第五章+wyzh真空光电器件

第五章真空光电器件5.1光电阴极5.2光电管与光电倍增管5.3光电倍增管的主要特性参数5.4光电倍增管的供电和信号输出电路5.6光电倍增管的应用5.6光电倍增管的应用探测器件热电探测元件光电探测元件气体光电探测元件外光电效应内光电效应非放大型放大型光电导探测器光磁电效应探测器光生伏特探测器本征型掺杂型非放大放大型真空光电管充气光电管光电倍增管变像管摄像管像增强器光敏电阻红外探测器光电池光电二极管光电三极管光电场效应管雪崩型光电二极管表1：探测器件分类光导管或光敏电阻光电池光电二极管雪崩光电二极管肖特基势垒光电二极管光电磁探测器光子牵引探测器光电导(本征和非本征)光生伏特

PN结和PIN结(零偏)PN结和PIN结(反偏)

雪崩肖特基势垒异质结3.光电磁光子牵引内光电效应光电管充气光电管光电倍增管象增强管1.光阴极发射光电子正电子亲和势光阴极负电子亲和势光阴极2.光电子倍增气体繁流倍增打拿极倍增通道电子倍增外光电效应相应的探测器效应表2光子效应分类第五章真空光电器件5.1光电阴极工作基础：基于外光电效应的光电探测器件结构特点：有一个真空管，其它元件都放在真空管中分类：光电管和光电倍增管入射光辐射的光子能量足够大时，它和金属或半导体材料中的电子相互作用的结果使电子从物质表面逸出，---光电发射效应。在空间电场的作用下就会形成电流光电发射体-----能够产生光电发射效应的物体光电阴极----应用中光电发射体常和电源的阴极相连，又称为光电阴极光电发射效应----光电阴极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！！！光→光敏材料发射电子→电流为什么金属不作为光电发射材而采用半导体作为光电发射材料？知识回顾提问：什么是半导体光电效应？半导体材料吸收光子能量，输出电信号的现象。提问：半导体光电效应的分类？光电效应外光电（光电发射）效应发射体外自由电子，增加光电流内光电效应光电导效应增加体内自由电子，增大电导率光生伏特效应增加结内自由电子浓度，产生光生电压光电发射器件光电导器件光生伏特器件半导体发射阈值:对于金属情况，金属内光电子发射来源于费米能级EF附近。光电发射阈值定义为电子真空能级E0与EF之差，即：金属逸出功:

对半导体材料，体内光电子发射来源于价带EV附近，因此表面处的光电发射阈值Eφ为：电子亲和势：真空能级与导带底之差1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的时间是很短的，这个时间约为10-12s。半导体的光电逸出功由两部分组成：一部分是电子从发射中心激发到导带所需的最低能量；另一部分是电子从导带底逸出所需的最低能量（即电子亲和势）。由于电子逸出功不管从哪里算起，其中都包含有亲和势（真空能级与导带底之差），因此为了表示光电发射的难易，使用亲和势的概念比使用逸出功的概念更有实际意义。所以，对于半导体一般不用逸出功的概念，而用电子亲和势的概念。为了表示光电发射的能量阈值，许多资料都是按真空能级与价带顶之差（亲和势加上禁带宽度）来计算。我们通常所说的电子亲合势就是指的EAe，半导体材料的光电发射阈值变为：

实际的半导体能级，在半导体表面附近要发生弯曲，这时EA定义为E0与表面处导带底EC之差。

考虑到导带在表面处的弯曲量用ΔE表示，于是体内光电子的有效电子亲合势变为：由于ΔE的量值可以人为控制，EAe值可以人为地加以改变。如果EAe>0，就称为正电子亲和势光阴极，亦称经典光阴极，目前广泛用的光阴极就属此类。Eg正电子亲和势EAeECEFEvE0EthΔEEA如果EAe<0，即真空能级降至导带之下，就出现一种非常有利的光电子发射条件，只要激发导带中的光电子，因为没有表面势垒的阻挡，所以都能有效地逸出表面。这就是NEA光阴极的基本原理。EFEECVjEE0e负电子亲和势EAeEAEtheECEVEAeEDEAEthE0EEF（a）正电子亲和势正电子亲和势：表面真空能级位于导带底之上负电子亲和势：表面特殊处理后表面区域能带弯曲，真空能级降至导带底之下，有效电子亲和势为负值。半导体材料光阴极分为正电子亲和势(PEA，亦称经典光阴极)和负电子亲和势(NEA阴极)两种类型。NEA光阴极是当前性能最好的光阴极。EFEECVEAEthE0e（b）负电子亲和势①表面逸出功高。金属：②表面反射强，对光辐射的吸收率低。③内部存在大量电子，相互碰撞损失能量大。

①对入射光反射系数小，吸收系数大，在长波限就有电子发射。ａ：趋向表面运动的过程中 ②阴极层导电性适中：损失能量比金属小；半导体ｂ：传导电子的补充不发生困难。③半导体中存在着大量的发射中心（价带中有大的电子密度）。④小的光电逸出功，较高的量子效率。半导体材料与金属相比，对光辐射的吸收率大，内部能量散射损失小，表面势垒又可以人为控制，因而采用半导体材料作光阴极获得了广泛应用。这就是金属不作为光电发射材而采用半导体作为光电发射材料原因：∵紫外光能量大，∴只能做紫外探测器∴可用到近红外区1.光阴极表面对光辐射的反射小而吸收大，以便体内有较多的电子受到激发；

