第3章 光電陰極與光電倍增管

1、1. 1.光電二極管光電二極管分類分類符號(hào)符號(hào)接法接法 光敏二極管符號(hào)光敏二極管符號(hào)光敏二極管接法光敏二極管接法 2. 2.光電二極管跟普通二極管和光電池的區(qū)別光電二極管跟普通二極管和光電池的區(qū)別 與普通二極管相比與普通二極管相比 共同點(diǎn)：共同點(diǎn)：一個(gè)一個(gè)PNPN結(jié)，單向?qū)щ娦越Y(jié)，單向?qū)щ娦?不同點(diǎn)：不同點(diǎn)： （1 1）受光面大，）受光面大，PNPN結(jié)面積更大，結(jié)面積更大，PNPN結(jié)深度較淺結(jié)深度較淺 （2 2）表面有防反射的）表面有防反射的SiOSiO2 2保護(hù)層保護(hù)層 （3 3）外加反偏置）外加反偏置 與光電池相比與光電池相比 共同點(diǎn)：共同點(diǎn)：均為均為PNPN結(jié)，利用光伏效應(yīng)，結(jié)，利用光伏

2、效應(yīng)，SiOSiO2 2保護(hù)膜保護(hù)膜 不同點(diǎn)：不同點(diǎn)： （1 1）結(jié)面積比光電池的小，頻率特性好）結(jié)面積比光電池的小，頻率特性好; ; （2 2）光生電勢(shì)與光電池相同，但電流比光電池小）光生電勢(shì)與光電池相同，但電流比光電池小; ; （3 3）可在零偏壓下工作，常在反偏置下工作。）可在零偏壓下工作，常在反偏置下工作。 3. 3.光電三極管的電流關(guān)系及電連接方法光電三極管的電流關(guān)系及電連接方法 根據(jù)共發(fā)射極電流關(guān)系有：根據(jù)共發(fā)射極電流關(guān)系有： IbIp Ic = Ie = （1+） Ib = （1+） Ip = （1+） ESE 4. 4.象限探測(cè)器象限探測(cè)器 5.PIN5.PIN光電二極管光電二

3、極管 由于由于I I層比層比PNPN結(jié)寬的多，光生電流增大結(jié)寬的多，光生電流增大; ; 由于耗盡層變寬，結(jié)電容變小；提高響應(yīng)速度由于耗盡層變寬，結(jié)電容變??；提高響應(yīng)速度； 由于由于I I層電阻率很高，故能承受的電壓增大層電阻率很高，故能承受的電壓增大; ; O xA L II II x L xL II L xL II A A A 12 12 02 01 2 2 6.PSD6.PSD位置傳感器位置傳感器 7 7雪崩光電二極管；雪崩光電二極管； 本章主要內(nèi)容：本章主要內(nèi)容： 3.1 3.1 陰極與陰極電子學(xué)陰極與陰極電子學(xué) 3.2 3.2 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng) 3.2 3.2 光電陰極光電陰極 2

4、.32.3光電管和光電倍增管光電管和光電倍增管 l陰極（陰極（CathodeCathode） 電子器件中發(fā)射電子的一極（電子源）電子器件中發(fā)射電子的一極（電子源） l陰極電子學(xué)陰極電子學(xué) 研究：研究： 1 1）電子和離子從固體表面的發(fā)射過(guò)程）電子和離子從固體表面的發(fā)射過(guò)程 2 2）粒子）粒子 固體表面相互作用的物理過(guò)程固體表面相互作用的物理過(guò)程 3.1 3.1 陰極與陰極電子學(xué)陰極與陰極電子學(xué) l 從能帶理論淺談電子發(fā)射從能帶理論淺談電子發(fā)射 【思考思考】如何使體內(nèi)電子逸出？如何使體內(nèi)電子逸出？ 第一種方式第一種方式 第二種方式第二種方式 使體內(nèi)電子逸出的方法：使體內(nèi)電子逸出的方法： 1）增加

