第四章-光电子技术

第四章：光电子发射探测器主要内容：介绍利用光电子发射效应制成的光电器件，重点介绍光电倍增管；应用范围：主要用于可见和紫外光辐射的探测，长波长一般限于1.06um以内的光辐射探测

4.1光电子发射

光电子发射效应：

(A)金属材料的光电子发射12EdN/dEδE

xEFEAE曲线1：T=0K

曲线2：T>0右图为金属表面的势垒的情况

金属中自由电子能量分布：费米分布EA：表面势垒的高度-金属对电子的亲和势，自由电子的能量大于EA时才能逸出；EF：费米能级（1）T=0K的情况能量最大的电子处在费米能级上，即E=EF

吸收光子能量hv，从表面逸出的光电子具有的动能：

（4.1-1）

ΔE：电子向表面运动过程中由于散射损失的能量在散射损耗ΔE为0，光电子发射具有最大的初始速度：：金属材料的逸出功。（4.1-2）

为截止频率

（2）T>0K的情况

能量分布如图曲线2

▲部分自由电子的能量比费米能级EF高出δE，由于这些电子的存在，在相同入射光子能量条件下，会出现初始速度大于vmax的光电子

▲在最大动能与入射光频率曲线上看，会出现在v＜vo时仍然存在光电效应，如下图所示

v0

v

爱因斯坦公式：在T=0时才严格成立；金属材料的缺点：（1）逸出功高（2）表面反射强（3）对辐射吸收率低（4）体内自由电子多，碰撞使得电子逸出困难。（B）半导体材料的光电子发射

目前光电阴极多采用半导体材料，其优点是：（1）对辐射吸收系数大（2）导电性能适中，电子向表面运动时损失能量小（3）价带中电子密度很大，容易受激发跃迁（4）逸出功较小

半导体光电子发射过程(1)对光子吸收：价带上的电子、杂质能级上的电子、自由电子都可以吸收入射光子而跃迁到导带，当其能量高于EA时就能逸出表面。本征发射：光电子来源于价带的发射，相应的材料叫本征发射。优点：吸收系数很高(约105/cm)，量子效率很高可达20%-30%。典型材料：“锑铯Sb-Cs”、“锑钾钠铯Sb-K-Na-Cs”等阴极材料。

杂质发射：光电子来源于杂质能级的发射，相应的材料叫杂质发射体，缺点：杂质浓度一般不超过1%，杂质发射的量子效率较低为1%左右典型材料：“银氧铯（Ag-O-Cs）”（2）光电子向表面运动：

半导体中的自由电子浓度很小，电子散射所造成的能量损失可以忽略不计。电子能量损失的主要是：晶格散射和与价带电子的碰撞，而晶格散射造成的能量损失非常的小。在以晶格散射为主的半导体中，对于某些吸收系数大于106/cm的半导体，它的逸出深度比较大，所产生的光电子几乎全部都以足够的能量逸出。（3）克服表面势垒逸出：

到达表面的光电子能否逸出取决于它的能量是否大于表面势垒。半导体的表面势垒情况

●本征半导体：

EA

Eg

Wφ

Ec

EF

Ev

Ev：价带能级Ec：导带能级EA：表面势垒本征半导体的逸出功为：

杂质半导体：其光电子发射中心在杂质能级上EcEa

Δ

EA

Δ：为从杂质能级上释放一个电子到导带所需要的最小能量EA：表面势垒Ea：杂质能级光电子逸出功为：（C）典型实用光电阴极材料（1）银氧铯（Ag-O-Cs，[Ag]-Cs2OAgCs-Cs）光阴极材料类型：杂质型半导体光电阴极材料，1929开始使用，1934年研制的第一支红外变像管就采用这种阴极，促进了当时军事技术的发展。制作：沉积的Ag膜用辉光放电的方法氧化后再引入Cs敏化制成光谱响应：光谱响应范围300-1200nm,响应曲线有两个峰值：分别为350nm和800nm工作方式：反射或透射

