光电发射器件课件

1、光电发射器件光电发射器件主要内容外光电效应光电发射器件光电发射阴极光电管光电倍增管外光电效应内光电效应外光电效应 光电发射效应 在光照下，物体向表面以外的空间发射电子的现象，称为光电发射效应。 光子能量被电子吸收后，能量转化为电子逸出功 和动能 ，即： 逸出物体表面电子具有的动能 光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功。 多发生于金属和金属氧化物表面，且是瞬间发生的，滞后时间不超过 s光电导效应光伏效应ekekehe910外光电效应外光电效应 光电发射效应 逸出物体表面电子具有的动能 当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比 不同的材料有不同的逸出功，对某种材

2、料而言有一个频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，也不能激发电子，此频率限称为“红限”，其临界波长 为： kehek/khc e基于外光电效应的光电器件：光电管、光电倍增管外光电效应光电发射的基本过程u（1）对光子的吸收 光射入物体后，物体中的电子吸收光子能量，从基态跃迁到能量高于真空能级（真空中自由电荷的最小能量）的激发态。u（2）光电子向表面的运动 受激电子从受激地点出发向表面运动，在此过程中因与其他电子或晶格发生碰撞而损失部分能量u（3）克服表面势垒逸出材料表面 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，即可从表面逸出光电发射器件光电发射

3、器件真空光电器件充气光电器件光电管光电发射器件真空光电器件充气光电器件光电管被半导体光电器件取代极高灵敏度106快速响应ps特点灵敏度高、稳定性好、响应速度快、噪声小缺点结构复杂、工作电压高、体积大光电发射阴极 光电阴极主要作用是吸收光子能量发射光电子光电发射探测器中的光电发射体完成光电转换的重要部件性能好坏直接影响整个光电发射器件的性能光电发射阴极主要特性参数u灵敏度 光谱灵敏度 在单一波长辐射作用于光电阴极时，光电阴极输出电流ik与单色辐射通量 之比为光电阴极的光谱灵敏度 （ 或a/w）。 积分灵敏度 在某波长范围内的辐射作用于光电阴极时，光电阴极输出电流ik与入射辐射通量 之比为光电阴极

4、的积分灵敏度se(ma/w或a/w)。 在可见光波长范围内的“白光”作用于光电阴极时，光电阴极电流ik与入射光通量 之比为光电阴极的白光灵敏度sv(ma/lm)。, e, es/a w,keeise,0keeisd780,380kvisd 光电发射阴极主要特性参数u量子效率 一定波长的光子入射到光电阴极时，该光电阴极单位时间发射出去的光电子数 ，与入射的光子数 之比为光电阴极的量子效率 （或称量子产额）。 e,n,pn,epnn,1240/eekeshcsiqhvq量子效率和光谱灵敏度是一个物理量的两种表示方法光电发射阴极主要特性参数u光谱响应 用光谱响应特性曲线描述光电发射阴极的光谱响应特性

5、 光电阴极的光谱灵敏度或量子效率与入射辐射波长的关系曲线u暗电流（热电子发射）光电发射阴极中少数处于较高能级的电子在室温下获得了热能产生热电子发射形成暗电流光电发射阴极的暗电流与材料的光电发射阈值有关一般光电发射阴极的暗电流极低，其强度相当于10-1610-18a/cm-2的电流密度光电发射阴极光电阴极材料u良好的光电发射材料具备的条件 光的吸收系数大光电子在体内传输过程中受到的能量损失小 表面势垒低，表面逸出几率大 要有一定电导率，以便能通过外电源来补充因光电发射 所失去的电子u常用的材料反射系数大、吸收系数小、碰撞损失能量大、逸出功大光谱响应：对紫外灵敏光吸收系数大的多，散射能量损失小，量

6、子效率比金属大得多光谱响应：可见光和近红外波段金属金属半导体半导体半导体材料广泛用作光电阴极半导体材料广泛用作光电阴极光电发射阴极光电阴极材料u光电阴极材料分类 单碱与多碱锑化物光阴极 银氧铯与铋银氧铯光阴极 紫外光阴极 iii-v族元素光阴极光电管（phototube）光电阴极玻壳阳极半导体光电发射材料涂于玻壳内壁受光照时，可向外发射光电子金属环或金属网置于光电阴极的对面加正的高电压收集从阴极发射出来的电子光电管优点光电阴极面积大；灵敏度高，一般积分灵敏度可达20200 a/lm;暗电流小，最低可达10-14a；光电发射弛豫过程极短。缺点一般体积都比较大；工作电压高达百伏到数百伏；玻壳容易破

