光电子发射探测器.ppt

第三章光电探测器 3.1 光电探测器的物理基础 3.2 光电子发射探测器 3.3 光电导探测器 3.4 光伏探测器 3.5 热电探测器 3.6 光电成像器件 3.7 各类光电探测器的性能 及应用比较 1 3.2 光电子发射探测器 真空光电器件是基于外光电效应的光电探测器 。 滨淞光子 （Hamamatsu） R3896光电倍增管 2 真空光电器件 光电管 光电倍增管 特点：灵敏度高、稳定性好、响应速度快 和噪声小。 缺点：结构复杂，工作电压高，体积大。 3 3.2.1半导体的光电子发射 1.费米能级、真空能级、逸出功 2.金属材料与半导体材料的光电子发射比较 1）反射系数小，吸收系数大； 2）光电子运动中能量损失小，补充容易； 3）存在大量发射中心； 4）逸出功小。 3.电子亲和势、半导体材料的逸出功（i，n，p） 4.半导体光电发射的三个步骤 4 3.2.2光电阴极 一、光电阴极的主要参数 1.灵敏度 光谱灵敏度：光电阴极对于一定波长辐射 光的灵敏度就称为光谱灵敏度。 光照灵敏度：对于复合光(或称白光)的灵敏 度就称为积分灵敏度(通常光照灵敏皮就是 指积分灵敏度)。 5 .量子效率 它表示一定波长的光子入射到光电阴极时，该阴 极所发射的光电子数Ne()与入射的光子数Np()之 比。也称量子产额Q()。 3.光谱响应曲线 .热电子发射： 引起暗电流和暗噪声，从而限制探测灵敏度 。 6 1.银氧铯(Ag-O-Cs)光电阴极 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100C； 暗电流大。 二、常规光电阴极 7 2.单碱锑化物光电阴极 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1525，长波限为：600nm。广泛用于紫外和可 见光区的光电探测器中。 3.多碱锑化物光电阴极 当锑和几种碱金属形成化合物时，具有更高的响应率。 长波限可达930nm，扩展到近红外。 8 4.紫外光电阴极 通常来说对可见光灵敏的光电阴极对紫外光也有较 高的量子效率。有时，为了消除背景辐射的影响，要 求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。 紫外光电阴极 碲化铯(CsTe, 320nm，峰值波长250nm，量子效率： 12.4) 碘化铯(CsI, 200nm，峰值波长120nm，量子效率： 20) 9 三、负电子亲和势光电阴极 常规的光电阴极属于正电子亲和势(PEA)类型， 即表面的真空能级位于导带之上。 如果给半导体的表面作特殊处理，使表面区域能 带弯曲，真空能级降低到导带之下，从而使有效的电 子亲和势为负值，经过特殊处理的阴极称作负电子亲 和势光电阴极(NEA)。 10 EA1 Eg1 Eg2 EA2 Ev1 Ec1 E0 Ec2 Ev2 Si Cs2O 对于P型Si的发射阈值是Ed1=EA1+Eg1,电子进入导 带后需要克服亲和势EA1才能逸出表面。由于表 面存在n型薄层，使耗尽区的电位下降，表面电 位降低Ed。光电子在表面受到耗尽区电场的作用 。 1.原理 11 Ev1 EC1 Ef EAe E0 Ed EA2 Ev2 + + + - - - Si-CsO2光电阴极：在p型Si 基上涂一层金属Cs，经过特 殊处理而形成n型Cs2O。 在交界区形成耗尽层，耗尽 区的电位下降Ed,造成能带弯 曲。 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EA2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EdEA2,这样就形成了负电子亲和势 。 12 2.与正电子亲和势阴极的区别 1）参与发射的电子是导带的热化电子，或 称为“冷”电子； ）NEA阴极中导带的电子逸入真空不需 作功。 13 3.特点 1）高吸收，低反射性质； 2）高量子效率，50%60%, 长波到达9%; 3）光谱响应可以达到1m以上； 4）冷电子发射光谱能量分布较集中，接近高斯分布 5）光谱响应平坦； 6）暗电流小； 7）在可见、红外区，能获得高响应度； 8）工艺复杂，售价昂贵。 