2良好的光阴极材料的标准：2.受激电子最好是发生在表面附近，这样向表面运动过程中损失的能量少；3.材料的逸出功要小（光阴极表面势垒低），使到达真空界面的电子能够比较容易地逸出；4.材料还要有一定的电导率，以便能够通过外电源来补充因光电发射所失去的电子。光照灵敏度：（白光、积分灵敏度）光电阴极光电流与入射的白光（色温2856K的钨丝灯）光通量之比。单位为μA/lm。色光灵敏度：（蓝光、红光、红外灵敏度篮白比、红白比、红外白比）局部光谱区域的积分灵敏度，即插入特定波长区的滤光片后阴极光电流与未插入滤光片时阴极所受光通量(白光光通量)之比。在单色（单一波长）辐射作用于光电阴极时，光电阴极输出电流与入射的一定波长的单色辐射通量之比。（1）灵敏度5.1.1光电阴极的主要参数光谱灵敏度：2.量子效率（或称量子产额）。入射的光子数与产生的电子数之比量子效率与光谱灵敏度之间的关系3.光谱响应曲线光电阴极的光谱灵敏度或量子效率与入射光波长的关系曲线4.热电子发射(暗电流)由于电子热能较大，而可能逸出阴极表面，而产生热电子发射一般光电发射阴极的暗电流极低，室温下典型阴极每秒每平方米发射的热电子可形成10-16~10-17A/m2的电流对于光电测量而言是噪声注意：真空光电器件中的光波灵敏度极限主要由光电阴极材料的长波限决定。实际上由阴极材料本身的能级和电子亲和势决定。作用：引起热噪声，限制探测器的灵敏度极限。5.1.2光电阴极的分类透射型：光通过透明介质射向光电阴极，而电子从光电阴极的另一面发射出去光电子反射型：光照射到阴极上，电子从同一测射出对阴极的厚度有要求,不能太厚光电子阴极一般较厚5.1.3常用的光电阴极材料1.银氧铯(Ag-O-Cs)

材料1934年研制的第一支红外变象管就采用这种阴极。具有良好的可见和近红外响应,目前，除了Ⅲ-Ⅴ族材料的光电阴极外，它仍然是在近红外区具有使用价值的惟一阴极。长波限可达1.2um但是——量子效率极低，暗电流大；h=0.1%h=1%1010.20.81.01.2lmmη=1%η=0.1%S(l)(mA/W)0.40.6银氧铯光电阴极光谱响应曲线Ag2O中间层Ag基底Cs2O内吸附Cs原子Cs原子结构银氧铯阴极是以Ag为基底，氧化银为中间层，上面再有一层带有过剩Cs原子及Ag原子的氧化铯，而表面由Cs原子组成，可用［Ag］-Cs2OAgCs-Cs的符号表示，有一些光电器件也有不用氧化而用硫化，或以碱金属代替铯原子，其目的都是希望得到高的响应度及合适的光谱响应范围。a灵敏度较低。光照灵敏度约为30μA/1m，辐照灵敏度为3mA/W，量子效率在峰值波长处也只有1%;将近红外区具有高灵敏度的Ag-O-Cs阴极和蓝光区具有高灵敏度的Bi-Cs-O阴极相结合，可获得在整个可见光谱范围内具有较均匀响应和高灵敏度的Bi-Ag-O-Cs光电阴极。h=0.1%h=1%1010.20.81.01.2lmmη=1%η=0.1%S(l)(mA/W)0.40.6银氧铯光电阴极光谱响应曲线长波限：长波灵敏度延伸至红外1.2μm；两个峰值350nm;800nm。是最早出现的近红外灵敏器，具有重要的军事应用价值。缺点：b.热噪声大：热电子发射密度：10-11~10-14A/cm2。（室温）其值超过任何其它光电阴极。c.长期受光照会产生严重的疲劳现象，疲劳后光谱响应会发生变化。光谱特性：见图2.单碱锑化物组成：碱金属与锑（Sb）、铅（Pb）、铋（Bi）、铊（Tl）等生成的金属化合物,具有极其宝贵的光电发射性能，常用的锑铯CsSb阴极性能：

(1)量子效率高:在蓝光区峰值量子效率可达30%，比Ag-O-Cs高30倍。在可见区，积分响应度达70-150uA/lm;(2)长波限为0.7um左右，可延伸；对红光、红外不灵敏。(3)_热噪声：热电子发射密度10-16A/cm2优于Ag-O-Cs

(4)制作工艺简单，广泛用于紫外和可见光区的光电探测器中。单碱锑化物阴极的特点它在可见光的短波区和近紫外区(0.3~0.45μm)响应率最高，其量子效率可达25％，长波限在0.65μm附近；它的典型光照灵敏度达60μA/lm，比银氧铯阴极高得多。CsSb阴极的热电子发射(约10-16A/cm2)和疲劳特性均优于银氧铯阴极，而且制造工艺简单，目前使用比较普遍。3.多碱锑化物——当锑和几种碱金属形成化合物时，具有较高的响应度（其中碱分为：双碱、三碱、四碱等，统称多碱）锑钾钠（

NaKSb）——响应度50－100uA/lm,在0.4um处，量子效率为25%,其典型光照灵敏度可达50μA/lm。耐高温（175℃左右）而一般含铯阴极的工作温度不能超过60℃，因此锑钾钠阴极可用于石油勘探等特殊场合。锑钾钠铯（

NaKSbCs）——峰值响应波长0.42um，响应度150uA/lm，长波限为0.85um。在较宽的光谱区具有较高的量子效率。具有高稳定性、疲劳效应小，运用广泛。近几年，经过特殊处理的NaKSbCs阴极，其光谱响应的长波限可扩展到930nm，峰值波长也从0.42nm延伸至0.6nm，光照灵敏度提高到400μA/lm。4.负电子亲合势光电阴极半导体光电阴极的光电子的逸出过程，价带导带E0ECEVEgE0（电子亲合势）前面讨论的常规光电阴极都属于正电子亲和势(PEA)类型，表面的真空能级位于导带之上。

但如果给半导体的表面作特殊处理．使表面区域能带弯曲，真空能级降到导带之下，从而使有效的电子亲和势为负值，经这种特殊处理的阴极称作负电子亲和势光电阴极(NEA)。Si-Cs2O是在p型Si的基质材料上涂一层极薄的金属Cs，经特殊处理而形成n型Cs2O。表面为n型的材料有丰富的自由电子，p型基底材料有丰富的空穴，相互扩散形成表面电荷局部耗尽。与p-n结情况类似，耗尽区的电位下降Ed，造成能带弯曲，如图所示。EAeEA2EdEv2Ev1EFEc1Ec2E0EF﹢﹢﹢﹢﹢﹣﹣﹣﹣﹣表面耗尽区Ev1EFEC1E0Eg1EA1EV2EFEC2EA2Cs2OSi本来p型Si的发射阈值是EA1

