光电技术课件

光电技术的发展第一阶段：传统的光学装置及仪器，不能胜任对复杂光信息高速采集和处理的要求。第二阶段：半导体集成电路技术，可以将探测器件及电路集成在一个整体中，也可以将具有多个检测功能的探测器件集成在一个整体中。其价格低，体积小。例如，将图形、物体等具有二维分布的光学图像转换成电信号的检测器件是把基本的光电探测器件组成许多网状阵列结构，引人注目的器件CCD就是一种将阵列化的光电探测与扫描功能一体化的固态图像检测器件。它是把一维或二维的光学图像转换成时序电信号的器件，能广泛引用于自动检测、自动控制，尤其是图像识别技术。第三阶段：光导纤维传感器的出现，为光电检测技术的小型化等开辟了广阔的前景。光纤检测可以解决传统检测技术难以解决或无法解决的许多问题。例如，在噪声、干扰、污染严重的工业过程检测，或者在海洋、反应堆中，自动监测设备或智能机器人，必然会受到高压、高温、辐射等极端困难的条件，光纤检测技术具有其独特的智能化的优越性。由于光信息传输的独特优点，光纤检测智能化将比其他检测技术更具有吸引力。展望：随着微处理技术的发展以及光电检测技术与它的紧密结合，光电检测技术越来越智能化。作为机器人的视觉系统已提到议事日程上。光电技术的应用光学技术处理的是空间光强信息，它具有多维、并行、快速数据处理等能力。电子技术处理的是一维电量随时间的变化，它有较高的运算灵活性和变换精度。光电技术兼备这些优点，表现出以下的特征：

⑴有广泛的适用范围能获取和处理各种光学信息以及可以转换为光信息的非光学参量，包括探测机构内部或危险环境下的工作参量。⑵有较高的信号检测能力能进行远距离、非接触、快速、高灵敏度的检测和传输；检测所需的输入能量几乎不影响被测物的能量状态；检测信噪比高，信息容量大，传输能力强。⑶有较强的信息运算能力可进行复杂信息的并行处理和多种形式的数学运算。运算速度高，空间互连效率高，抗干扰能力强，可调制变量多，信号变换灵活。光电技术，特别是光电检测、光通信、光电测量和控制、光电信息处理和光存储等的应用已遍及军事、科学研究、工业、农业、宇宙和环境科学、医疗卫生和民用等各个领域。从星体温度探测和人造卫星监测到生物细胞的显微测量和微循环检查，从视觉工业机器人和光学计算机到民用全自动照相机和简单光电开关，光电技术已经成为现代科学技术和人民生活中不可缺少的环节。特别是在生产领域中生产过程的视觉检查和制品加工自动化、各种性能参数的精密测试以及图形检测和分析判断等方面，光电技术将发挥重要作用。光电检测技术通过上面的学习我们可以看出，光电系统的共同特点是通过光电检测——所有被研究的信息都将通过各种效应（机、热、声、电、磁）调制到光载波上，然后将携带被研究的信息光载波转换为电信号，并通过电子线路和计算机的综合处理，实现光学仪器的自动化。因此，光电检测作为光电系统的一种共性技术具有重要的意义。所谓光电检测，指的是对光信号的调制变换和接收解调两个主要方面。光电检测系统的组成光电检测系统中信息必须经过两个基本的变换环节：1、调制：光辐射通过光学系统投射到被检测物体上，利用被检测物体对入射辐射的反射、吸收、透射、衍射、干涉、散射、双折射等光学属性，将被测变量调制到光载波的特性参量上。这些“特性参量”可以是光载波的变化幅度、频率或相位以及光的偏振状态，甚至可以是光束的传播方向或介质折射率的变化。调制过程，一方面是使光辐射随时间作有规律的变化以形成载波信号（目前广泛应用的有机械的、光学的、声光、电光、磁光效应等各种方式。）；另一方面是使载波信号的一个或几个特性参量随被测信息改变。2、解调将载荷着信息的光信号通过不同类型光电接收器转换成电信号，经过滤波放大等预处理后进入到解调器，在此将输入信号和调制器中作为调制基准的参考信号相比较，消除载波信号的影响，得到与被测参量成比例的输出信号。这种光电信号的能量再转换和信号检波过程称作接收解调。解调的电信号可用常规的电子系统作进一步处理和数据输出，得到最终的测量结果。光电检测系统分类⑴测量检查型其基本功能是进行光学或非光学参量的光电检测，可测参量包括几何量（长度、角度、形状、位置、变形、面积、体积、距离等）、运动参量（速度、转动、流量、振动、加速度等）、表面形状参量（工件粗糙度、疵病、伤痕等）、光学参量（吸收、反射、透射、光度、色度、波长和光谱等）、成分分析（物理属性、浓度、浊度等）、机械量（质量、应力、应变、压强等）、电磁量（电流、电场、磁场等）以及温度和放射线的测量等。该检测系统要求可靠的重复示值和可信度，并且要有适用的数据处理能力和数据输出方式。⑵控制跟踪型这是一种有光电检测能力的反馈控制系统。光电传感器是信号反馈单元，当它检测到受控目标相对平衡状态的偏差信号时，可通过闭环控制使目标相对基准实现伺服跟踪或恒值调节。它的主要应用包括军事和科学应用（激光制导、热定向、飞行物自动跟踪等）、工业应用（精密工作台的自动定位、工业图形的自动加工、状态参量的极值控制以及有视觉能力的机器人等）。⑶图像分析型它的功能是采集目标的二维或三维的光强空间分布，记录和再现目标的图像并进行判读、识别或图像的运算处理。在工业图形检测中，图像测量和分析主要依靠扫描或摄像装置采集光信号（如CCD摄像器件），同时进行空间－时间和光量－电量的变换。其次还需要大容量图像存储器及图像处理软件。光电检测技术特点高精度高速度远距离大量程非接触寿命长信息处理能力强课程内容光电检测技术基础理论光电器件(Ⅰ)光电器件(Ⅱ)光电检测电路设计和光电信号数据采集光电变换与检测技术现代光电测试技术实验本课程要求掌握典型的光电器件的原理和特点正确选用光电器件学会选择和设计光电检测电路及有关参数能根据被测对象的要求，设计简单的光电检测系统了解现代光电测试系统第一章光电检测技术基础光辐射的光度学基础光源光学系统半导体物理基础光电效应

第一节光辐射的光度学基础

光的基本性质光辐射度量、光谱辐射度量和光度量光度学基本定律光辐射在空气中的传播1.光的基本性质

对光的认识：微粒流的假说；光的波动学说；电磁学说；光的量子论电磁波按波长的分类和各波长区域名称光的各个波长区域

2.光辐射度量、光谱辐射度量和光度量

光谱光视效率

a、光辐射度量：辐射能辐射能密度辐射通量辐射出射度辐射强度辐射亮度辐照度b、光谱辐射度量：光谱辐射通量光谱辐射出射度光谱辐射强度光谱辐射亮度光谱辐照度C、光量度光通量发光强度I

