第5章光电发射器件

1、 光电发射探测器是基于外光电效应的器件，最典型的光电发射探测器是光电倍增管（PMT），本章主要介绍PMT的主要特性。使用要点、常用电路及选择依据。 当光照射到某种物质时，若入射的光子能量hv足够大，它和物质中的电子相互作用，致使电子逸出物质表面，这种现象称为光电发射效应，又称为外光电效应。能产生光电发射效应的物体，称为光电发射体，在光电管中称为光阴极。 光电子发射过程包括以下几个阶段：（1）光电发射体中的电子吸收入射光光子能量后其能量增大；（2）受激电子（得到光子能量的电子）从发射体内向真空界面运动；（3）电子越过发射体表面势垒向真空（或其它介质）中逸出。但是电子从吸收光子能量到逸出发射体表面

2、的时间是很短的，这个时间约为10-12s。 斯托列托夫定律（光电发射第一定律）：当入射辐射的光谱分布不变时，发射的饱和光电流I与入射的幅通量（或光强）成正比：I=SK 爱因斯坦定理（光电发射第二定律）：发射的光电子的最大动能随入射光子光频率的增加而线性地增加，而与入射光地强度无关：WhvVme2max21 一、光电发射材料 分为三类：纯金属材料、表面吸附一层其它元素原子的金属和半导体材料。 光电发射材料应具备的条件： 1、光吸收系数大； 2、光电子在体内传输过程中受到的能量的损失小，使其逸出深度大； 3、表面势垒低，使表面逸出几率大。 金属不能作为光电发射材料原因： 半导体作为光电发射材料；

3、负亲和势光电阴极。(a)金属光电子发射体 (b)具有正电子亲和势的半导体光电子发射体(c) 具有负电子亲和势的半导体光电子发射体 1、银氧铯阴极 两个峰值：可见和红外，量子效率低，暗电流大； 2、锑铯阴极 量子效率高，光谱响应窄，对红光和红外不灵敏； 3、多碱光电阴极（响应度高） (1) 锑钾钠阴极 （2）锑钾钠铯阴极 4、紫外光电阴极（碲化铯） 表面区域能带弯曲，真空能级降到导带之表面区域能带弯曲，真空能级降到导带之下，从而使有效的电子亲和势为负值。下，从而使有效的电子亲和势为负值。 与经典的光电发射材料的区别： 参与发射的电子是导带的“热化”电子或称“冷”电子； NEA阴极中导带的电子逸出

4、真空不需作功； NEA是指在半导体内的有效值。 NEA阴极的特点： 光电管分为真空型和充气型两种。 在抽成真空或充以惰性气体的玻璃泡内，设置阳极和对光敏感的阴极，就构成了真空光电管和充气光电管。 光电倍增管把微弱入射光转换成光电子，并获得倍增的重要的真空光电发射器件。工作原理是建立在光电效应、二次电子发射和电子光学的理论基础上的。 （一）PMT的基本结构与原理5.3.1 光电倍增管的结构 光电倍增管主要由光入射窗口、光电阴极、电子光学输入系统、二次发射倍增系统及阳极组成 。侧窗式：一般使用反射式光电阴极，大多数用于分光光度和光度测量中。端窗式：光电阴极沉积在入射窗的内侧面。为了使各处的灵敏度一

5、致，阴极面做成半球状。 电子光学输入系统主要起两方面作用：一是使光电阴极发射的光电子尽可能全部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；二是使阴极面上各处发射的光电子在电子光学系统中渡越的时间尽可能相等，以保证光电倍增管的快速响应。 倍增系统必须有高的倍增效益，增益A由下式决定： nA)(0 1.灵敏度 光谱响应度 阴极灵敏度 阳极灵敏度 2.放大倍数（电流增益）0为第一倍增极对阴极的电子收集效率，即光学系统的收集率；为倍增极间的传递效率；为次级发射系统的平均值；n为倍增极的级数。 0()nA( )( )( )( )( )( )kkIpakiSqPhcISSA 21110

6、( )( )( )kkkPSdISPd0() 1KdKnknnCUUACCUn 3.暗电流Id 光电阴极和第一倍增极的热电子发射； 极间漏电流； 离子和光的反馈作用； 场致发射； 放射性同位素和宇宙射线的影响 减少暗电流的方法：直流补偿、选频、锁相放大、制冷、电磁屏蔽和磁场散焦。在低电压时，暗电流由漏电流决定；电压较高时，主要是热电子发射；电压再高，则导致场致发射和残余气体离子发射，使暗电流急剧增加，甚至可能发生自持放电。 暗电流的补偿方法：暗电流的补偿方法：1、直流补偿、直流补偿2、选频和锁相放大、选频和锁相放大3、致冷、致冷4、电磁屏蔽、电磁屏蔽5、磁场散焦、磁场散焦 4.PMT的噪声（散