，电子受光激发进入导带后需克服亲和势Ed1=EA1+Eg1才能逸出表面。对于p型Si的光电子需克服的有效亲和势为：由于能级弯曲，，这样就形成了负电子亲和势。PN费米能级和电子占据率关于电子占据能级的规律，根据量子理论和泡利不相容原理，半导体中电子能级的分布服从费米－狄拉克统计分布规律。在热平衡条件下，能量为E的能级被电子占据的概率为k是玻尔兹曼常数，即1.38×10-23J/K；T为绝对温度；EF为费米能级。T=0KT>0K=1(E<Ef)=0(E>Ef)=0.5(E=Ef)>0.5(E<Ef)<0.5(E>Ef)Ef的意义是电子占据率为0.5时所对应的能级

例如本证半导体绝对零度时，由于没有任何热激发，电子全部位于价带(Ev<Ef)。即能量为Ev的能级被电子占据的概率为100％Ef：标尺，可用以定性描述半导体中载流子的分布电子占据概率：

空穴占据概率：

表明np与费米能级无关；Eg（禁带宽度）越小，np

越大，导电性越好；半导体的载流子浓度随温度增加而增加。则热平衡时电子和空穴的浓度：

为价带有效能级密度为导带有效能级密度结论1结论2随E的增加，f（E）迅速减小。意味着：导带中的电子绝大多数能量是在导带底附近；同样价带中空穴绝大多数能量在价带顶。EcEvEdEfnn

半导体EcEvEfiEi本征型半导体EcEvEaEfpp

半导体热平衡态下费米能级分布：结论3掺杂浓度越高，费米能级离禁带中央越远禁带中央靠近导带底靠近价带顶PN结能带与势垒：P型、N型半导体的费米能级受各自掺杂的影响，在能带图中的高低位置不一致，如图1—19(a)所示。当P型、N型半导体结合成为PN结时，按费米能级的意义，电子将从费米能级高的N区流向费米能级低的P区，空穴则从P区流向N区，因而Efn不断下移，且Efp不断上移，直至Efn

=Efp为止。这时PN结中有统一的费米能级Ef，PN结处于平衡状态，但处于PN结区外的P区和N区中的费米能级相对于价带和导带的位置要保持不变，这就导致pN结能带发生弯曲如图1-19(b)所示。能带弯曲实际上是PN结区内建电场作用的结果，也就是说，电子从N区到P区要克服电场力做功，越过一个“能量高坡”，这个势能“高坡”eUD(UD为接触电势差)通常称为PN结势垒，其大小等于P区导带底能级与N区导带底能级之差，即eU=Ecp-Ecn(1)量子效率高负电子亲和势阴极因其表面无表面势垒，所以受激电子跃迁到导带并迁移到表面后，无需克服表面势垒就可以较容易地逸出表面.负电子亲和势光电阴极与前述的正电子亲和势光电阴极相比，具有以下特点：(2)光谱响应延伸到红外、光谱响应率均匀正电子亲和势光电阴极的阈值波长为：负电子亲和势光电阴极的阈值波长为：例如：GaAs光电阴极，Eg为1.4eV，阈值波长约为890nm。对于禁带宽度比GaAs更小的多元Ⅲ－Ⅴ族化合物来说，响应波长还可向更远的红外延伸。(3)热电子发射小与光谱响应范围类似的正电子亲和势的光电发射材料相比，负电子亲和势材料的禁带宽度一般比较宽，所以在没有强电场作用的情况下，热电子发射较小，一般只有10-16A/cm2。(4)光电子的能量集中基本等于导带底的能量，可提高光电成像器件的空间分辨率和时间分辨率。5.紫外光电阴极紫外辐射有较高的能量，探测其一般没有困难，而关键在于采用什么合适的窗口材料，可使紫外辐射透过（而可见光无响应）并且射向光电阴极。碲化铯（CsTe）和碘化铯（CsI）——对太阳和地表辐射不敏感，在紫外区响应范围为100－280nm,长波限在290－320nm。CsTe(长波限0.32μm）CsI（长波限0.2μm)目前比较常用的有(日盲型光电阴极)真空光电管由玻壳、光电阴极和阳极三部分组成。为了防止氧化，将管内抽成真空。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。5.2光电管与光电倍增管5.2.1光电管phototube(PT)阴极K阳极AIФΦRLUoutUb真空光电管工作原理结构真空光电管常用的电极结构有：①中心阴极型②中心阳极型③半圆柱面阴极型④平行平板极型⑤带圆筒平板阴极型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。优点：光电阴极面积大，灵敏度较高，一般积分灵敏度可达20－200μA/lm；暗电流小，最低可达10-14A；光电发射弛豫过程极短。缺点：充气光电管充气光电管（又称离子光电管）由封装于充气管内的光阴极和阳极构成。它不同于真空光电管的是，光电子在电场作用下向阳极运动时与管中气体原子碰撞而发生电离现象。由电离产生的电子和光电子一起都被阳极接收，正离子却反向运动被阴极接收。因此在阳极电路内形成数倍于真空光电管的光电流。充气光电管的电极结构也不同于真空光电管。常用的电极结构有中心阴极型、半圆柱阴极型和平板阴极型。充气光电管最大缺点是在工作过程中灵敏度衰退很快，其原因是正离子轰击阴极而使发射层的结构破坏。充气光电管按管内充气不同可分为单纯气体型和混合气体型。①单纯气体型：这种类型的光电管多数充氩气，优点是氩原子量小，电离电位低，管子的工作电压不高。有些管内充纯氦或纯氖，使工作电压提高。②混合气体型：这种类型的管子常选氩氖混合气体，其中氩占10％左右。由于氩原子的存在使处于亚稳态的氖原子碰撞后即能恢复常态，因此减少惰性。