光出射度M

光照度E

光亮度光量Q为了对光辐射进行定量描述，需要引入计量光辐射的物理量。而对于光辐射的探测和计量，存在着辐射度单位和光度单位两套不同的体系。在辐射度单位体系中，辐通量(又称为辐射功率)或者辐射能是基本量，是只与辐射客体有关的量。其基本单位是瓦特(W)或者焦耳（J）。辐度学适用于整个电磁波段。光度单位体系是一套反映视觉亮暗特性的光辐射计量单位，被选作基本量的不是光通量而是发光强度，其基本单位是坎德拉。光度学只适用于可见光波段。以上两类单位体系中的物理量在物理概念上是不同的，但所用的物理符号一一对应。下面分别介绍这两套单位体系中的物理量。辐射量

1.辐射能辐射能是以辐射形式发射或传输的电磁波(主要指紫外、可见光和红外辐射)能量。辐射能一般用符号Q表示，其单位是焦耳(J)。

2.辐射通量辐射通量P又称为辐射功率，定义为单位时间内流过的辐射通量辐射通量的单位是瓦特(W)或焦耳/秒(J/s)3.辐射出射度辐射出射度M是用来反映物体辐射能力的物理量。定义为辐射体单位面积向半空间发射的辐射通量，即单位是W/m2。4.辐射强度辐射强度I定义为：点辐射源在给定方向上发射的在单位立体角内的辐射通量，用I表示，即辐射强度的单位是瓦特·球面度-1(W·sr-1)由辐射强度的定义可知，如果一个置于各向同性、均匀介质中的点辐射体向所有方向发射的总辐射通量是P，则该点辐射体在各个方向的辐射强度I是常量，有5.辐射亮度辐射亮度L定义为面辐射源在某一给定方向上的辐射通量，如图所示。式中θ是给定方向和辐射源面元法线间的夹角。辐射亮度的单位是瓦特/球面度·米2(W/sr·m2)。θdP显然一般辐射体的辐射强度与空间方向有关。但是有些辐射体的辐射强度在空间方向上的分布满足：式中I0是面元dS沿其法线方向的辐射强度。符合上式规律的辐射体称为余弦辐射体或朗伯体。余弦辐射体的辐射亮度为可见余弦辐射体的辐射亮度是均匀的，与方向角θ无关。余弦辐射体的辐射出射度为6.辐射照度在辐射接收面上的辐射照度E定义为照射在面元上的辐射通量dP与该面元的面积dA之比。单位是W/m2。由辐射通量和辐射强度之间的关系式我们知道，一个辐射强度为1W·sr-1的点光源，总辐射通量等于4πW。现在假如有一个以这个点光源为球心，半径为1m的球面包围这个点光源，则该球面上的辐射照度恰好等于lW/m2。这一结果表明，一个均匀点光源在空间一点的辐射照度与该光源的辐射强度成正比，与距离平方成反比。7.光谱辐射度量对于单色光辐射，同样可以采用上述物理量表示，只不过均定义为单位波长间隔内对应的辐射度量，其名称及单位见表1。光谱辐射度量的名称、符号及单位度量名称符号定义式单位名称单位符号光谱辐射通量PλdP/dλ瓦特/微米W/μm光谱辐射出射度MλdM/dλ瓦特/(米2·微米)W/(m2·μm)光谱辐射强度IλdI/dλ瓦特/(球面度·微米)W/(sr·μm)光谱辐射亮度LλdL/dλ瓦特/(米2·球面度·微米)W/(m2·sr·μm)光谱辐射照度EλdE/dλ瓦特/(米2·微米)W/(m2·μm)由于人眼的视觉细胞对不同频率的辐射有不同响应，故用辐射度单位描述的光辐射不能正确反映人的亮暗感觉。光度单位体系是一套反映视觉亮暗特性的光辐射计量单位，在光频区域光度学物理量Q，P，I，M，L，E相对应的Qv，Pv，Iv，Mv，Lv，Ev来表示，其定义完全一一对应，其关系如表2所示。光度量的单位是国际计量委员会(CIPM)规定的。在光度单位体系中，被选作基本单位的不是相应的光量或光通量而是发光强度，其单位是坎德拉。表2常用辐度量和光度量之间的对应关系辐射度物理量对应的光度量物理量名称符号定义式单位物理量名称符号定义式单位辐射能QJ光量QvQv=∫Pvdtlm·s辐射通量PP=dQ/dtW光通量ΦvΦv=∫IvdΩlm辐射出射度MM=dΦ/dSW/m2光出射度MvMv=dPv/dSlm/m2辐射强度II=dΦ/dΩW/sr发光强度Iv基本量cd辐射亮度LL=dI/(dScosθ)W/m2·sr(光)亮度LvLv=dIv/(dScosθ)cd/m2辐射照度EE=dΦ/dAW/m2(光)照度EvMv=dPv/dAlx坎德拉不仅是光度体系的基本单位，而且也是国际单位制(SI)的七十基本单位之一。它的定义是“一个光源发出频率为540×1012Hz的单色辐射，若在一给定方向上的辐射强度为1/683W/sr，则该光源在该方向上的发光强度为1cd”。光度量与辐射度量之间的关系可以用光视效能与光视效率表示。光视效能描述某一波长的单色光辐射通量可以产生多少相应的单色光通量。3.光度学基本定律余弦定律亮度守恒定律照度与距离平方反比定律4.光辐射在空气中的传播大气衰减：大气吸收和散射空气湍流效应第二节光电检测中所用的光源光源的基本参数常用光源1.光源的基本参数

发光效率光谱功率谱分布空间光强分布特性光源的温度和颜色2.常用光源热辐射光源

气体放电光源

半导体发光器件激光光源第三节光电测试常用光学系统显微光学系统望远光学系统摄影系统投影光学系统照明系统作业1.光辐射度量、光谱辐射度量和光度量的各参量定义与单位。2.光度学三大基本定律的内容。3.光电检测中所用光源和光学系统有哪些？第二讲光电检测技术基础(Ⅱ)前言

本次课程介绍：

1.半导体物理基础。包括半导体的特性、能带理论、载流子及运动、载流子对光的吸收、半导体的PN结及与金属的接触。

2.光电效应。光电器件依据的物理基础主要是固体的光电效应，就是固体中决定其电学性质的电子系统直接吸收入射光能，使固体的电学性质发生改变的现象。例如：光电子发射效应、光电导效应、光生伏特效应等。你知道吗？

