以下3個(gè)方面,2. 用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)電流-電壓轉(zhuǎn)換,上左圖為一個(gè)由運(yùn)算放大器構(gòu)成的電流-電壓轉(zhuǎn)換電路。由于運(yùn)算放大器的輸入阻抗非常高，光電倍增管的輸出電流被阻隔在運(yùn)算放大器的反相輸入端外。因此，大多數(shù)的輸出電流流過(guò)反饋電阻Rf，這樣一個(gè)值為IpRf電壓就分配在Rf上。另一方面，運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)增益高達(dá)10的5次方，其反相輸入端的電位與正相輸入端的電位保持相等。因此，運(yùn)算放大器的輸出電壓 為了防止光電倍增管輸出端發(fā)出高壓，采用由上圖所示的由一只電阻Rp和二極管VD1及VD2組成的保護(hù)電路可以防止前置放大器被損壞。這兩個(gè)二極管應(yīng)有最小的漏電流和結(jié)電容，通常采用一個(gè)