真空光电管充气光电管优点1.光电阴极面积大，暗电流小；光照灵敏度高2.驰豫过程小。缺点1.灵敏度低；1.稳定性差；2.体积大；2.线性度差；3.玻璃体，易碎。4.和放大器配合使用受限3.噪声大；4.响应时间长真空、充气光电管比较5.2.2光电倍增管photomultipliertube（PMT）光电倍增管比光电管增加的电子光学系统和电子倍增极，因此极大地提高了灵敏度光电倍增管利用外光电效应和二次电子发射效应相结合，把微弱的光输入转化为光电子，并使光电子获得倍增的一种真空光电探测器件，极大地提高了检测灵敏度。电子光学系统光电倍增管一、光电倍增管的结构与原理——光窗（Inputwindow)——光电阴极(Photocathode)——电子光学系统——电子倍增系统(Dynodes)——阳极(Anode)1入射光窗—光窗分侧窗式和端窗式两种1光电倍增管的结构由于光窗对光的吸收与波长有关，波长越短吸收越多，所以倍增管光谱特性的短波阈值取决于入射光窗材料。侧窗端窗反射式光电阴极透射式光电阴极侧窗式端窗式对结构的要求：1）.使光电阴极发射的光电子尽可能全部会聚到D1→提高信噪比。2）.使阴极面上各处发射的光电子在电子光学系统中有尽可能相等的渡越时间→增加快速响应性。1）是入射光的通道。2）决定倍增管光谱特性的短波阈值

a作用：b常用的光窗材料：有钠钙玻璃、硼硅玻璃、紫外玻璃、熔凝石英和氟镁玻璃等。PMT光谱特性的长波阈值由什么因素决定?窗口材料特性对比硼硅玻璃1.透射光光谱从300nm到红外，不适合紫外辐射窗口2.应用于闪烁计数透紫外玻璃优点是透紫外性能好，紫外短波透射截止波长可延伸到185nm，但化学稳定性差熔融石英（熔融二氧化硅）的优点是在远紫外区有相当好的透过率，短波截止波长可达到160nm，但热膨胀系数相差大，不适用于作芯柱材料，只用于管子的头蓝宝石是一种Al2O3晶体，它的特点是紫外透过率处于熔融石英和透紫外玻璃之间，但紫外截止波长比石英玻璃还要短，可以达到150nm。MgF2短波透射波长可到115nm光电倍增管的光谱特性由窗口材料和光电阴极决定2光电阴极—光电阴极材料沉积在入射窗的内侧面,接收入射光,向外发射光电子。决定倍增管光谱特性的长波阈值作用：决定光电转换能力决定整管灵敏度3电子光学系统——指光电阴极至第一倍增极之间的区域。其中包括光电阴极、聚焦极、加速极及第一倍增极。结构：主要由聚焦电极和偏转电极组成。－－通过电场加速和控制电子运动路线作用：使光电阴极发射的光电子尽可能全部汇聚到第一倍增极，将其他部分的杂散热电子散射掉，提高信噪比，用电子收集率表示；使阴极面上各处发射的光电子在此系统中渡越的时间尽可能相等，保证PMT的快速响应。37对电子光学系统的要求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；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，即渡越时间离散最小。倍增系统是由许多倍增极组成，每个倍增极都是由二次电子倍增材料构成的，具有使一次电子倍增的能力。倍增系统是决定整管灵敏度最关键的部分。(1)二次电子发射原理二次电子发射过程三个阶段①材料吸收一次电子的能量，激发体内电子到高能态(内二次电子)；②内二次电子中初速指向表面的那一部分向表面运动；③到达界面的内二次电子中能量大于表面势垒的电子发射到真空中，成为二次电子。4、电子倍增极作用：倍增

10-15级倍增极二次电子倍增材料一次电子二次电子二次电子发射是电子轰击材料，使新的电子逸出。光电发射是光轰击材料使电子逸出当有足够动能的电子轰击某种材料时,材料表面发射新的电子的现象。称入射电子为一次电子,从材料表面发射的电子为二次电子。用该材料的二次发射系数表征材料发射电子的能力：要求：二次电子发射系数要大

二次电子发射系数：二次发射系数与一次电子能量关系增大Ep，σ值反而下降不同材料σ

max

金属：0.5～1.8半导体和介质：5～6负电子亲和势材料：500~σ随Ep增大而增大Epmax约为100～1800eV制作二次电子发射材料的要求：(1)发射系数稳定，低工作电压下具有较大的二次电子发射系数；(2)热发射要小（引起噪声）；(3)容易制成各种形状；2）倍增极材料①主要银氧和锑銫两种化合物，它们即可做光电发射材料，也可做二次电子发射材料；②氧化物型，氧化镁、氧化钡；③合金型，银镁、铝镁、铜镁、铜铍④负电子亲合势材料，如铯激活的磷化镓其原因是：当一次电子能量过大时，电子穿透材料的有效深度增加，尽管激发的二次电子数有所增加，但许多深层的二次电子逸出过程中，由于碰撞散射而损失能量，结果不能逸出反而使减小σσmσa)百叶窗式

b)盒栅式

c)直瓦片式

d)圆瓦片式各种倍增极的结构形式根据电子的轨迹，倍增极可分为：

非聚焦型——只加速(倍增极形成的电场只能使电子加速，而电子轨迹都是平行的)如：盒栅式、百叶窗式聚焦型——加速、聚焦（电子从前一倍增极飞向后一倍增极时，在两个倍增极之间可能发生电子束交叉的结构）

如：圆瓦片式（鼠笼式）、直线聚焦式

此外，还有微通道板式结构(a)(b)(c)端窗，半透明材料光电阴极，灵敏度，均匀度比侧窗好，为使阴极面灵敏度均匀，受光均匀，半球状阴极面，时间差小。45度倾角同位叶片，叶片前加栅网，加强对入射电子的吸引力，防止二次电子逃逸。面积可以做的很大。收集率低，渡越时间的离散性大，时间响应慢。这种结构多用于不太要求时间响应的场合。