光电器件的主要用途：（1）用来察觉微弱光信号的存在和测量光信号的强弱，主要考虑的是器件探测微弱光信号的能力。（2）在自动控制中作为光电转换器，主要考虑的是光电转换效能。其他用途：作为测量用的光电池和和作为能源的太阳能电池。第四节半导体物理基础一、半导体的特性电阻温度系数是负的，对温度变化敏感。导电性能受微量杂质的影响而发生十分敏感的变化。导电能力和性质受外界作用发生重要的变化。

二、半导体的能带能带理论：晶体中的电子只能处于能带的能级上，且每一个能带中都有与原子总数相适应的能级数。

泡利原理：在每一个能级上最多只能容纳两个自旋方向相反的电子。半导体晶体能带图：导带价带满带禁带禁带

根据能量最小原理，电子填充能带时，总是从最低的能带、最小能量的能级开始填充。满带：任何时间都填满电子数。价带：绝对零度时，价带为价电子占满。而导带中没有电子。导带：价带中电子获得足够的热能或辐射能后，就会越过禁带进入导带。三、半导体的类型

1、I型半导体（本征半导体）：

I型半导体是完全纯净或结构完整的半导体，是完全由基质原子组成的晶体。在绝对零度时，不受外界影响的情况下，导带没有电子，价带也没有空穴，因此不能导电。在热运动或外界的影响下，价电子跃迁到导带，产生自由电子和空穴，构成导电载流子。2、N型半导体对N型半导体，施主杂质中的电子只要获得很小的能量，就能脱离原子而参加导电，由于导带中的电子在导电中起主要作用，因此也称为“电子型半导体”。由能级图可见，施主能级处于禁带内导带底的下面。电子从施主能级跃迁到导带所需的能量。在常温下，电子所具有的平均热能就足以使施主原子电离。因此，对N型半导体具有较高的电导率。3、P型半导体

P型半导体是以空穴为主导电的半导体，这样的半导体也称为“空穴型半导体”。由能级图可见，受主能级处于禁带内价带顶的上方，价带电子跃迁到受主能级所需的电离能。这时由于电子填充了共价键中的空位而出现空穴。在常温下，电子所具有的平均热能就足以使受主原子电离。因此，对P型半导体具有较高的电导率。说明：从半导体载流子的浓度考虑，若在无辐射时电子和空穴的浓度分别为n和p，则当n＜＜p时，这种半导体称为P本征半导体；当n＞＞p时，称为N型半导体；当n＝p时，称为I型半导体。

四、热平衡载流子费米-狄拉克分布函数禁带宽度半导体费米能级五、非平衡载流子非平衡载流子定义寿命复合陷阱效应六、载流子的运动扩散运动

漂移运动爱因斯坦关系：描述扩散运动与迁徙率的关系七、光辐射与半导体的相互作用

当光辐射作用在半导体上时，半导体吸收光辐射能量，价带的电子获得辐射能后将跃迁到导带，产生新的电子空穴对，形成非平衡载流子，从而提高材料的电导率。半导体对光辐射的吸收分为本征吸收、杂质吸收、载流子吸收、激子和晶格吸收五种光吸收效应。⒈本征吸收

本征吸收是指电子在辐射作用下，从价带跃迁到导带的吸收。研究本征吸收时应考虑半导体的能带结构。如前所述，对直接带隙材料，电子所需的能量应大于或等于能隙Eg；而对间接带隙材料，电子除需要大于或等于能隙的能量外，还需要声子的能量。

⒉杂质吸收在半导体禁带内存在杂质能级时，在小于能隙能量的光子作用下，杂质能级和相应的能带间出现电子跃迁而形成的非平衡载流子－电子或空穴。杂质吸收的光谱区位于本征吸收的长波方向，其光子能量应大于或等于所需的电离能。⒊载流子吸收载流子浓度很大（~）时，导带中的电子和价带中的空穴产生带内能级间跃迁而出现的非选择性吸收⒋激子和晶格吸收

指所吸收辐射的能量转变为晶格原子的振动能量，或由库仑力相互作用形成电子和空穴的能量。这种吸收对光电导没有贡献，甚至会降低光电转换效率。第五节光电效应光电效应的定义光电效应的分类光电效应的物理现象一、光电效应

物质在光的作用下，不经升温而直接引起物质中电子运动状态发生变化，因而产生物质的光电导效应、光生伏特效应和光电子发射等现象。在理解上述定义时，必须掌握以下三个要点：原因：是辐射，而不是升温；现象：电子运动状态发生变化；结果：电导率变化、光生伏特、光电子发射。简单记为：辐射→电子运动状态发生变化→光电导效应、光生伏特效应、光电子发射。光对电子的直接作用是物质产生光电效应的起因光电效应的起因：在光的作用下，当光敏物质中的电子直接吸收光子的能量足以克服原子核的束缚时，电子就会从基态被激发到高能态，脱离原子核的束缚，在外电场作用下参与导电，因而产生了光电效应。这里需要说明的是，如果光子不是直接与电子起作用，而是能量被固体晶格振动吸收，引起固体的温度升高，导致固体电学性质的改变，这种情况就不是光电效应，而是热电效应。二、光电效应分类

光与物质的作用实质是光子与电子的作用，电子吸收光子的能量后，改变了电子的运动规律。由于物质的结构和物理性能不同，以及光和物质的作用条件不同，在光子作用下产生的载流子就有不同的规律，因而导致了不同的光电效应。外光电效应光电子发射光电效应光电导效应内光电效应光生伏特效应丹倍效应光磁效应外光电效应，是指物质受光照后而激发的电子逸出物质的表面，在外电场作用下形成真空中的光电子流。这种效应多发生于金属和金属氧化物。内光电效应,是指受光照而激发的电子在物质内部参与导电，电子并不逸出光敏物质表面。这种效应多发生于半导体内。内光电效应又可分为光电导效应、光生伏特效应、丹倍效应和光磁电效应等。外光电效应和内光电效应的主要区别在于：受光照而激发的电子，前者逸出物质表面形成光电子流，而后者则在物质内部参与导电。三、光电效应的物理现象（一）光电导效应（1873年）半导体材料受光照时，由于对光子的吸收引起载流子浓度的增大，因而导致材料电导率增大（电阻减小）,这种现象称为光电导效应。（1）光电导率：假设在辐射作用下，由于吸收光子能量而产生的自由电子及空穴的浓度增量分别为Δn及Δp，则在光照稳定情况下光电导体的电导率变为（2）本征半导体的光电导效应光照时，处在价带中的电子吸收入射光子的能量，若光子能量大于禁带宽度时，价带中的电子被激发到导带成为自由电子，同时在原来的价带中留下空穴，外电场作用时，光激发的电子空穴对将同时参加导电。从而使电导率增加。光照激发电子由价带跃过禁带进入导带的条件是