7、碎等光电管电流与光照量在一定范围内呈直线关系光电管光电倍增管（photomultiplier tube）基本原理 一种真空光电发射器件光入射窗 光电阴极 电子光学系统 倍增极 阳极光电倍增管基本原理 一种真空光电发射器件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级倍增级倍增后，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。若干中间电极倍增极每相邻两个电极称为一级，vi为分级电压（一般为百伏）光电倍增管光

8、入射窗u入射光窗结构光电倍增管光入射窗u常用光窗材料p硼硅玻璃（无钾玻璃） 常用的玻璃材料，可以透过300nm至近红外的入射光，不适合紫外去的探测p透紫玻璃（uv玻璃） 很好的透过紫外光，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， 其截至波长可接近185nmp合成石英 紫外光波长延伸至160nmp蓝宝石 紫外光波长延伸至150nmp氟化镁（镁氟化物） 极好的紫外线透过性，接近115nm光窗材料 短波限光电倍增管光电阴极u光电阴极类型光电阴极材料 长波限光电倍增管电子光学系统u系统组成 光电阴极至第一倍增极之间的区域。 电子光学系统在结构上主要由聚焦电极和偏转电极组成。u作用

9、（1）使光电阴极发射的光电子尽可能多的会聚到第一倍增极上，而将其他部分的杂散热电子散射掉，提高信噪比；（2）光电阴极各部分发射的光电子到达第一倍增极所经历的时间尽可能一致，保证光电倍增管的快速响应。光电倍增管倍增极u倍增极材料 二次发射 发射系数 二次电子发射步骤（1）材料吸收一次电子的能量，激发体内电子到高能态，这些被激发电子称为内二次电子；（2）内二次电子中初速度指向表面的那一部分向表面运动，在运动过程中因散射而损失能量；（3）如果达到界面的内二次电子仍有足以克服表面势垒的能量，即逸出表面成为二次电子。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， 这种现象称为二次电子发射二次

10、发射的电子数n2与入射的一次电子数n1的比值光电倍增管倍增极u倍增极材料 锑化铯 在较低的电压下产生较高的发射系数 氧化银镁合金（agmgocs） 可在较强的电流和较高的温度（150 度）下工作 铜-铍合金（铍的含量为2%） 发射系数比银镁合金更低些 负电子亲和势材料gapcs 在电压为1000v时，倍增系数可大于 50或高达200光电倍增管倍增极u倍增极结构非聚焦型盒删型盒删型瓦片静电聚焦型瓦片静电聚焦型圆形鼠笼型圆形鼠笼型聚焦型光电倍增管倍增极光电倍增管阳极u作用 收集最末一级倍增极发射出来的二次电子，向外电路输出电流。u结构 具有较高电子收集率，能承受较大电流密度，在阳极附近空间不产生空

11、间电荷效应。 阳极广泛采用栅网状结构。光电倍增管 主要特性参数 灵敏度 电流增益 暗电流 噪声 伏安特性 疲劳特性 线性光电倍增管 主要特性参数灵敏度 阴极灵敏度 光电倍增管阴极电流ik与入射光谱辐射通量之比，称为阴极的光谱灵敏度 在某波长范围内的辐射作用于光电阴极时，光电阴极输出电流ik与入射辐射通量 之比为阴极的积分灵敏度 白光灵敏度或光照灵敏度k,keise780,380kkvisd,0kkeisd光电倍增管 主要特性参数灵敏度 阳极灵敏度 阳极输出电流ia与入射光谱辐射通量之比为阳极的光谱灵敏度 若入射辐射为某一波段范围，则定义为阳极积分灵敏度 阳极光照灵敏度,aaeis780,380