¼圆柱面，两端加盖，倍增极前有栅网，加强对入射电子的吸引力，防止二次电子逃逸。收集率95%，均匀性，稳定性好，极间电子渡越时间离散性大，响应慢。因其相对简单和一致的倍增极结构而被广泛地应用于端窗型光电倍增管。形似半圆柱状瓦片，极间电子渡越时间离散性小，响应快，线性好。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。聚焦式结构，瓦片形，电子渡越时间离散性小，电子收集率高，接近1。结构紧凑，响应快。主要应用于侧窗型光电倍增管。各种倍增极的结构形式a)百叶窗式

b)盒栅式

c)直线聚焦式

d)鼠笼式倍增极结构形式特点聚焦型直瓦片式极间电子渡越时间零散小，但绝缘支架可能积累电荷而影响电子光学系统的稳定性圆瓦片式结构紧凑，体积小，但灵敏度的均匀性差些。非聚焦型百叶窗式工作面积大，与大面积光电阴极配合可制成探测弱光的倍增管，但极间电压高时，有的电子可能越级穿过，收集率较低，渡越时间零散较大。盒栅式收集率较高（可达95%），结构紧凑，但极间电子渡越时间零散较大。5.阳极(Anode)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。结构要求①接收性能良好，尽可能多的收集电子，工作在较大电流时，不至于产生空间电荷效应。②输出电容要小.阳极广泛采用栅网状结构。阳极因空间电荷效应而影响接收电子——靠近A，空间的电子浓度很大，对于D10后来没射出来的的电子有排斥作用。

阴极KA阳极μAU1U2U5U6U3D2U4D3D1D4D5①光子透过入射窗口入射在光电阴极K上；②光电阴极受光照激发，表面发射光电子；③光电子被电子光学系统加速和聚焦后入射到第一倍增极D1上，倍增极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，光电子数就放大N次。④经过倍增后的二次电子由阳极P收集起来，形成阳极光电流Ip（随光信号而变化）．在负载RL上产生信号电压V0。为了使光电子能有效地被各倍增极电极收集并倍增，阴极与第一倍增极、各倍增极之间以及末级倍增极与阳极之间都必须施加一定的电压。最普通的形式是在阴极和阳极之间加上适当的高压，阴极接负，阳极接正，外部并接一系列电阻，使各电极之间获得一定的分压，如上图所示。1光电倍增管工作原理5.3光电倍增管的主要特性参数1.灵敏度1）光谱响应阴极光谱灵敏度窗口材料光电阴极材料阳极光谱灵敏度光电倍增管放大系数倍增管灵敏度有阴极灵敏度与阳极灵敏度之分。每一种灵敏度对于入射光，又都有光谱灵敏度（对于单色光）与积分灵敏度（对于多色光或全色光）之分。积分灵敏度与测试光源的色温有关，一般用色温为2856K的白炽钨丝灯。2）阴极灵敏度阴极灵敏度：阴极输出电流与入射光通量之比IKIK阴极KA阳极μAD2D3D1D4D5白光灵敏度单色灵敏度，或光谱灵敏度测试阴极灵敏度时，以阴极为一极，其它倍增极和阳极连在一起为一极，即无倍增时的光电流与入射辐射通量之比值。－100V～－300V照射到光电阴极上的光通量约为10-5～10-2lm3）阳极灵敏度阳极灵敏度：光电倍增管正常工作下的总输出电流与入射辐射通量之比值。IP白光灵敏度蓝光灵敏度、红光灵敏度各种单色灵敏度阴极KA阳极μAU1U2U5U6U3D2U4D3D1D4D5阳极灵敏度测试各倍增极和阳极都加上适当电压；因为阳极灵敏度是整管参量，与整管所加电压有关，所以必须注明整管所加电压。2.放大倍数（增益）M设第一，第二、第三、…第N极的倍增系数分别为：且电子光学系统的电子收集率为：则阳极光电电流和阴极电流的关系为设各倍增系数都为则：理论和实验表明，倍增极的二次发射系数σ值主要取决于倍增极材料和极间电压，C是常数k一般为0.7~0.8，与倍增极的材料和结构有关电流放大倍数表征了光电倍增管的内增益特性，它不但与倍增极材料的二次电子发射系数σ有关，而且与光电倍增管的级数n有关。理想光电倍增管的增益M与电子发射系数σ的关系为当考虑到光电阴极发射出的电子被第1倍增极所收集，其收集系数为ε1，且每个倍增极都存在收集系数，因此，增益M应修正为（1）电流增益的稳定性：可见，电流增益M和阳极输出电流随所加电压的kn次方指数变化。因此，在使用光电倍增管时，为了使输出电流稳定，级问电压Ud应保持稳定。可作如下计算：一般情况下，n=9～12，因此电源电压的稳定度要优于测量精度一个数量级。例如，测量精度为1％，所加电源电压的稳定度应为0.1％。可见，材料一定，总电流增益与极间电压的关系十分密切，工作电压微小变化将使M值有明显的波动，这将使光电倍增管的工作不稳定。倍增极的二次电子发射系数σ可用经验公式计算，对于锑化铯（Cs3Sb）倍增极材料有经验公式对于氧化的银镁合金（AgMgO[Cs]）材料有经验公式光电倍增管在电源电压确定后，电流放大倍数可以从定义出发，通过测量阳极电流Ia与阴极电流Ik确定。（2）从上述讨论可知，n和σ愈大，M值就愈高。但过多的倍增级数将使光电倍增管的管长加长，体积加大，同时还将使电子渡越效应变得严重，影响光电倍增管的频率特性和噪声性能。综合上述诸因素，一般选用较大的σ值和较少的级数。实验发现，随着工作电压增大，σ趋于一最大饱和值，过此值后．电压V再增大时σ反而变小。通常σ值为3--6，n取9--14级，M为105--107。负电子亲合势打拿极σ的值可高达20--25，这可使级数n大为减少．又可得到良好的频率特性。在各电极都加上正常工作电压并且阴极无光照情况下阳极的输出电流,记为ID。光电倍增管的暗电流值在正常应用的情况下是很小的，一般为~nA，是所有光电探测器件中暗电流最低的器件。说明：暗电流的存在决定了光电倍增管可测量光信号的最小值。一只好的光电倍增管，要求其暗电流小并且稳定产生暗电流的因素：3.暗电流1、欧姆漏电欧姆漏电主要指光电倍增管的电极之间玻璃漏电、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。