能够激发电子的光辐射长波限为

（3）杂质半导体的光电导效应N型光电导体，主要是光子激发施主能级中的电子跃迁到导带中去，电子为主要载流子，增加了自由电子的浓度。P型光电导体，主要是光子激发价带中的电子跃迁到受主能级，与受主能级中的空穴复合，而在价带中留有空穴，作为主要载流子参加导电。增加了空穴的浓度。只要光子能量满足就能激发出光生载流子。相应的杂质光电导体的长波限为

（4）光电导体的灵敏度灵敏度指一定条件下，单位照度引起的光电流。光电导体的灵敏度指一定光强下光电导的强弱。可用光电增益G表示。（4）：量子产额，即吸收一个光子所产生的电子空穴数。：光生载流子寿命，非平衡载流子复合快慢或平均存在时间。（5）将（5）代入（4）得（5）光电导的弛豫光电导是一种非平衡载流子效应，因此有弛豫现象。光照到物体后，光电导逐渐增加，最后达到定态。光照停止后，光电导在一段时间内逐渐消失，这种现象表现了光电导对光强变化反应的快慢，光电导上升或下降的时间就是弛豫时间，或称为响应时间（惰性）。从实际应用将讲，其决定了在迅速变化光强下，能否有效工作。从光电导的机理看，弛豫表现为在光强变化时，光生载流子的积累和消失过程。光电导弛豫现象有两种典型的形式。（6）光电导的光谱分布光谱分布首先是光生载流子的激发问题，即某种波长的光能否激发非平衡载流子及其效率如何的问题。对于本征半导体，当波长增加时，光电导随之增加，经过一个最大值后，有陡峭的下降，由于不存在一个明显的长波限，莫斯提出把光电导的数值降到最大值一半处的波长定为长波限。对于杂质半导体，吸收光子要将杂质能级上的电子或空穴激发为自由的光生载流子，要求而，所以，由于很小，很长。（二）光生伏特效应光生伏特效应是光照使不均匀半导体或均匀半导体中光生电子和空穴，并在空间分开而产生电位差的现象。即将光能转化成电能。不均匀半导体：由于半导体对光的吸收，内建电场使载流子定向运动而产生电位差。（像PN结、异质结、肖特基结）均匀半导体：无内建电场，半导体对光的吸收后，由于载流子的扩散速度不同，导致电荷分开，产生的光生电势。如丹倍效应和光磁电效应。⒈PN结的光生伏特效应PN结受到光照时：光线足以透过P型半导体入射到PN结，对于能量大于材料禁带宽度的光子，由于本征吸收，就可激发出电子空穴对。内建电场把N中的空穴拉向P区，把P中的电子拉向N区。大量的积累产生一个与内建电场相反的光生电场，即形成一个光生电势差。表示电子表示空穴光照度越强，光生电动势也就越大。当PN结两端通过负载构成闭合回路时，就会有电流沿着由经外电路到的方向流动。只要辐射光不停止，这个电流就不会消失。这就是PN结被光照射时产生光生电动势和光电流的机理。注意：

⑴PN结产生光生伏特的条件是，与照射光的强度无关；⑵光生伏特的大小与照射光的强度成正比。开路光电压、短路光电流与入射光功率之间的关系

若入射光作用下，产生光生电压为U、光生电流为Ip，入射光功率为P。在PN结两端通过负载RL构成的回路及等效电路为在PN结两端通过负载RL构成的回路中，外电流I与光生电流Ip和PN结结电流IJ之间的关系为

由PN结电流特性知，结电流所以

光生电压为⒉异质结的光生伏特效应同质结是用同一本征半导体掺以不同杂质形成的结。异质结是采用外延技术在一种半导体晶体上生长不同半导体材料形成的结。由于两种不同半导体材料具有不同的禁带宽度。只有当入射光子到达结区时，小于宽禁带宽度而大于窄禁带宽度的光子被吸收，而且吸收光子和激发光生载流子的地方和结区相重合，从而排除了表面载流子的复合损失，提高了光电转换效率，得到快速响应的特性。⒊肖特基结的光生伏特效应当在半导体基底上沉积一层金属形成的“金属－半导体”接触时，在接触区附近也会形成空间电荷区和势垒，这种势垒称为肖特基结或肖特基势垒。在肖特基结中，载流子的激发有二种途径：一种是，光子被半导体吸收，形成电子空穴对，在内建电场的作用下，电子向半导体漂移，空穴向金属漂移；另一种是，光子被金属吸收，激发的光电子向半导体移动。⒋丹倍效应由于光生载流子的扩散在光的传播方向产生电位差的现象称为光电扩散效应或丹倍效应。当：用光照射均匀半导体的表面时，在近表面层发生强烈地吸收，产生高浓度的电子和空穴。在半导体近表面层至体内形成载流子浓度的梯度分布，因而发生电子和空穴都从照射表面向半导体内部的扩散运动。电子与空穴相比具有较大的迁移率和扩散系数，因此电子会扩散到半导体的更深处。在短期内导致被光照表面带正电，另一面带负电，建立起光生电场。即在照射表面和未照射表面间产生一定电位差。⒌光磁电效应放在磁场内的均匀半导体材料受到光照射时，如果磁场的方向垂直于xoy平面，洛伦兹力把扩散电子和空穴偏转到相反方向，导致电子和空在垂直于光照方向和磁场方向的半导体的两端面分别积累，产生光磁电场，对应的电动势被称为光磁电电动势。(三）光电发射效应1、光电发射原理

具有能量hν的光子，被物质（金属或半导体）吸收后激发出自由电子，当自由电子的能量足以克服物质表面势垒并逸出物质的表面时，就会产生光电子发射，逸出电子在外电场作用下形成光电子流。这就是物质的光电发射现象。光电发射现象又叫做外光电效应。可以发射电子的物质称为光电发射体。2、光电发射的基本定律（1）爱因斯坦定律（光电发射第二定律）发射体发射的光电子的最大动能，随入射光频率的增加而线性的增加，而与入射光的强度无关。（2）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，入射辐射通量越大（携带的光子数越多），激发电子逸出光电发射体表面的数量也越多，因而发射的光电流就增加，所以光电流正比于入射辐射通量。3、光电发射长波限根据爱因斯坦公式

式中

m为电子质量；为电子逸出后的最大速度；为入射光的频率；为普朗克常数，其值为；为光电发射体的逸出功。显然，当时，逸出电子无动能，那么，就不会产生光电发射，因此，光电发射存在长波限探测器件所依据的物理效应的共同特性是：（1）光电效应的有、无只与入射光的波长、频率有关，与入射光的强度无关；

——光电效应的产生，唯一的取决于入射光的波长、频率以及器件的能级结构。

（2）光电效应的强弱既与入射光的强度有关，也与入射光的波长、频率有关。

——入射光的强弱反映入射光子数的多少；入射光的波长、频率不同，器件对其的响应度不同。作业1.简述半导体的特性和能带理论。2.什么是热平衡和非平衡载流子？说说它们的运动机理。3.半导体对光的吸收有哪些？4.描述光电效应产生机理。

