第05章_光电子发射探测器

1、光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineeringp0eIMhv 光子探测器光子探测器M光电增益输出光电流光电导探测器：光电导探测器：M可以大于可以大于1光电三极管：光电三极管： M102雪崩光电二极管：雪崩光电二极管：M103？ M106光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering第第0505章章 光电子发射探测器光电子发射探测器Photoemissive detector,简称简称PE探测器探测器光光 电电 管：管：光电倍增管

2、：光电倍增管：被半导体光电器件取代被半导体光电器件取代 极高灵敏度极高灵敏度 10106 6 快速响应快速响应 psps应应 用：用：微弱光信号、快速脉冲弱光信号微弱光信号、快速脉冲弱光信号也称为真空光电器件 光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering第第0505章章 光电子发射探测器光电子发射探测器5.1 5.1 光电阴极光电阴极5.2 5.2 光电管和光电倍增管结构原理光电管和光电倍增管结构原理5.3 5.3 光电倍增管的主要特性参数光电倍增管的主要特性参数5.4 5.4 光电倍增管的工作电路光电倍增管

3、的工作电路5.1 5.1 光电阴极光电阴极具有外光电效应的材料具有外光电效应的材料 光电子发射体光电子发射体光电子发射探测器中的光电子发射体光电子发射探测器中的光电子发射体 又称为又称为光电阴极光电阴极 光电阴极光电阴极是完成光电转换的重要部件，其性能是完成光电转换的重要部件，其性能好坏直接影响整个光电发射器件的性能！好坏直接影响整个光电发射器件的性能！常用的光电阴极材料常用的光电阴极材料反射系数大、吸收系反射系数大、吸收系数小、碰撞损失能量数小、碰撞损失能量大、逸出功大适大、逸出功大适应对紫外灵敏的光电应对紫外灵敏的光电探测器。探测器。 光吸收系数大得多，散光吸收系数大得多，散射能量损失小，

4、量子效射能量损失小，量子效率比金属大得多光率比金属大得多光谱响应：可见光和近红谱响应：可见光和近红外波段。外波段。金属：金属：半导体：半导体：5.1 5.1 光电阴极光电阴极0AE0AE常规光电阴极常规光电阴极负电子亲和势阴极负电子亲和势阴极 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 1 1、常规光电阴极、常规光电阴极（1）AgOCs材料：材料： （2）单碱锑化物：）单碱锑化物： （3）多碱锑化物：）多碱锑化物： （4）紫外光电阴极：）紫外光电阴极： 最早的光电阴极最早的光电阴极表表51 主要应用于近红外探测主要应用于近红外探测 CsSb阴极最为常用阴极最为常用表表51 紫外和可见

5、光区的灵敏度最高紫外和可见光区的灵敏度最高 SbNaKCs 最实用的光电阴极材料，高灵敏度、最实用的光电阴极材料，高灵敏度、宽光谱，红外端延伸宽光谱，红外端延伸930nm，用于宽带光谱测量仪，用于宽带光谱测量仪5.1 5.1 光电阴极光电阴极1 1、常规光电阴极、常规光电阴极4紫外光电阴极紫外光电阴极 光电阴极只对所探测的紫外辐射信号灵敏，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，这种阴极通常称为而对可见光无响应，这种阴极通常称为“日盲日盲”型光电阴极型光电阴极。“日盲日盲”型光电阴极型光电阴极实用的两种：实用的两种：碲化铯碲化铯(CsTe)长波限为长波限为0.32m碘化铯碘化铯

6、(Csl) 长波限为长波限为0.2 m。响应范围响应范围(100280nm) 军事应用举例军事应用举例5.1 5.1 光电阴极光电阴极太阳光中的紫外光太阳光中的紫外光大气中的氧和臭氧层大气中的氧和臭氧层中紫外（中紫外（0.20.3m）完全吸收完全吸收 “日盲日盲”区区近紫外（近紫外（0.30.4m）透过最多，均匀分布透过最多，均匀分布“窗口窗口”区区军事攻击目标军事攻击目标如飞机的尾焰如飞机的尾焰)的的紫外辐射强紫外辐射强军事攻击目标挡住太阳紫军事攻击目标挡住太阳紫外光，形成外光，形成 “暗点暗点” 在在均匀的紫外光背景之上均匀的紫外光背景之上近紫外光电阴极近紫外光电阴极“日盲日盲”型光电阴极