7、粒噪声、闪烁噪声。热噪声） 5.时间特性和频率响应 6. 线性度：不仅与PMT的内部结构有关，很大程度上取决于外部的高电压供电电路及信号输出电路。0.35= R50tLrf上7、稳定性（灵敏度的慢漂移，滞后效应）8、最小可探测功率（NEP）9、伏安特性10、磁场特性11、空间均匀性(一些电子偏离设计轨道、加漫射器）12、偏振效应慢漂移主要是由于最后几级倍增极在大量电子轰击下受损，引起二次发射系数变化。主要取决于阳极电流的大小。在在PMT加上高压加上高压或开始光照的短或开始光照的短时间内，阳极输时间内，阳极输出电流存在短暂出电流存在短暂的不稳定，电流的不稳定，电流可能比稳定值大，可能比稳定值大，

8、也可能小。也可能小。5.3.3 PMT的供电和信号输出电路一、高压供电1、供电电压的极性（阳极接地、阴极接地）2、线性供电方式（1）直流信号（2）脉冲信号3、高压电源 1.分压电路 电压不均匀分布时分压器的设计原则： 光电阴极K与第一倍增极D1间电压要足够高； 中间相邻间采用均匀分压； 最后三极间通常也加较高电压。 最后三级并联电容的选取2123CCC 2.供给电源 （1）对电源的要求 （2）PMT的馈电方法 2、PMT的输出电路负载电阻输出 在频响要求比较高的场合，负载电阻应尽可能小一些。 当输出信号的线性要求较高时，选择的负载电阻应使信号电流在它上面产生的压降在几伏以下。 负载电阻应比放大

9、器的输入阻抗小得多。运算放大器输出 PMT的使用 阳极电流IP随入射光功率Ps的变化规律是：开始阶段是线性增长，当Ps大到一定值时，IP增加缓慢，出现饱和现象。这是由于光阴极受强光照射后发射电子的速率过高，内部来不及重新补充电子，致使灵敏度下降（出现疲劳效应）。在轻度疲劳时，若停止工作一段时间，可以恢复正常工作能力。但是太强的光照射会使光电倍增管损坏。所以，切忌过强的光照射。PMT的应用：的应用：PMT具有极高的灵敏度和快速响应等特点，具有极高的灵敏度和快速响应等特点，在精密测量中，正确使用在精密测量中，正确使用PMT，应注意：，应注意：1、阳极电流不超过、阳极电流不超过1 A，可以减缓疲劳和

10、，可以减缓疲劳和老化效应，减少负载电阻反馈和分压器电压老化效应，减少负载电阻反馈和分压器电压的再分配效应；的再分配效应；2、电压分压器中流过的电流至少应大于期、电压分压器中流过的电流至少应大于期望阳极电流的望阳极电流的1000倍，即倍，即1mA；3、阴极和第一倍增极之间，以及末级倍增、阴极和第一倍增极之间，以及末级倍增极和阳极之间的极间电压应设计得与总电压极和阳极之间的极间电压应设计得与总电压无关；无关；4、高压电源得稳定性必须为所需测量精度得、高压电源得稳定性必须为所需测量精度得10倍左右；倍左右；5、输出信号采用运放作电流电压变换，以获得、输出信号采用运放作电流电压变换，以获得高得信噪比和

11、好的线性；高得信噪比和好的线性；6、采取电磁屏蔽，最好使屏蔽筒与阴极处于相、采取电磁屏蔽，最好使屏蔽筒与阴极处于相同的电位；同的电位；7、应贮存在黑暗中，使用前最好先接通高压电、应贮存在黑暗中，使用前最好先接通高压电源，在黑暗总存放几小时；源，在黑暗总存放几小时；8、最好在光电阴极前放置优质的漫射器；、最好在光电阴极前放置优质的漫射器；10、不应在、不应在He中使用。中使用。应用举例：光子计数应用举例：光子计数工作原理：光子计数器一般测量小于10-14W的连续弱辐射。假设为HeNe激光，则发生光子速率Np1014/hv=3.18*104/s讨论：PMT为何做成球面？如何选择倍增极之间的极间电压

12、？光电发射和二次电子发射两者有何不同？光电倍增管产生暗电流的原因有哪些？如何减少暗电流？光电倍增管采用负高压供电或正高压供电，各有什么优缺点？他们分别使用哪些情况下？现有12级倍增极的光电倍增管，若要求正常工作时放大倍数的稳定度为1，则电源电压的稳定度是多少？(1)光电倍增管利用光电倍增管利用外光电效应外光电效应制成制成 (2)结构结构(3) 特点特点 灵敏度高，适宜弱光信号；灵敏度高，适宜弱光信号； 响应时间极短；响应时间极短； 频率特性较好频率特性较好，频率可达，频率可达106赫或更高；赫或更高；(4) 缺点缺点 需高压直流电源、价贵体积大、经不需高压直流电源、价贵体积大、经不起机械冲击等