预习第二章第一、二节第三讲光电器件性能参数和真空光电管光电器件的分类一、按工作波段分紫外光探测器可见光探测器红外光探测器二、按应用分换能器将光信息（光能）转换成电信息（电能）非成像型光信息转换成电信息探测器变像管成像型像增强器摄像管真空摄像管固体成像器件CCD探测器件热光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光电系统的光电器件包括光电探测器件和光电成像器件，其相应的性能参数也有两类：

1、光电探测器件主要应说明其响应特性和噪声特性。

2、光电成像器件，除了上述参数外，为了说明其成像特性，还引入了反映亮度空间分布失真程度的量，比如分辨率、空间频率特性以及空间抽样特性等。光电探测器和其它器件一样，有一套根据实际需要而制定的特性参数。它是在不断总结各种光电探测器的共同基础上而给以科学定义的，所以这一套性能参数科学地反映了各种探测器的共同因素。依据这套参数，人们就可以评价探测器性能的优劣，比较不同探测器之间的差异，从而达到根据需要合理选择和正确使用光电探测器的目的。显然，了解各种性能参数的物理意义是十分重要的。一、积分灵敏度R

灵敏度也常称作响应度，它是光电探测器光电转换特性，光电转换的光谱特性以及频率特性的量度。光电流i(或光电压u)和入射光功率P之间的关系i＝f(p)，称为探测器的光电特性。灵敏度R定义为这个曲线的斜率，即

(线性区内)(安/瓦)或

(线性区内)(安/瓦)Ri和Ru分别称为电流和电压灵敏度，i和u称为电表测量的电流、电压有效值。式中的光功率P是指分布在某一光谱范围内的总功率，因此，这里的Ri和Ru又分别称为积分电流灵敏度和积分电压灵敏度。二、光谱灵敏度Rλ

如果我们把光功率P换成波长可变的光功率谱密度Pλ，由于光电探测器的光谱选择性，在其它条件下不变的情况下，光电流将是光波长的函数，记为iλ(或uλ)，于是光谱灵敏度Rλ定义为如果Rλ是常数，则相应的探测器称为无选择性探测器(如光热探测器)，光子探测器则是选择性探测器。上式的定义在测量上是困难的，通常给出的是相对光谱灵敏度Sλ定义为式中Rλm是指Rλ的最大值，相应的波长称为峰值波长，Sλ是无量纲的百分数，Sλ随λ变化的曲线称为探测器的光谱灵敏度曲线。R和Rλ以及Sλ的关系说明如下。引入相对光谱功率密度函数，它的定义为把(2)和(3)式代入(1)式，只要注意到和就有积分上式，有式中并注意到由此便得式中称为光谱利用率系数，它表示入射光功率能被响应的百分比。光谱匹配系数K的说明如图0.1lS'lf''0llldfSò¥ò¥0''lldf三、频率灵敏度Rf(响应频率fc和响应时间t)如果入射光是强度调制的，在其它条件不变下，光电流if将随调制频率f的升高而下降，这时的灵敏度称为频率灵敏度Rf，定义为式中if是光电流时变函数的付里叶变换，通常式中τ称为探测器的响应时间或时间常数，由材料、结构和外电路决定。频率灵敏度这就是探测器的频率特性，Rf随f升高而下降的速度与τ值大小关系很大。一般规定，Rf下降到时的频率fc为探测器的截止响应频率和响应频率。从上式可见：当f<fc时，认为光电流能线性再现光功率P的变化。如果是脉冲形式的入射光，则更常用响应时间来描述。探测器对突然光照的输出电流，要经过一定时间才能上升到与这一幅射功率相应的稳定值i。当辐射突然降去后，输出电流也需要经过一定时间才能下降到零。一般而论，上升和下降时间相等，时间常数近似地由决定。综上所述，光电流是两端电压u，光功率P，光波长λ、光强调制频率f的函数，即以u，p，λ为参变量，i＝F(f)的关系称为光电频率特性，相应的曲线称为频率特性曲线。同样，i=F(p)及曲线称为光电特性曲线。i＝F(λ)及其曲线称为光谱特性曲线。而i＝F(u)及其曲线称为伏安特性曲线。当这些曲线给出时，灵敏度R的值就可以从曲线中求出，而且还可以利用这些曲线，尤其是伏安特性曲线来设计探测器的使用电路。这一点，在实际应用中往住是十分重要的。四、量子效率η如果说灵敏度R是从宏观角度描述了光电探测器的光电、光谱以及频率特性，那么量子效率η则是对同一个问题的微观—宏观描述。量子效率的意义在光电转换定律得内容中我们已经讨论过了这里给出量子效率和灵敏度关系又有光谱量子效率：式中C是材料中的光速。可见，量子效率正比于灵敏度而反比于波长。五、能量阈Pth和噪声等效功率NEP从灵敏度R的定义式可见，如果P＝0，应有i=0实际情况是，当P＝0时，光电探测器的输出电流并不为零。这个电流称为暗电流或噪声电流，记为它是瞬时噪声电流的有效值。显然，这时灵敏度R巳失去意义，我们必须定义一个新参量来描述光电探测器的这种特性。in产生的原因将在下一节中专门讨论。考虑到这个因素之后，一个光电探测器完成光电转换过程的模型如图所示。图中的光功率Ps和Pb分别为信号和背景光功率。可见，即使Ps和Pb都为零，也会有噪声输出。噪声的存在，限制了探测微弱信号的能力。通常认为，如果信号光功率产生的信号光电流is等于噪声电流in，那么就认为刚刚能探测到光信号存在。依照这一判据，定义探测器的通量阈Pth为例如，若Ri=10μA/μW，in=0.01μA，则通量阈Pth＝0.001μW。也就是说，小于0.001微瓦的信号光功率不能被探测器所得知，所以，通量阈是探测器所能探测的最小光信号功率。同一个问题，还有另一种更通用的表述方法，这就是噪声等效功率NEP。它定义为单位信噪比时的信号光功率。信噪比SNR定义为

(电流信噪比)(电压信噪比)

于是有：显然，NEP越小，表明探测器探测微弱信号的能力越强。所以NEP是描述光电探测器探测能力的参数。六、归一化探测度D*(读作D星)NEP越小，探测器探测能力越高，不符合人们“越大越好”的习惯，于是取NEP的倒数并定义为探测度D，即这样，D值大的探测器就表明其探测力高。实际使用中，经常需要在同类型的不同探测器之间进行比较，发现“D值大的探测器其探测能力一定好”的结论并不充分。究其原因，主要是探测器光敏面积A和测量带宽Δf对D值影响甚大。从下一节讨论中我们将会知道，探测器的噪声功率N∝Δf，所以，于是由D的定义知。另一方面，探测器的噪声功率N∝