7、型光电阴极2. 2. 负电子亲和势阴极负电子亲和势阴极Negative Electron Affinity ，简称，简称NEA 5.1 5.1 光电阴极光电阴极电子亲和势电子亲和势EA 真空能级与导带真空能级与导带底底能级之差称为电子亲和势能级之差称为电子亲和势 电子亲和势越小，材电子亲和势越小，材料发射光电子的能力料发射光电子的能力越强。越强。真空能级低于真空能级低于导带导带底底能级？能级？2. 2. 负电子亲和势阴极负电子亲和势阴极Negative Electron Affinity ，简称，简称NEA 5.1 5.1 光电阴极光电阴极电子亲和势电子亲和势EA 真空能级与导带真空能级与导带

8、底底能级之差称为电子亲和势能级之差称为电子亲和势 负负电子亲和势电子亲和势真空能级低于真空能级低于导带导带底底能级能级发射光电子的能力发射光电子的能力更强更强2. 2. 负电子亲和势阴极负电子亲和势阴极Negative Electron Affinity ，简称，简称NEA 5.1 5.1 光电阴极光电阴极1963年年 Simon提出了提出了负电子亲和势负电子亲和势（NEA）理论）理论 1965年年J.J.sheer和和J.V.laar 用铯激活砷化镓得到用铯激活砷化镓得到零电子亲和势零电子亲和势光电阴极；光电阴极； 研制出研制出GaAs-Cs负电子亲和势负电子亲和势光电阴极光电阴极负电子亲和

9、势材料结构、原理负电子亲和势材料结构、原理重掺杂的重掺杂的P型型硅表硅表面涂面涂极薄极薄的金属的金属Cs，经过处理形成经过处理形成N型型的的Cs2O。 2. 2. 负电子亲和势阴极负电子亲和势阴极以以Si-Cs2O光电阴极为例光电阴极为例2. 2. 负电子亲和势阴极负电子亲和势阴极P型型Si的的电子亲和势电子亲和势:N型型Cs2O电子亲和势电子亲和势:EA1=E0-EC10EA2=E0-EC20体内：体内：P型型表面：表面：N型型表面表面电子，电子，能级能级Ec1入射光子入射光子体内体内电子，能级电子，能级Ec1表面逸出电子表面逸出电子E0-Ec1 0体内体内有效有效电子亲和势电子亲和势: :

10、 EAe=E0-EC10EA2=E0-EC20EAe=E0-EC115.3 光电倍增管的主要特性参数光电倍增管的主要特性参数电流增益的稳定性：电流增益的稳定性：nIIM0KAkdUCknnkUAnUCM10UUknMMdd例如，例如， n912，测量精度，测量精度1%电源电压稳定度电源电压稳定度0.1%。5.3 光电倍增管的主要特性参数光电倍增管的主要特性参数3 3光电特性光电特性阳极光电流与入射于光电阴极的光通量之间的函数关系，阳极光电流与入射于光电阴极的光通量之间的函数关系，称为倍增管的称为倍增管的光电特性光电特性。线线性性区区m1010%3410 （1 1）弱光，例如光谱仪，开狭缝）弱光

11、，例如光谱仪，开狭缝（2 2）线性，用于模拟量测量时重要）线性，用于模拟量测量时重要5.3 光电倍增管的主要特性参数光电倍增管的主要特性参数4 4光谱特性光谱特性 （图（图5 59 9和和5 51010 ）近红外近红外远紫外远紫外可见光可见光短波限短波限窗口材料限制窗口材料限制 长波限长波限阴极材料限制阴极材料限制 5.3 光电倍增管的主要特性参数光电倍增管的主要特性参数4 4光谱特性光谱特性近红外光近红外光紫外光紫外光可见光可见光对比光谱响应范围：对比光谱响应范围：PE探测器探测器PV探测器探测器紫外光紫外光可见光可见光红外远红外光红外远红外光PC探测器探测器紫外光紫外光可见光可见光红外极远

12、红外光红外极远红外光5.3 光电倍增管的主要特性参数光电倍增管的主要特性参数5 5伏安特性伏安特性阴极伏安特性阴极伏安特性 阳极伏安特性：阳极伏安特性： 光电二极管伏安特性：光电二极管伏安特性： 恒流源恒流源计算和分析方法相同计算和分析方法相同5.3 光电倍增管的主要特性参数光电倍增管的主要特性参数5 5伏安特性伏安特性阴极伏安特性阴极伏安特性 阳极伏安特性：阳极伏安特性： 交流微变等效电路交流微变等效电路 恒流源恒流源计算和分析方法相同计算和分析方法相同5.3 光电倍增管的主要特性参数光电倍增管的主要特性参数6 6时间特性时间特性5.3 光电倍增管的主要特性参数光电倍增管的主要特性参数三者分