2、热发射降低光电倍增管的温度是减小热发射暗电流的有效方法。由于光电阴极材料的光电发射阈值较低，容易产生热电子发射，即使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。措施：尽量保持各电极之间的清洁、干燥阳极输出电流：暗电流和信号电流4、场致发射光电倍增管的工作电压高时还会引起管内电极尖端或棱角的场强太高产生的场致发射暗电流。显然降低工作电压场致发射暗电流也将下降。5、玻璃壳放电和玻璃荧光当光电倍增管负高压使用时，金属屏蔽层与玻璃壳之间的电场很强，尤其是金属屏蔽层与处于负高压的阴极电场最强。在强电场下玻璃壳可能产生放电现象或出现玻璃荧光，放电和荧光都要引起暗电流，而且还将严重破坏信号。因此，在阴极为负高压应用时屏蔽壳与玻璃管壁之间的距离至少为10~20mm。3、残余气体放电选择合适的极间电压光电倍增管中高速运动的电子会使管中的残余气体（由于抽真空技术限制）电离，产生正离子和光子，它们也将被倍增，形成暗电流。这种效应在工作电压高时特别严重，使倍增管工作不稳定。暗电流的产生与电源电压有密切关系，如下图所示在低电压时，暗电流由漏电流决定；电压较高时，主要是热电子发射；电压再大，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。实际使用中，为了得到比较高的信噪比S/N，所加的电源电压必须适当，。一般工作在右图的b段⑵减小暗电流的方法：①选择合适的极间电压；②在阳极回路中加上与暗电流相反的直流成分来补偿；③在倍增输出电路中加以选频或锁相放大滤掉暗电流；④利用冷却法减小热电子发射采用⑤合适的屏蔽，以减小自然界中的辐射线照射，如果专门屏蔽管子的光阴极与第一倍增极的区间，外界辐射的干扰也会有较大的减小。在一些弱光直流测量中，信号电流小到与暗电流可以比拟的程度，这时在阳极输出电路中，可采用暗电流补偿的方法。图(a)是一种最简单的补偿电路。在检流计上并联可变电阻且与电池串联的支路，调节可变电阻，产生一个反方向的电流。正好抵消暗电流，即所谓调零。经补偿之后，测出的就是信号电流。由于暗电流经常变化，所以使用时要随时调零。选频和锁相放大将入射光调制成一定频率的周期信号，而在光电倍增管的信号输出电路中加一选频放大器，以滤掉暗电流的直流分量。但由于选频放大器的中心频率不易做得很稳定，并有一定的通频带，因此抑制暗电流的交流成分有一定的限度。如果用锁相环放大代替选频放大，那么输出信号的信噪比会有很大的提高4.噪声器件本身的散粒噪声：对于一些不连续的量,如电子发射,光子发射,电子流等,其发射率在平均值附近上下起伏,而产生噪声一般采用冷却的方法来抑制，但有几点要注意………….①光电阴极的光谱响应曲线会随温度而变化，光电仪器定标时的工作温度必须和测量温度相同②光电阴极（如CsSb)的电阻会随温度下降而很快增加，结果光电流改变了阴极的电位分布，从而影响第一倍增极的光电子收集效率③冷却时要防止光入射窗上凝结水汽，引起入射光线的散射，同样在管座上也易引起高压击穿和漏电流④致冷温度不能过低，否则可能会引起阴极和倍增极材料的损坏，或者是玻壳封结处裂开器件本身的热噪声负载电阻的热噪声光电阴极和倍增极的闪烁噪声(1/f噪声)光电倍增管的噪声主要由散粒噪声和负载电阻的热噪声组成。负载电阻的热噪声为

（5-14）

散粒噪声主要由阴极暗电流Id，背景辐射电流Ib以及信号电流Is的散粒效应所引起的。阴极散粒噪声电流为

（5-15）

散粒噪声电流将被逐级放大，并在每一级都产生自身的散粒噪声。如第1级输出的散粒噪声电流为

（5-16）

第2级输出的散粒噪声电流为

第n级倍增极输出的散粒噪声电流为

为简化问题，设各倍增极的发射系数都等于δ（各倍增极的电压相等时发射系数相差很小）时，则倍增管末倍增极输出的散粒噪声电流为

（5-19）

δ通常δ在3~6之间，接近于1，并且，δ越大，越接近于1。光电倍增管输出的散粒噪声电流简化为

（5-20）

总噪声电流为

（5-21）

在设计光电倍增管电路时，总是力图使负载电阻的热噪声远小于散粒噪声

＜＜（5-21）

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

（5-23）

当然，提高光电倍增管的增益（增高电源电压）G，降低阴极暗电流Idk都会减少对阳极电阻Ra的要求，提高光电倍增管的时间响应。

5.伏安特性2）阳极伏安特性曲线相应于不同辐射通量值的阳极伏安特性示于图中，它表示阳极电流IP

对于最后一级倍增极和阳极间的电压U的关系。作此曲线时，其余各电极的电压保持恒定。1）阴极伏安特性曲线Ф2Ф3Ф51015IK(nA)UK(V)50100它表示阴极电流IK