A

所以，又有。把两种因素一并考虑，为了消除这一影响，定义并称为归一化探测度。这时就可以说：D*大的探测器其探测能力一定好。考虑到光谱的响应特性，一般给出D*值时注明响应波长λ、光辐射调制频率f及测量带宽Δf，即D*(λ,f,Δf)。七、其它参数光电探测器还有其它一些特性参数，在使用时必须注意到，例如光敏面积，探测器电阻，电容等。特别是极限工作条件，正常使用时都不允许超过这些指标，否则会影响探测器的正常工作，甚至使探测器损坏。通常规定了工作电压、电流、温度以及光照功率允许范围，使用时要特别加以注意。噪声概念信号在传输和处理过程中总会受到一些无用信号的干扰，人们常称这些干扰信号为噪声。光电探测器在进行光电转换过程中，同样要引入噪声，称为光电探测器的噪声。如果用us(t)表示信号，经过传输或变换后变成u(t)，那么式中un(t)就是噪声。显然，噪声un(t)表示了u(t)偏离us(t)的程度。根据噪声产生的原因，大体上可以把噪声分为人为噪声、自然干扰和物理系统内部的起伏干扰三类。前两种又称为有形噪声，一般可以预知，因而总可以设法减少和消除。最后一种噪声来自物理系统内部，表现为一种无规则起伏，称为无规噪声。例如，电阻中自由电子的热运动，真空臂中电子的随机发射，半导体中载流子随机的产生和复合等，这些随机因素把一种无规则起伏施加给有用信号。起伏噪声对有用信号的影响，如图所示。假定入射光是正弦强度调制的，放大器是一个可以任意改变放大量的理想放大器。当入射光强度较大时，在示波器上可以看到正弦变化的信号电压波形。降低入射光功率时，增大放大率，发现正弦电压信号上出现许多无规起伏，使正弦信号变得模糊不清(图(b))。再降低入射光功率时，正弦波幅度越来越小，而杂乱无章的变化愈来愈大。最后只剩下了无规则的起伏，完全看不出什么正弦变化，这叫做噪声完全埋没了信号。当然这时探测器也失去了探测弱光信号的能力。探测器放大器示波器(a)(b)(c)光从上面讨论中，我们应该建立这样的观念：上述现象并不是探测器不好所致。它是探测器所固有的不可避免的现象。任何一个探测器，都一定有噪声。也就是说，在它输出端总存在着一些毫无规律，事先无法预知的电压起伏。这种无规起伏，在统计学中称为随机起伏，它是微观世界服从统计规律的反映。从这个意义上说，实现微弱光信号的探测，就是从噪声中如何提取信号的问题，这是当今信息探测理论研究的中心课题之一。噪声的描述噪声电压随时间无规则起伏情况重画如下。显然，无法用预先确知的时间函数来描述它。然而，噪声本身是统计独立的，所以能用统计的方法来描述。长时间看，噪声电压从零向上涨和向下落的机会是相等的，其时间平均值一定为零。所以用时间平均值无法描述噪声大小。)(tun)0(g)(tgtt00(a)(b)但是，如果我们先取噪声电压的平方，然后求这些平方值对时间的平均值，再开方，就得到所谓均方根噪声电压un，即这正是我们用电压表所测量到的那种有效电压。我们看到，虽然噪声电压的起伏是毫无规则，无法预知的，但其均方根电压却具有确定值。这就是噪声电压(噪声电流也一样)服从统计规律的反映。由于产生探测器起伏噪声的因素往往很多，且这些因素又彼此独立，所以总的噪声功率等于各种独立的噪声功率之和，即为此，我们就把探测器输出的均方根噪声电压(电流)称为探测器的噪声电压(电流)。显然，探测噪声的存在，就使得探测器对光信号的探测本领受到一个限制。所以定量估计探测器的噪声大小就显得很重要了。由于许多时域问题往往在频域中讨论可能更为方便，方法是付里叶变换。若噪声电压为un(t)，则其付里叶变换对为上式成立的条件是un(t)绝对可积，即显然，无限延续的噪声电压并不能满足上式。因此，无限延续的噪声电压的幅度付里叶谱不存在。为了克服这个困难，但还要使用付里叶变换的方法，办法是引入噪声电压的自相关和功率谱。自相关定义为：意思是对噪声电压进行卷积运算并求时间平均值。自相关的图形如前图(b)所示。显然它满足绝对可积条件，因而它的变换谱存在，即在自相关定义中，令t＝0，则式中表示噪声电压平方的平均值，它的物理意义：噪声电压消耗在1Ω电阻上的平均功率。同样，在(3)式中令t＝0，则有：式中使用了的关系。为了表述得更清楚一些，还可以从(4)式出发，并令再应用付里叶变换对，可以证明：比较(5)和(6)式，就有或它们是单位频带噪声电压消耗在1Ω电阻上的平均功率，称为噪声电压的功率谱。实际上，探测器的测量带宽是有限的，用Δf表示，那么当g(f)＝常数(这种噪声又称为白噪声)时:于是，求噪声或Vn的问题就转化为求解噪声功率谱g(f)的问题了.光电探测器的噪声源依据噪声产生的物理原因，光电探测器的噪声可大致分为散粒噪声、产生—复合噪声、热噪声和低频噪声。上述噪声是光电转换物理过程中固有的，是一种不可能人为消除的输出信号的起伏，是与器件密切相关的一个参量。因为在光电转换过程中，半导体中的电子从价带跃迁到导带，或者电子逸出材料表面等过程，都是一系列独立事件，是一种随机的过程。每一瞬间出现多少载流子是不确定的，所以随机的起伏将不可避免地与信号同时出现。尤其在信号较弱时，光电探测器的噪声会显著地影响信号探测的准确性。

按噪声产生的原因，可分为以下几类噪声

外部原因

内部原因

人为噪声

自然噪声散粒噪声产生－复合噪声

光子噪声

热噪声

低频噪声

温度噪声

放大器噪声

1.散粒噪声：无光照下，由于热激发作用，而随机地产生电子所造成的起伏（以光电子发射为例）。由于起伏单元是电子电荷量e，故称为散粒噪声，这种噪声存在于所有光电探测器中。热激发散粒均方噪声电流为其有效值为相应的噪声电压为如果探测器具有内增益M，则上式还应乘以M。光电探测器是依靠内场把电子—空穴对分开，空穴对电流贡献不大，主要是电子贡献。上两式也适用于光伏探测器2.产生－复合噪声对光电导探测器，载流子热激发是电子—空穴对。电子和空穴在运动中，与光伏器件重要的不同点在于存在严重的复合过程，而复合过程本身也是随机的。因此，不仅有载流子产生的起伏，而且还有载流子复合的起伏，这样就使起伏加倍，虽然本质也是散粒噪声，但为强调产生和复合两个因素，取名为产生—复合散粒噪声，简称为产生—复合噪声，记为Ig-r和Vg-r即式中M是光电导的内增益。3.光子噪声