13、别对信号的响应产生什么影响？三者分别对信号的响应产生什么影响？6 6时间特性时间特性5.3 光电倍增管的主要特性参数光电倍增管的主要特性参数器件器件时间特性时间特性 (单位：单位：ns)结 构上升时间渡越时间渡越时间散差直线聚焦型0.731.350.371.1环形聚焦型3.4313.6盒栅型7577010百叶窗型76010e010k4pF=40nSLR C 外电路外电路时间特性时间特性 (单位：单位：ns)6 6时间特性时间特性5.3 光电倍增管的主要特性参数光电倍增管的主要特性参数HCe01 /1 / 2LfC R当电路时间常数较大，倍增管的上限截止频率：当电路时间常数较大，倍增管的上限截止

14、频率：倍增管的响应时间倍增管的响应时间输出电路的时间常数输出电路的时间常数8.疲劳特性疲劳特性 光电倍增管的灵敏度随工作时间的延长而光电倍增管的灵敏度随工作时间的延长而下降。弱光下工作，暗室放置一段时间后，下降。弱光下工作，暗室放置一段时间后，灵敏度可以恢复到初始值。灵敏度可以恢复到初始值。 若管子长期连续工作或受强光照射，则灵若管子长期连续工作或受强光照射，则灵敏度不可再恢复，这种现象称为疲劳。敏度不可再恢复，这种现象称为疲劳。 光电倍增管不使用时，应存放在黑暗的环光电倍增管不使用时，应存放在黑暗的环境中；使用时忌强光照射。境中；使用时忌强光照射。9 9噪声与噪声等效功率噪声与噪声等效功率

15、阳极阳极散粒噪声散粒噪声=阴极阴极散粒噪声散粒噪声+ +各级各级散粒噪声散粒噪声fKeMIfKIeMiAK22nA22阳极（总的）散粒噪声的均方值：阳极（总的）散粒噪声的均方值： 5.3 光电倍增管的主要特性参数光电倍增管的主要特性参数feMIfeIMiMiAK22nK22nA22阴极散粒噪声对阳极的贡献：阴极散粒噪声对阳极的贡献：阳极阳极散粒噪声散粒噪声=阴极阴极散粒噪声散粒噪声+各级各级散粒噪声散粒噪声feMIfeIMiMiAK22nK22nA22阴极散粒噪声对阳极的贡献：阴极散粒噪声对阳极的贡献：各级散粒噪声对阳极的贡献：各级散粒噪声对阳极的贡献：112nK11K1K21nK2nD111

16、22ifeIfIeii221212nK2nD21 iifKqMIfKIqMi AK22nA2222nDnnK12n12n23nn1ii 5.3 光电倍增管的主要特性参数光电倍增管的主要特性参数阳极散粒噪声阳极散粒噪声=阴极散粒噪声阴极散粒噪声+各级散粒噪声各级散粒噪声fqMIfqIMiMi AK22nK22nA22阴极散粒噪声对阳极的贡献：阴极散粒噪声对阳极的贡献：fKqMIfKIqMi AK22nA22阳极散粒噪声的均方值：阳极散粒噪声的均方值： 111K物理意义：物理意义：1.倍增起伏使阳极噪声增大倍增起伏使阳极噪声增大K倍倍 2. 增大增大1, 改善信噪比改善信噪比 5.3 光电倍增管的

17、主要特性参数光电倍增管的主要特性参数噪声增强因子噪声增强因子噪声等效功率噪声等效功率:ASiNEP2nA1/221/2KK2(2)AKeIfKeM IfKNEPSSPMT 10-1510-16 W/Hz1/2PIN PD10-14W/Hz1/2APD 10-15W/Hz1/2噪声等效功率噪声等效功率计算举例：计算举例：1/221/2KK2(2)AKeIfKeM IfKNEPSSCR131 光谱响应范围光谱响应范围185900nm；峰值波长；峰值波长400nm 阴极最小有效面积阴极最小有效面积824mm2 典型增益典型增益6106 阳极典型暗电流阳极典型暗电流3nA,最大最大50nA 阴极灵敏度

18、阴极灵敏度250A/Lm NEP=5.0610-14Lm/Hz1/2?W/Hz1/25.3 光电倍增管的主要特性参数光电倍增管的主要特性参数1 1灵敏度灵敏度 2 2电流增益电流增益3 3光电特性光电特性4 4光谱特性光谱特性5 5伏安特性伏安特性6 6时间特性时间特性7 7暗电流暗电流8 8疲劳特性疲劳特性9 9噪噪 声声光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering第第0505章章 光电子发射探测器光电子发射探测器5.1 5.1 光电阴极光电阴极5.2 5.2 光电管和光电倍增管的结构原理光电管和光电倍增管