与阴极与第一倍增极之间电压的关系。在电路设计时，一般使用阳极伏安特性曲线来进行负载电阻、输出电流、输出电压的计算当阳极电压增大到一定程度后，被增大的电子流已经能够完全被阳极所收集，阳极电流Ia与入射到阴极面上的光通量φ成线性关系而与阳极电压的变化无关。可以看作恒流源。倍增管的显著特点是适于微弱光信号的探测。在使用时要切忌过度光照。由于光电子从阴极到阳极要渡越较长的距离，所以在使用时对光电倍增管进行良好的电磁屏蔽也是十分重要的..输出信号和等效电路⑴图解法:图3-16当时，为线性应用。对直流通路：对交流通路：⑵等效电路在一定的光照度范围内，光电倍增管的输出与入射光功率保持正比例关系，但是随着入射光强的增强，在最后几级倍增极上出现较大的电流，倍增极的次级电子发射因大量发射电子而出现疲劳效应，又由于较大的电流形成显著的空间电荷而使电子的加速受阻，因此使增益降低。ФIP线性区饱合区6.线性⑴引起非线性的原因：---表征阳极电流与阴极光通量之间关系。内因，即空间电荷、光电阴极的电阻率、聚焦或收集效率等的变化，外因，光电倍增管输出信号电流在负载电阻上的压降对末级倍增极电压产生负反馈和电压的再分配都可能破坏输出信号的线性。⑵解决方法①极间电压保持足够高②阴极电阻：（一部分被照射，一部分没有被照射）；③负载电阻：光电流→负载电阻压降→阳极电压↓用运放作电流电压转换，减小有效负载电阻；④阳极或倍增输出电流引起电阻链中电压再分配：I↑→电阻压降→阳极电压↓→0解决办法：电阻链中的电流至少应大于1000倍的最大阳极电流。工作在饱合区时信号会失真。7.稳定性光电倍增管的稳定性是指在恒定光照情况下，阳极电流随时间的变化。在闪烁计数和光度测量中十分重要。光电倍增管的稳定性与工作电流、极间电压、运行时间、环境条件和光照情况等许多因素有关。⑴长期工作中灵敏度的慢漂移原因：最后n级倍增极在大量电子轰击下受损，引起二次发射系数变化。⑵滞后效应：在光电倍增管加上高压或开始光照的短时间内，阳极输出的不稳定。解决方法：①抗滞后设计；②老化（不可逆）：光电倍增管的残余气体与光电阴极作用，玻璃中的Na离子掺入光电阴极使灵敏度下降；新的光电倍增管自然老化一段时间后再使用，使用的阳极电流小一些，可以减缓老化过程。③疲劳：灵敏度降低后，在黑暗中放置几个小时再使用可恢复原状态.9.时间特性光电倍增管的时间响应主要是由从光阴极发射光电子、经过倍增极放大到到达阳极的渡越时间，以及由每个光电子之间的渡越时间差决定的。光电倍增管的时间响应通常用阳极输出脉冲的上升、下降时间、电子的渡越时间及渡越时间离散来表示。⑴上升时间：10%→90%所用的时间。⑵渡越时间：光脉冲到达光电阴极和阳极输出最大脉冲电流达到最大值的时间间隔定义为光电子的渡越时间。⑶渡越时间离散：函数光脉冲照到光电阴极的不同区域，发射的电子到达阳极的渡越时间的不一致性。10.磁场特性磁场会使本来由静电场确定的电子轨迹产生偏移。这种现象在阴极到第一倍增极区域最为明显，因为在这一区域，电子路径最大。在磁场的作用下电子运动偏离正常轨迹，引起光电倍增管灵敏度下降，噪声增加。目前由于分别采用了近贴栅网和微通道板代替普通的倍增极结构，这些类型的光电倍增管抗磁场干扰能力得到很大的加强，故可在强磁场强度的环境中使用。降低方法：光电倍增管加屏蔽筒，筒长至少是光电倍增管的2倍。六、疲劳与衰老

这是由于过大的光电流使电极升温而使光电发射材料蒸发过多所引起。在停歇一段时间后还可全部或部分得到恢复。光电倍增管由于疲劳效应而灵敏度逐步下降，称为老化，最后不能工作而损坏。过强的入射光会加速光电倍增管的老化损坏，因此，不能在工作状态下（光电倍增管加上高压时）打开光电直读光谱仪的外罩，在日光照射下，光电倍增管很快便损坏。

因此，管子不使用时，应存放在黑暗的环境中；使用时忌强光照射，一般要求阳极电流不得超过额定值100μA左右，相当于阴极入射光通量为10-5lm，如光电阴极面积为5cm2，相当于照度为2×10-2lx（相当于上弦月夜空对地面的照度)。光电倍增管的灵敏度随工作时问的延长而下降。若在弱光下工作，且阳极电流不超过额定值，则工作完后将管子保存在暗室中一段时间，其灵敏度能恢复到初始值，若管子长期连续工作或受强光照射，则灵敏度不可能再恢复，这种现象被称为疲劳。七、光电倍增管优缺点放大倍数很高，用于探测微弱信号；光电特性的线性关系好；工作频率高；性能稳定，使用方便；供电电压高；玻璃外壳，抗震性差；价格昂贵，体积大；5.4光电倍增管的供电和信号输出电路一高压电源在0.01%~0.05%之间二高压分压电路光电倍增管工作时，需要在阴极和阳极之间加上500—1000V的高压。该电压将以适当的比例分配给聚焦极、倍增极和阳极，保证光电子能被有效地收集，光电流通过倍增系统得到放大。实际应用中各极间的电压都是由连接于阳极与阴极之间的分压电阻所提供的，这一电路被称为高压分压电路。要求电源稳定度比光电倍增管增益的稳定度高约10倍目前，一种体积小巧的高压电源模块比较适合用于光电倍增管中输入直流电压一般为+15伏，输出端可获得上千伏的负高压，电压稳定度为0.02%～0.05%。通过调节控制端两端的电阻或电压值，输出的电压可以从200伏至1200伏之间变化分压电路的接地方式阴极KA阳极D2ED3D1D4D5R6R3R2R1R4R5IPA0-1）负高压供电：多数情况下采用阳极接地、阴极接负高压方式优点：便于跟后面的放大器相接，操作安全，后面不仅可以通过一个低压耦合电容与交流放大器相接，也可以直接与直流放大器相接。缺点：这时阴极要处于负高压，接地的管子玻壳的金属支架或磁屏蔽筒不能跟阴极靠得很近，至少要间隔1～2cm，整个倍增管装置的体积也要大些，屏蔽困难；暗电流和噪声大。它们与阴极和倍增极间的高电压差（使某些光电子打到玻壳内侧产生玻璃闪烁现象）导致噪声的显著增加如果工作时对暗电流和噪声要求不太苛刻，一般都采用阳极接地。阴极KA阳极D2UD3D1D4D5R6R3R2R1R4R5RLIPCs2）正高压供电优点：便于屏蔽，光、磁、电的屏蔽罩可以跟阴极靠得近些，屏蔽效果好；暗电流小，噪声低。缺点：阳极要处于正高压，会导致寄生电容大，匹配电缆连接复杂，特别是后面若接直流放大器，整个放大器都处于高电压，不利于安全操作；如果后面接交流放大器，则必须接一个耐压很高的隔直电容器，而一般耐压很高的电容器体积大而且价格高。