以上是热激发作用产生的散粒噪声。假定忽略热激发作用，即认为热激发直流电流Id为零。由于光子本身也服从统计规律。我们平常说的恒定光功率，实际上是光子数的统计平均值，而每一瞬时到达探测器的光子数是随机的。因此，光激发的载流子一定也是随机的，也要产生起伏噪声，即散粒噪声。因为这里强调光子起伏，故称为光子噪声。它是探测器的极限噪声，不管是信号光还是背景光，都要伴随着光子噪声，而且光功率愈大，光子噪声也愈大。于是我们只要把id用ib和is代替，即可得到光子噪声的表达式。即光子散粒噪声电流这适用于光电发射和光伏情况，如果有内增益，则再乘以M。而光电子产生—复合噪声这里ib和is又可用光功率Pb和Ps表示出来考虑到id、ib和is的共同作用，光电探测器的总散粒噪声可统一表示为总散粒噪声可统一表示为式中S=2(光电发射和光伏)或S=4(光电导)M内增益系数(无内增益=1)B(测量带宽)4.热噪声光电探测器本质上可用一个电流源来等价，这就意味着探测器有一个等效电阻R。4.热噪声电阻材料，即使在恒定的温度下，其内部的自由载流子数目及运动状态也是随机的，由此而构成无偏压下的起伏电动势。这种由载流子的热运动引起的起伏就是电阻材料的热噪声，或称为约翰逊（Johnson）噪声。热噪声是由导体或半导体中载流子随机热激发的波动而引起的。其大小与电阻的阻值、温度及工作带宽有关。可以证明，单个电子的噪声贡献为K是波尔兹曼常数，T为绝对温度，m是电子质量，τ0为电子的平均碰撞时间。浓度为n，体积V＝Ad的电阻样品中共有nV个电子，它们产生电流脉冲的个数等于电子平均碰撞的个数，由固体物理得知，电阻样品的电阻值为于是噪声功率谱为由电阻R的热噪声电流为相应的热噪声电压为有效噪声电压和电流分别为一个电阻R在其噪声等效电路中，可以等效为电阻R与一个电压源Un的串联，也可以等效为电阻R与一个电流源In相并联，如图所示。VnRInRAdx5.1/f噪声1/f噪声又称为闪烁或低频噪声。这种噪声是由于光敏层的微粒不均匀或不必要的微量杂质的存在，当电流流过时在微粒间发生微火花放电而引起的微电爆脉冲。几乎在所有探测器中都存在这种噪声。它主要出现在大约1KHz以下的低频频域，而且与光辐射的调制频率f成反比，故称为低频噪声或1/f噪声。实验发现，探测器表面的工艺状态(缺陷或不均匀等)对这种噪声的影响很大，所以有时也称为表面噪声或过剩噪声。1/f噪声的经验规律为：式中，Kf为与元件制作工艺、材料尺寸、表面状态等有关的比例系数；α为系数，它与流过元件的电流有关，其值通常取2；β为与元件材料性质有关的系数，其值在0.8~１.３之间，大部分材料的β值取１；γ与元件阻值有关，一般在１.４～１.７之间。一般说，只要限制低频端的调制频率不低于1千赫兹，这种噪声就可以防止。６.温度噪声它是由于材料的温度起伏而产生的噪声。在热探测器件中必须考虑温度噪声的影响。当材料的温度发生变化时，由于有温差ΔT的存在，因而引起材料有热流量的变化Δφ，这种热流量的变化导致产生物体的温度噪声。温度为T的物体的热流量噪声均方值为式中，A为传热面积；h为传热系数，其单位为[W/(m2K)]；k为玻耳兹曼常数；T为材料温度；Δf为通带宽度。温度噪声与热噪声在产生原因、表示形式上有一定的差别，主要区别在于：对于热噪声，材料的温度T一定，引起粒子随机性波动，从而产生了随机性电流；对于温度噪声，材料温度有变化ΔT，从而导致热流量的变化Δφ，此变化就表示了温度噪声的大小。光电管光电管是依据光电发射效应而工作的一种光电探测器。其结构原理和偏置电路如图所示，主要由光阴极K、阳极A和管壳组成。如果管壳内是真空状态，就称为真空光电管。如果管壳内充有增益气体，就称为充气光电管。按照接收光辐射的形式又有反射型和透射型光电管之分。光阳极A阴极K光透射型反射型VRLuAKGD光电管的核心部件是光阴极K，它的光电发射性能的好坏，在很大程度上决定了光电管工作性能的优劣。阳极A起着收集电子的作用，其形状和位置都经过精心设计。国产光电管的代号用字符GD表示。鉴于光电管光阴极的重要性以及光电管阴极和光电倍增管光阴极材料的通用性，我们首先集中介绍一下关于光阴极材料的基本概念和光谱响应特性，然后再讨论光电管的工作特性。

真空光电管

真空光电管由玻壳、光电阴极和阳极三部分组成。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。

真空光电管特点：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：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。光阴极材料及其光谱响应光阴极光谱响应的截止波长λc由下式决定，即式中是光阴极材料的功函数。该式仅仅说明了理想情况下光阴极材料能否产生光电发射的条件，至于发射效应本身是否有效，该式无法说明。实际上，光电子从光阴极内部逸出表面经过三个过程：