灵敏度：较低，光照灵敏度30uA/lm,辐照灵敏度3mA/W.缺点：长期光照射，会产生严重的疲劳现象，疲劳后光谱相应曲线也会发生变化，应用受到限制。改进：把Bi-Cs-O与Ag-O-Cs相结合，可获得在可见光谱范围内具有较均匀和高灵敏度的Bi-Ag-O-Cs光电阴极。目前该种材料很少使用；(2)单碱光电阴极--锑铯（Sb-Cs）光阴极本征型半导体材料，1936年开始使用。制作：面板上蒸纯Sb膜，引入Cs进行热处理;主要性能：光谱响应范围可见+紫外;长波限波长：700nm附近;峰值波长：300-500nm，依赖于窗材料;量子效率：最高可达30%;工作方式：反射或透射;灵敏度：积分灵敏度可达70-150uA/lm;该材料目前被广泛用作光电阴极材料，同时也可用作光电倍增管的倍增极，工作电压为400V，倍增系数可达10。（3）多碱光阴极当锑与一种以上碱金属结合可获得更好的光阴极材料双碱：（Sb-K-Cs）(Sb-Rb-Cs)（Sb-K-Na）三碱：（Sb-K-Na-Cs），夜视技术背景下发展起来四碱：（Sb-K-Na-Rb-Cs）主要性能：量子效率：在可见波段又很高的量子效率25%左右;工作方式：透射光谱响应：可到红外。（4）氧化的银-镁合金（AgMgO[Cs]）

用于倍增极材料，在400V时，倍增系数接近6。（二）各种型号光电倍增管介绍外部直径(mm)型号光谱响应特性阴极材料光窗材料倍增结构级数配套管座极限额定值光谱响应代号光谱响应范围(nm)峰值波长(nm)阳极电压(V)末极电压(V)阳极平均电流(mA)28GDB-443T35B300-670400KCsSbBBG/11GZS14-1515002500.1H2012T35B300-670400KCsSbBLF/8GZS13-216002500.0530GDB-235T30L310-650450CsSbLLF/8GZS10-116002500.05GDB-240T11L300-1150770AgORbCsLLF/11GZS14-120003000.1GDB-413T35B300-670400KCsSbBBG/11GZS13-215002500.1GDB-415T40B300-670420NaKSbBBG/11GZS13-225002500.140GDB-424T40B300-670420NaKSbBBG/11GZS15-121002500.1GDB-423T50B310-850450NaKCsSbBBG/11GZS15-118002500.1551GDB-512T35Q170-670400KCsSbQVB/13GZS15-220003000.2GDB-526T35B300-670400KCsSbBVB/11GZS15-218003000.25GDB-546T50B310-850400NaKCsSbBVB/11GZS19-122003000.2欢迎再来(KCsSb)(NaKCsSb)4.2光电倍增管(PMT)

A、光电倍增管特点：（1）较高的内增益，二次电子发射增益因子可达107。（2）对单个光子能量灵敏，应用于光辐射较弱，响应率要求较高的场合，特别是在高精度、远距离的激光测距中广泛使用。（3）光谱范围为可见+近红外（<1.06um）.B、光电倍增管工作原理：二次电子发射

D1

D3

D7

D5

D9D4D2

D8D6D10

－1200

－1000－800－600－400－200－1100－900－700－500－300－100Ka

RLVO光辐射K：光电阴极;D：为聚焦极;D1-D10：为倍增极（打拿极）;a：收集电子的阳极;光电倍增管的放大倍数：（1）计算阴极电流设Φ为入射到光阴极的光通量，IK为阴极电流（光阴极发射到D1上的电流），那么有：（4.1.3）

SK为阴极灵敏度，定义为阴极电流IK与标准A光源(色温为2856K的黑体辐射光)入射于光电阴极的光通量之比，单位为uA/lm。(2)计算阳极电流设阳极电流为Ia，Sa为阳极灵敏度，定义为阳极输出的光电流Ia与标准A光源入射于光电阴极的光通量之比，单位为A/lm。那么阳极电流为：（4.1.4）(3)计算光电倍增管的电流放大倍数Gm

(4.1.5)通常在实际工程计算中，电流放大倍数可以近似为：

（4.1.6）

其中f：第一倍增极对阴极发射电子的收集效率，通常取0.9g：倍增极间的传递效率：聚焦型结构g=1非聚焦型结构g<1n：为倍增极个数

δ：倍增极的倍增系数。◆如果f=g=1，n为9-14个，当极间电压为80-150V时，倍增极的倍增系数δ为3-6，那么电流放大倍数为

（4）估算倍增系数δ

δ与倍增极材料有关，也与倍增极的极间电压VD（伏特）有关，对于Sb-Cs阴极，δ可以近似为

(4.1.7)

对于银-镁倍增极，倍增系数可估算为

（4.1.8）

作业31、设光电倍增管有10个倍增极，每个倍增极的二次电子发射系数均为4，阴极灵敏度为20uA/lm，阳极电流不超过100uA时，试估算入射于阴极的光通量上限；2、设光电倍增管的阴极灵敏度为20uA/lm，倍增极倍增系数为3，当入射光通量为7.5x10-5lm时，阳极输出电流为150uA。计算带宽为1Hz时的输出噪声电流和等效噪声功率。C、光电倍增管的几种结构（1）电子光学输入系统（光电阴极到第一个倍增极之间的系统）1