13、。起机械冲击等。(1) 结构结构(2) 优点优点 光谱响应相当宽光谱响应相当宽; 光敏电阻的灵敏域可在紫外光区，可见光区，光敏电阻的灵敏域可在紫外光区，可见光区，也可在红外区和远红外区。也可在红外区和远红外区。 所测的光强范围宽所测的光强范围宽; 使用方便，成本低，稳定性高，寿命长使用方便，成本低，稳定性高，寿命长; 灵敏度高，工作电流大，可达数毫安灵敏度高，工作电流大，可达数毫安。 (3) 不足不足 在强光照射下线性较差，频率特性也较差在强光照射下线性较差，频率特性也较差。 (1)基本原理基本原理 由半导体能带理论可知，当图像由半导体能带理论可知，当图像的光子大量入射到半导体光电导材的光子大

14、量入射到半导体光电导材料上时，使大量的电子吸收能量进料上时，使大量的电子吸收能量进入导带，从而使其导电性能改善，入导带，从而使其导电性能改善，电导率增加或电阻下降，形成了电电导率增加或电阻下降，形成了电子图像信号。子图像信号。（1）原理与结构）原理与结构 （2）特性：）特性：波长范围波长范围: 硅光电池为硅光电池为400 1100 nm，峰值波长在峰值波长在 850 nm 附近；附近；灵敏度：灵敏度：硅光电池为硅光电池为 6-8 毫安流明；毫安流明； 可靠性好，寿命也较长；可靠性好，寿命也较长； 体积小。体积小。 (1) 结构结构 (2) 特性特性 体积小，稳定性好；体积小，稳定性好； 灵敏度

15、高，响应速度快；灵敏度高，响应速度快； 易于获得定向性；易于获得定向性； 光谱响应在可见和红外区。光谱响应在可见和红外区。 雪崩光敏二极管雪崩光敏二极管 频率响应很高，带宽可达频率响应很高，带宽可达100GHz。是目前。是目前响应最快的一种光敏二极管。适用于光纤通信、响应最快的一种光敏二极管。适用于光纤通信、激光测距及其他微弱光的探测等。激光测距及其他微弱光的探测等。 光敏二极管阵列光敏二极管阵列 将光敏二极管以线列或面阵形式集合在一起，将光敏二极管以线列或面阵形式集合在一起，用来同时探测被测物体各部位提供的不同光信用来同时探测被测物体各部位提供的不同光信息，并将这些信息转换为电信号的器件。息

16、，并将这些信息转换为电信号的器件。 象限探测器有二象限和四象限探测器，象限探测器有二象限和四象限探测器，又分光电二极管象限探测器和硅光电池象又分光电二极管象限探测器和硅光电池象限探测器。象限探测器是在同一块芯片上限探测器。象限探测器是在同一块芯片上制成两或四个探测器，中间有沟道将它们制成两或四个探测器，中间有沟道将它们隔开，因而这两或四个探测器有完全相同隔开，因而这两或四个探测器有完全相同性能参数。当被测体位置发生变化时，来性能参数。当被测体位置发生变化时，来自目标的辐射量使象限间产生差异，这种自目标的辐射量使象限间产生差异，这种差异会引起象限间信号输出变化，从而差异会引起象限间信号输出变化，

17、从而确确定目标方位，同时可起制导、跟踪、搜索、定目标方位，同时可起制导、跟踪、搜索、定位等作用定位等作用。 结构结构 灵敏度比光敏二极管高，是光敏二极管灵敏度比光敏二极管高，是光敏二极管的数十倍，故输出电流要比光敏二极管大的数十倍，故输出电流要比光敏二极管大得多，一般为毫安级。但其它特性不如光得多，一般为毫安级。但其它特性不如光敏二极管好，在较强的光照下，光电流与敏二极管好，在较强的光照下，光电流与照度不成线性关系。频率特性和温度特性照度不成线性关系。频率特性和温度特性也变差，故也变差，故光敏三极管多用作光电开关或光敏三极管多用作光电开关或光电逻辑元件光电逻辑元件。 一、接收光信号的方式 光信

18、号的有无：即被测对象造成投射到光电器件上的光信号截断或通过。 光信号按一定频率交替变化：光信号的输入有一定的频率，必须使所选器件的上限截止频率大于输入信号频率。 光信号的幅度大小：被测对象因对光的反射率、投射率变化或被测对象本身光辐射强度变化，光信号的幅度改变。 光信号的色度差异 二、各种光电检测器件的性能比较 在动态特性方面（响应）：在动态特性方面（响应）：PMT，PIN，APD； 线性（光电特性）：线性（光电特性）：PMT，光电二极管，光电池；，光电二极管，光电池； 灵敏度：灵敏度：PMT，APD，光敏二极管，光敏三极管；，光敏二极管，光敏三极管； 输出电流：大面积光电池，光敏电阻，输出电流：大面积光电池，光敏电阻