1.光阴极内部电子吸收光子能量，被激发到真空能级以上的高能量状态；2.这些高能量的光电子在向表面运动过程中，受到其它电子碰撞，散射而失去一部分能量；3.光电子到达表面时还要克服表面势垒才能最后逸出。因此，一个良好的光阴极应该满足三个条件：1.光阴极表面对光辐射的反射小而吸收大；2.光电子在向表面运动中受到的能量散射损耗小3.光阴极表面势垒低，电子逸出概率大。许多金属和半导体材料虽然都能产生光电效应，但依据上述原则，金属和半导体材料相比光电发射效率要低得多。因而光阴极通常都采用半导体材料。半导体材料光阴极又分为正电子亲和势(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。为了有一个明确的物理概念，结合图示来说明两种光阴极类型之间的主要差别。eeeEFE0EFEVECEAjEjEE0ECEFEVEAeEDEAjEE0EECEVEFEAjEE0e(a)金属(b)理想半导体(c)正电子亲和势(d)负电子亲和势对于金属情况，见图(a)，金属内的“冷”电子(即光电子)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，即这里的Eφ应理解为，光电子到达金属表面而逸出时至少必须具有的能量。所以，考虑到散射能量的损失，金属体内光电子的能量必须大于Eφ才可能逸出。金属中铯(Cs)的Eφ值最小，约为2.1(eV)，其截止波长最长，大约为600(nm)。大多数金属的Eφ值都在3(eV)以上。由于金属对光辐射的反射强而吸收弱，加之金属中自由电子浓度大，光电子受到的能量散射损失自然大，因而光电发射效率很低。对半导体材料，见图(b)，体内“冷”电子发射来源于价带EV附近，因此表面处的Eφ为式中Eg为禁带宽度，EA为E0和导带EC之差，称为电子亲和势。由半导体物理可知，实际的半导体能级，在半导体表面附近要发生弯曲，见图(c)，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EvEFEcEAeEφE0(b)理想半导体我们通常所说的电子亲合势就是指的EAe，这样，半导体材料的光电发射阈值变为：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。(c)正电子亲和势EAeECEFEvE0EφΔEEA如果使EAe<0，见图(d)，就出现了一种非常有利的光电子发射条件，只要激发到导带中的光电子，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。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。(d)负电子亲和势EvEFEcEAeEAE0Eφe根据国际电子工程协会规定，把NEA光阴极出现以前的各种光阴极，按其出现的先后顺序和所配置的窗口材料，以S—XX(数字)的形式进行编排命名，如表所示。

S—XX光阴极特性*带25伏起偏电压编号光阴极材料窗口材料工作方式R－反射型T－透射型峰值波长λm(nm)灵敏度Ri(μA/lm)Riλm(mA/W)ηλm(%)暗电流25℃条件(A/cm2)S-1AgOCs玻璃T,R800302.80.439×10-13S-3AgORb玻璃R4206~51.80.53-S-4Cs,Sb玻璃R400404012.42×10-16S-5Cs,Sb透紫外玻璃R340405018.23×10-16S-8Cs,Bl玻璃R3653230.781.3×10-16S-9Cs,Sb7052玻璃T4803020.55.33×10-16S-10AgOBlCs玻璃T45040205.57×10-16S-11Cs,Sb玻璃T440705615.73×10-16S-13Cs,Sb石英T440604813.54×10-16S-14Ge玻璃-150012400*520*43*-S-16Cd,Se玻璃-730----S-17Cs,Sb玻璃R49012583211.2×10-15S-19Cs,Sb石英R330406524.43×10-16S-20NaKCsSb玻璃T4201506418.83×10-16S-21Cs,Sb透紫外玻璃T44030236.64×10-16S-23Tb,Te石英T240-421×10-10S-24Na,KSb7052玻璃T380456721.83×10-13S-25NaKCsSb玻璃T4202004312.71×10-13一、银氧铯(Ag-O-Cs)光电阴极银氧铯阴极是最早出现的实用光电阴极。目前，除了III-V族的光电阴极外，它仍然是在近红外区具有使用价值的唯一阴极。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，如图所示。Ag2OAgCS2O内吸附CS原子CS原子(a)结构有一些光电器件也有不用氧化，而是用硫化，或以碱金属代替铯原子，目的都是希望得到高的响应率及合适的光谱响应范围。

Ag-O-Cs光电阴极的光谱响应曲线如图所示。它的长波灵敏度延伸至红外1.2μm，并且有两个峰值，近红外800nm处有一主峰，另一主峰处于紫外350nm。h=0.1%h=1%1010.20.40.60.81.01.2(b)光谱相应曲线l(mm)S(l)(mA/W)η=1%η=0.1%Ag-O-Cs光电阴极的灵敏度较低。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%;它的热电子发射密度在室温下超过任何其它实用阴极，约为10-11~10-14A/cm2。此外，当阴极长期受光照后，会产生严重的疲劳现象，且疲劳特性与光照度、光照波长等都有密切关系，疲劳后光谱响应曲线也会发生变化，因此它的应用受到很大限制。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。该阴极的量子效率达10%，但长波限只有750nm。随着多碱光电阴极的不断发展，而且灵敏度都高于Bi-Ag-O-Cs阴极，因此Bi-Ag-O-Cs阴极逐渐被多碱阴极所取代。二、单碱锑化物光电阴极金属锑与碱金属锂、钠、钾、铷、铯中的一种化合，都能形成具有稳定光电发射的发射体LiSb、NaSb、KSb、RbSb和CsSb等。其中，以CsSb阴极的灵敏度为最高，是最有实用价值的光电发射材料，广泛用于紫外和可见光区的光电探测器中。锑铯阴极的典型光谱响应曲线如图所示。1001010.30.50.70.9l(mm)S(l)(mA/W)SbKCsCsSbNaKSbCs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。1001010.30.50.70.9l(mm)S(l)(mA/W)SbKCsCsSbNaKSbCs三、多碱锑化物光电阴极当锑和几种碱金属形成化合物时，具有更高的响应率，其中有双碱、三碱和四碱等，统称为多碱锑化物光电阴极。锑钾钠(NaKSb)阴极是双碱阴极中的一种，它的光谱响应与锑铯阴极相近，在峰值波长0.4μm处的量子效率达25％，其典型光照灵敏度可达50μA/lm。它的最大特点是耐高温，工作温度可达175℃，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。与之相关，NaKSb阴极的热电子发射很小，室温下约10-17～10-18A/cm2，光电疲劳效应也小，因此也常用于光子计数技术中。另一些双碱阴极为含铯的SbKCs或SbRbCs等。SbKCs阴极在波长0.4μm处的量子效应为26％，光照灵敏度(典型值为70μA/lm)比CsSb阴极高，热电子发射小(约为10-17A/cm2)。锑钾钠铯(NaKSbCs)阴极是三碱阴极中最有实用价值的一种，它从紫外到近红外的光谱区都具有较高的量子效率。NaKSbCs阴极典型的光照灵敏度为150μA/lm，长波限为850nm，热电子发射约10-14～10-16A/cm2，而且工作稳定性好，疲劳效应很微小。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420nm延伸至600nm，光照灵敏度提高到400μA/lm。四、紫外光电阴极一般来说，对可见光灵敏的光电阴极，对紫外光也都具有较高的量子效率。但在某些应用中，为了消除背景辐射的影响，要求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“日盲”型光电阴极。目前比较实用的“日盲”型光电阴极有碲化铯(CsTe)和碘化铯(CsI)两种。CsTe阴极的长波限为0.32μm，而CsI阴极的长波限为0.2μm。五、负电子亲和势光电阴极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)。现以Si-Cs2O光电阴极为例加以说明。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，基底为p型材料有丰富的空穴，它们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。现在由于表面存在n型薄层，使耗尽区的电位下降，表面电位降低Ed。光电子在表面附近受到耗尽区内建电场的作用，从Si的导带底部漂移到表面Cs2O的导带底部。此时，电子只需克服EA2就能逸出表面。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，使