12、aavisd,0aaeisd光电倍增管 主要特性参数电流增益 电流放大倍数 阳极电流与阴极电流的比值 光电倍增管倍增极的二次电子发射系数 与一次电子的加速电压udd有关，当电压在几十至几百伏时，可表示为 c是常数，k值与倍增极的材料和结构有关锑化铯倍增极 氧化银镁合金倍增极aakkisgiskddcu0.70.2ddu0.025ddu光电倍增管 主要特性参数电流增益 电流放大倍数 n级倍增pmt，光电阴极发射的光电流经各级倍增极倍增后，阳极输出电流为 为电子光学系统的收集率； 和 分别是1,2n级倍增极的二次电子发射系数和电子收集率。 假定：各倍增极的电子发射系数和电子收集率相等，则电流放大倍

13、数为 锑化铯 银镁合金材料 012,n 0.7(0.2)nnddgu(0.025)nnddgu12,n 光电倍增管 主要特性参数暗电流 无辐射作用下的阳极输出电流称为暗电流，记为id 在正常应用的情况下pmt的暗电流值是所有光电探测器件中暗电流最低的器件影响暗电流的主要因素 pmt电极之间的玻璃漏电、管座漏电和灰尘漏电等欧姆漏电 通常比较稳定，对噪声的贡献小 在低电压工作时，欧姆漏电成为暗电流的主要部分 pmt光电阴极材料的光电发射阈值较低，容易产生热电子发射热发射 在室温下也会有一定的热电子发射，并被电子倍增系统倍增 降低光电倍增管的温度是减小热发射暗电流的有效方法 光电倍增管 主要特性参数

14、暗电流 无辐射作用下的阳极输出电流称为暗电流，记为id 在正常应用的情况下pmt的暗电流值是所有光电探测器件中暗电流最低的器件影响暗电流的主要因素 高速运动的电子会使管中的残余气体电离，产生正离子和光子 ，它们也将被倍增，形成暗电流残余气体放电 工作电压高时特别严重，使倍增管工作不稳定 降低工作电压会减小残余气体放电产生的暗电流 工作的电压高时引起管内电极尖端或棱角的场强太高产生场致场致发射 降低工作电压场致发射暗电流也将下降 光电倍增管 主要特性参数暗电流 无辐射作用下的阳极输出电流称为暗电流，记为id 在正常应用的情况下pmt的暗电流值是所有光电探测器件中暗电流最低的器件影响暗电流的主要因

15、素 玻璃壳放电和玻璃荧光 负高压使用时，金属屏蔽层与玻璃壳之间电场很强 强电场下，玻璃壳可能发生放电或出现玻璃荧光，引起暗电流 使屏蔽层与玻璃管壁之间距离至少为1020mm 光电倍增管 主要特性参数噪声 pmt噪声主要由散粒噪声和负载电阻的热噪声组成负载电阻的热噪声 主要来自负载电阻或运算放大器的反馈电阻和运算放大器的输入阻抗散粒噪声 由阴极暗电流id，背景辐射电流ib以及信号电流is的散粒效应引起 总噪声电流24naakt fir222ndnkiqi gf2242nkakt fiqi gfr光电倍增管 主要特性参数噪声 总噪声电流 在设计光电倍增管电路时，力图使负载电阻的热噪声远小于散粒噪声

16、设光电倍增管的增益g=104，阴极暗电流idk=10-14a，在室温300k情况下，只要阳极负载电阻ra满足 计算电路的噪声时就可以只考虑散粒噪声2242nkakt fiqi gfr242kakt fqi gfra24522kktrkqi g光电倍增管 主要特性参数伏安特性 阴极伏安特性 阴极电压uk 阴极电流ik与阴极和第一倍增极之间电压 当入射至pmt阴极面上光通量一定时，uk与ik的关系曲线为阴极伏安特性 阳极伏安特性 阳极电压ua 阳极电流ia与阳极和末级倍增极之间电压 当入射至pmt阴极面上光通量一定时，ua和ia的关系曲线为阳极伏安特性光电倍增管 主要特性参数伏安特性阴极伏安特性阳极伏安特性电压较小时阴/阳极电流随阴/阳极电压的增大而增加，直到阴/阳极电压大于一定值后，阴/阳极电流趋向饱和，且与入射光通量 成线性关系光电倍增管