19、的结构原理5.3 5.3 光电倍增管的主要特性参数光电倍增管的主要特性参数5.4 5.4 光电倍增管的工作电路光电倍增管的工作电路5.4 光电倍增管的工作电路光电倍增管的工作电路是保证其正常工作的必要条件，在常用的是保证其正常工作的必要条件，在常用的光探测器件中，其工作电路是最为复杂的。光探测器件中，其工作电路是最为复杂的。工作电路：工作电路：高压供电电路高压供电电路信号输出电路信号输出电路分压电阻的确定分压电阻的确定 并联电容的确定并联电容的确定 高压电源高压电源 接地方式接地方式 高压供电电路高压供电电路分压电阻的确定分压电阻的确定 maxAR2010II总电压总电压UAK 在在10001

20、500 V之间，之间，倍增极极间电压倍增极极间电压UD在在80100V之之间可以确定间可以确定分压电阻分压电阻5.4 光电倍增管的工作电路光电倍增管的工作电路IRIAmax高压供电电路高压供电电路分压电阻的确定分压电阻的确定 5.4 光电倍增管的工作电路光电倍增管的工作电路实例：实例：说明：说明：i. 第一级对阴极电流形成影响最大第一级对阴极电流形成影响最大,高出高出2030Vii. 中间级均匀分配中间级均匀分配iii. 最后一级最后一级,要高要高,克服空间电荷区的影响克服空间电荷区的影响.高压供电电路高压供电电路并联电容的确定并联电容的确定 探测光脉冲，最后几级脉冲电流很大，极间电压不稳探测

21、光脉冲，最后几级脉冲电流很大，极间电压不稳最后几级并联旁路电容最后几级并联旁路电容C1、C2、C3。 电容是储能元件，通过电容放电可以维持分压电阻上的电容是储能元件，通过电容放电可以维持分压电阻上的电压不变。电压不变。5.4 光电倍增管的工作电路光电倍增管的工作电路高压供电电路高压供电电路高压电源高压电源 专用电源：电压波动在专用电源：电压波动在0.050.05以内以内 5.4 光电倍增管的工作电路光电倍增管的工作电路高压供电电路高压供电电路接地方式接地方式 缺点：缺点：阴极负高压，屏蔽阴极负高压，屏蔽困难，暗电流和噪声大。困难，暗电流和噪声大。优点：优点：屏蔽罩靠近阴极，效果屏蔽罩靠近阴极，

22、效果好；暗电流小，噪声低好；暗电流小，噪声低阳极接地（负高压接法阳极接地（负高压接法 ）阴极接地阴极接地( (正高压接法正高压接法) )优点：优点：便于与后面放大器便于与后面放大器相连，操作安全相连，操作安全缺点：缺点：高压不利于安全操作；高压不利于安全操作；接耐压很高的隔直电容器。接耐压很高的隔直电容器。5.4 光电倍增管的工作电路光电倍增管的工作电路信号输出电路信号输出电路 交流微变等效电路交流微变等效电路电流源电流源 利用伏安特性：利用伏安特性： 负载电阻设计负载电阻设计 输出电流输出电流 输出电压等计算输出电压等计算5.4 光电倍增管的工作电路光电倍增管的工作电路信号输出电路信号输出电

23、路 用用负载电阻负载电阻实现实现I/V转换：转换：较大的负载电阻较大的负载电阻1.频率响应变差频率响应变差2.饱和引起非线性饱和引起非线性 5.4 光电倍增管的工作电路光电倍增管的工作电路负载电阻太大，阳极电压降低 饱和引起非线性饱和引起非线性 信号输出电路信号输出电路 用用负载电阻负载电阻实现实现I/V转换：转换：用用运算放大器运算放大器实现实现I/V转换：转换： 1. 良好的线性良好的线性2. 良好频率响应特性良好频率响应特性3. 转换效率高转换效率高较大的负载电阻较大的负载电阻1.频率响应变差频率响应变差2.饱和引起非线性饱和引起非线性 5.4 光电倍增管的工作电路光电倍增管的工作电路光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering光电倍增管应用举例光电倍增管应用举例超高速超高速碰撞闪光碰撞闪光光电倍增管测量系统光电倍增管测量系统 光电倍增管应用举例光电倍增管应用举例碰撞