闪烁计数器中（由于与光电倍增管紧密接触的闪烁体是接地的）必须采用阴极接地的方法，只适用于交流或脉冲信号测量系统。阴极KA阳极D2UD3D1D4D5R6R3R2R1R4R5UoutRaIP5.4.3分压电流与输出线性的关系分压电流：流经分压电路的电流1.直流信号工作时的线性A段：当入射光比较弱时，流经各分压电阻的电流差别不大，所以此时成线性（A段）B段：当入射光再增强，前面几级所分得的电压明显增大，使它们的二次电子发射系数增大，而这种改变又一步步的被放大，所以使输出电流的放大倍数增大（B段）C段：当入射的光通量进一步增加时，阳极电流接近于分压器上的电流，阳极与最末级倍增极之间的电压减小，阳极的电子收集率逐渐减小，最后阳极输出电流饱和，如图中曲线C段为了使光电倍增管工作稳定且要保证阳极电流最大时，倍增极的极间电压UD基本不变，这就要求流过电阻链的电流IR至少要比阳极最大的平均电流IAmax大10倍以上．当光电倍增管工作时，其内阻随电流信号的增加而减小，特别是最后几级变化较大，对分压电阻链有分流作用。因此，当电流信号增加时将导致流过分压电阻的电流减小，引起极间电压变小，造成放大倍数下降和光电特性线性变坏。为了尽量减小光电倍增管的内阻变化对电阻链的分流作用，则要求分压电阻取得适当小，以保证流过电阻链的电流IR较最大阳极电流IP大得多，这样可将分压电阻链供电电路看做恒压系统。如图为典型光电倍增管的电阻分压式供电电路。电路由11个电阻构成电阻链分压器，分别向10级倍增极提供电压UDD。最常用的电阻链分压型供电电路1．分压电阻的确定工作电压的确定要保证光电倍增管工作在伏安特性曲线的线性区内。一般，总电压在1000～1500V，各个倍增极的极间电压U在80～lOOV。选定电流后，可以计算出电阻链分压器的总阻值IR≥(10~20)Ia

R=Ubb/IR各分压电阻Ri

为而R1应为若电阻链为均匀分压，则每个分压电阻的阻值应相等。因倍增管中的电流与电阻链中的电流是并联关系，为了使光电倍增管工作稳定且要保证阳极电流最大时，倍增极的极间电压UD基本不变，这就要求流过电阻链的电流IR至少要比阳极最大的平均电流IAmax大10倍以上．即一般IR越大，对稳定极间电压越有利；但IR太大会增大电阻的功耗，加重电源的负担。实际上，各个倍增极的极间电压也可以不相等，这样还有可能使某些性能得到提高。一般，R1应较大，使得阴极至第一级倍增极之问的电压UD1较高。这样，第一级倍增极二次发射系数高，外界电磁场影响也较小，可大大提高信噪比。R9、R10，R10也应适当取得大一些，且不相等。这是由于最后几级电流信号较大，为了避免出现当电流信号很大时，往往由于在最后两个打拿极之间形成负空问电荷效应而出现饱和现象引起失真，应适当加大后几级的极间电压。中间几级的极间电压可根据需要的增益来选择，一般采用均匀分压．2、电源电压的稳定度极间供电电压UDD直接影响着二次电子发射系数σ，或管子的增益M。因此，根据增益M的要求可以设计出极间供电电压UDD与电源电压Ubb。对式进行微分，并用增量形式表示，可得到光电倍增管的电流增益稳定度与极间电压稳定度的关系对锑化铯（Cs3Sb）对银镁合金由于光电倍增管的输出信号Uo=MSkφvRL，因此，输出信号的稳定度与增益的稳定度有关

3.末极的并联电容当入射辐射信号为高速的迅变信号或脉冲时，末3级倍增极电流变化会引起较大UDD的变化，引起光电倍增管增益的起伏，将破坏信息的变换。在末3极并联3个电容C1、C2与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压不变。设阳极脉动电流是矩形的，幅度为IA．脉冲宽度为Δt。则电量变化量为此值如果小于极间电压的允许值，即△U≤△UDD就不会因阳极有脉动电流而使极问电压变化超过允许值。若这个电量变化是由电容提供的，则电容上的电压变化量应为电容C1、C2与C3的计算公式为式中n为倍增极数，Iam为阳极峰值电流，τ为脉冲的持续时间，UDD为极间电压，L为增益稳定度的百分数。C2极电流为阳极电流的1/σ倍

在实际应用中常常对电源电压稳定度的要求简单地认为高于输出电压稳定度一个数量级。例如，当要求输出电压稳定度为1%时，则要求电源电压稳定度应高于0.1%。

例设入射到PMT上的最大光通量为φv=12×10-6lm左右，当采用GDB-235型倍增管为光电探测器，已知它的倍增级数为8级，阴极为SbCs材料，倍增极也为SbCs材料，SK=40μA/lm，若要求入射光通量在0.6×10-6lm时的输