14 3.2.2 光电管与光电倍增管的工作原理 一、真空光电管 1、结构与工作原理 真空光电管 由玻壳、光 电阴极和阳 极三部分组 成 。 15 光电阴极即半导体光电发射材料，涂于玻壳 内壁，受光照时，可向外发射光电子。 阳极是金属环或金属网，置于光电阴极的对 面，加正的高电压，用来收集从阴极发射出来 的电子。 2.特点：光电阴极面积大，灵敏度较高，一般 积分灵敏度可达20200A/lm；暗电流小，最 低可达10-14A；光电发射弛豫过程极短。 3.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 16 国产光电管的技术参数国产光电管的技术参数 17 光电管实物 18 二、光电倍增管 1.光电倍增管组成 光电倍增管由光窗、光电阴极、电子光学系统、电子 倍增系统和阳极五个主要部分组成。 19 20 2.工作原理 入入 射射 光光 阴极阴极KK 第第 一一 倍倍 增增 极极 第第 二二 倍倍 增增 极极 第第 三三 倍倍 增增 极极 第第 四四 倍倍 增增 极极 阳极阳极A A 21 1）光子透过入射窗口入射在光电阴极上; 2）光电阴极上的电子受光子激发，离开表面发射到 真空中; 3）光电子通过电场加速和电子光学系统聚焦入射到 第一倍增级上，倍增级将发射出比入射电子数目更多 的二次电子。入射电子经N级倍增极倍增后，光电子 就放大N次； 4）经过倍增后的二次电子由阳极收集，形成阳极光 电流。 22 23 24 3.光电阴极结构和入射窗口 25 硼硅玻璃（无钾玻璃） 这是一种常用的玻璃材料，可以透过从近红外至300nm 的入射光，但不适合于紫外区的探测。无钾玻璃中只有 极低含量的钾，其中的K40会造成暗计数。所以通常用 于闪烁计数的光电倍增管不仅入射窗，而且玻璃侧管也 使用无钾玻璃，就是为了降低暗计数 透紫玻璃（UV玻璃） 这种玻璃材料就象其名字所表达的那样，可以很好地透 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。 窗口材料 26 合成石英 合成石英可以将透过的紫外光波长延伸至160nm，并且在 紫外区比熔融石英玻璃有更低的吸收。合成石英材料的膨 胀系数与芯柱用玻璃的膨胀系数有很大差别，所以，用热 膨胀系数渐变的封接材料与合成石英逐渐过渡。因此，此 类光电倍增管的强度易受外界震动的破坏，使用中要采取 足够的保护措施。 氟化镁（镁氟化物） 该材料具有极好的紫外线透过性，但同时也有易潮解的不 利因素。尽管如此，氟化镁仍以其接近115nm的紫外透过 能力而成为一种实用的光窗材料。 27 4.电子光学系统 作用是适当设计的电极结构，使前一级发射出来的电子 尽可能没有散失地落到下一个倍增极上，也就是使下一 级的收集率接近于1；并使前一级各部分发射出来的电 子，落到后一级上所经历的时间尽可能相同，即渡越时 间零散最小。 28 5.电子倍增极 1）二次电子发射：具有足够动能的电子轰击某些材料时 ，材料表面将发射新的电子。 2）二次发射系数：二次发射的电子数N2与入射的一次电 子数N1的比值。 3）常用的倍增极材料： 锑化铯、氧化银镁合金、铜铍合金 29 4）倍增级结构 园型鼠笼型 主要应用于侧窗型光电倍增管。其主要特点 为紧凑的结构和快速时间响应特性。 30 直线聚焦型 直线聚焦型因其极快的时间响应而被广泛地应用于要 求时间分辨和线性脉冲研究用的端窗型光电倍增管中 。 31 盒网型 这种结构包括了一系列的四分之一圆柱 形的倍增极，并因其相对简单的倍增极结构和一致性 的改良而被广泛地应用于端窗型光电倍增管，但在一 些应用中，其时间响应可能略显缓慢。 32 百叶窗型 百叶窗型结构因倍增极可以较大而被用于大阴极的光 电倍增管中，其一致性较好，可以有大的脉冲输出电 流。这种结构多用于不太要求时间响应的场合。 33 微通道板（MCP）型 MCP是上百万的微小玻璃管（通道）彼此平行地集成为 薄形盘片状而形成。每个