234213456

754321（a）1：光电阴极2：金属导电层3：带孔膜片4：第一倍增极。收集效率85%以上，渡越时间的散差为10ns（b）与（a）相近，增加了斜劈式电极4（c）性能最好，光阴极为球面形，附加3个圆筒形电极(3,4,5)，渡越时间的散差接近零。（2）倍增极结构①聚焦型：直列式结构和圆形鼠笼式结构

直列式特点：倍增极的形状类似瓦片，它的曲度能提供一个聚焦电场，使前一级电子流大致射到下级倍增级中央，它的响应时间快，脉冲信号的上升时间小到1ns光辐射a

VOD1

D3

D7

D5

D9D4D2

D8D6D10

光电阴极聚焦电极聚焦形光电倍增管的缺点：每对倍增极的工作状态与邻近倍增极的电压有关，所以对供电电源的稳定性要求很高。入射光辐射屏蔽K

D1

D2D3D4D5D7D8鼠笼式特点：小巧紧凑，散差很小脉冲信号的上升时间可达ns级②非聚焦型D1

D2D4D5D6D7D8D9D10阳极珊网

光辐射

半透明光电阴极

VoD3百叶窗式

特点：每个倍增极采用若干小板，小板与光电倍增管轴线成450角，与前一倍增极的小板成900角。为从相邻的前一倍增极引出低能量的初级电子，每个倍增极前接有金属珊网，形成等电位体，屏蔽前一级的影响。此结构适用于大直径器件，倍增极可以做得很大，易于收集光电阴极所发射的电子。光辐射

光电阴极

Vo

D1

D2D3D4D5D6D7D8D9D10盒-网式

结构特点：倍增极由1/4圆弧组成，前面接有金属网，屏蔽上一级的影响。这种结构的倍增管体积可以做得很小，小型倍增管大多采用这种结构。非聚焦型

优点：（1）倍增极的效率较高，在低的极间电压下能给出高的倍增系数。（2）每对倍增极的工作状态基本上与邻近的倍增极电压无关。缺点：（1）非聚焦型结构由于电子散差效应，使得在同一时间从光电阴极中心和边缘处发射并经倍增极倍增的一束电子不能在同一时刻到达阳极，导致电子渡越时间存在的散差，这种散差使脉冲信号的前沿变斜。（2）非聚焦型光电倍增管的响应时间比聚焦型差。D、光电倍增管的基本特性一、伏-安特性（1）阴极伏-安特性：当入射照度E一定时，阴极发射电流IK与阴极和倍增极之间的电压VK的关系。IK(×10-3uA)

1051020304050VK(V)

E3E2E1E3>E2>E1

当VK在20V左右时，阴极电流开始趋向饱和，与入射照度成线性关系。（2）阳极伏-安特性：当入射照度E为一定时，阳极电流Ia与最后一级倍增极和阳极之间的电压Va的关系称为阳极伏-安特性。Ia(uA)

100

5010050Va(V)

照度不同时，阳极电压达50V时，阳极电流趋向饱和，与入射到阳极面上的照度成正比，实际中，感兴趣的是阳极伏-安特性。二、暗电流暗电流：无光照时，光电倍增管的输出电流。（对测量缓变弱信号不利）产生的主要因素：热电子发射、场致发射和极间漏电一般暗电流为10-8-10-9A，相当于入射光通量为10-10-10-13lm。

三、疲劳瞬间强光照射，灵敏度下降，但可恢复。过分的强光照射会使光电倍增管出现不可逆损坏，因此，在工作中，要求阳极电流不得超过额定值，一般在100uA左右，相当于阴极入射光通量为10-5lm.四、噪声

光电倍增管的噪声主要是散粒噪声，包括阴极电流产生的散粒噪声和各级倍增极产生的噪声。步骤1，阴极电流产生的散粒噪声，设阴极电流为IK，其散粒噪声功率为

（4.2.9）

与有用的信号一样，这个散粒噪声电流INK也将被逐级放大

步骤2，倍增极1的散粒噪声，由于二次电子发射也是个随机事件，必然引入附加散粒噪声，假定通过每一倍增极的倍增系数均为δ，则该级输出噪声功率为：步骤3，第二倍增极噪声，除了对阴极噪声和第一倍增级噪声进行放大外，第二倍增极自己也产生噪声，总噪声为：

类推可以得到第n级倍增级的散粒噪声功率：

（4.2.10）

由于δn

>>1，当f=g=1时，Gm=f(gδ)n=δn，所以上式可写为：（4.2.11）

阳极噪声功率（即第n个倍增级的噪声）为：过剩噪声因子（4.2.12）

五、通量阈