5、電子能量）增加電子能量 2）削弱阻礙電子逸出的力）削弱阻礙電子逸出的力 1. 1. 增加電子能量增加電子能量 克服表面勢(shì)壘而逸出克服表面勢(shì)壘而逸出 陰極陰極加熱加熱T T足夠高足夠高部分電子獲得足夠能量部分電子獲得足夠能量 （1 1）熱電子發(fā)射）熱電子發(fā)射（熱陰極）（熱陰極） 金屬金屬 半導(dǎo)體半導(dǎo)體 E =E0-EF 1. 1. 增加電子能量增加電子能量 克服表面勢(shì)壘而逸出克服表面勢(shì)壘而逸出 陰極陰極加熱加熱T T足夠高足夠高部分電子獲得足夠能量部分電子獲得足夠能量 （1 1）熱電子發(fā)射）熱電子發(fā)射（熱陰極）（熱陰極） 光輻射光輻射 物體物體 體內(nèi)電子吸收光量子后逸出體內(nèi)電子吸收光量子后逸出

6、（2 2）光電子發(fā)射）光電子發(fā)射（光電陰極）（光電陰極） 光輻射光輻射 物體物體 體內(nèi)電子吸收光量子后逸出體內(nèi)電子吸收光量子后逸出 （2 2）光電子發(fā)射）光電子發(fā)射（光電陰極）（光電陰極） 半導(dǎo)體光電子主要發(fā)射分三類：半導(dǎo)體光電子主要發(fā)射分三類： 本征發(fā)射：價(jià)帶電子本征發(fā)射：價(jià)帶電子導(dǎo)帶電子導(dǎo)帶電子 h hEEC C-E-EV V 雜質(zhì)發(fā)射：雜質(zhì)能級(jí)電子雜質(zhì)發(fā)射：雜質(zhì)能級(jí)電子導(dǎo)帶電子導(dǎo)帶電子 h h E Eg g 自由載流子發(fā)射：自由載流子自由載流子發(fā)射：自由載流子導(dǎo)帶電子導(dǎo)帶電子 忽略不計(jì)忽略不計(jì) 半導(dǎo)體光電子主要發(fā)射分三步：半導(dǎo)體光電子主要發(fā)射分三步： 對(duì)光子的吸收對(duì)光子的吸收 電子向表面

7、運(yùn)動(dòng)電子向表面運(yùn)動(dòng) 克服表面勢(shì)壘而逸出克服表面勢(shì)壘而逸出 1. 1. 增加電子能量增加電子能量 克服表面勢(shì)壘而逸出克服表面勢(shì)壘而逸出 陰極陰極加熱加熱T T足夠高足夠高部分電子獲得足夠能量部分電子獲得足夠能量 （1 1）熱電子發(fā)射）熱電子發(fā)射（熱陰極）（熱陰極） 光輻射光輻射 物體物體 體內(nèi)電子吸收光量子后逸出體內(nèi)電子吸收光量子后逸出 （2 2）光電子發(fā)射）光電子發(fā)射（光電陰極）（光電陰極） （3 3）次級(jí)電子發(fā)射）次級(jí)電子發(fā)射（次級(jí)電子發(fā)射體）（次級(jí)電子發(fā)射體） 初始能量電子初始能量電子 轟擊物體轟擊物體 體內(nèi)電子獲得能量逸出體內(nèi)電子獲得能量逸出 2. 2. 降低阻礙電子逸出的力降低阻礙電子

8、逸出的力 （4 4）場(chǎng)致發(fā)射）場(chǎng)致發(fā)射（場(chǎng)發(fā)射陰極）（場(chǎng)發(fā)射陰極） 固體表面施加強(qiáng)電場(chǎng)固體表面施加強(qiáng)電場(chǎng) 削弱勢(shì)壘削弱勢(shì)壘 體內(nèi)部分電子體內(nèi)部分電子 通過(guò)通過(guò)隧道效應(yīng)隧道效應(yīng)進(jìn)入真空進(jìn)入真空 量子隧穿示意圖量子隧穿示意圖 10 2 exp( 2) exp(2 () a PkamVE 0 V V ao x I II III CRTCRT （Cathode Ray TubeCathode Ray Tube） 和和 FED（ Field Emission Display ） 陰極射線管（陰極射線管（CRT） CRT （Cathode Ray Tube） 和和 FED（ Field Emission

9、Display ） 索尼索尼20102010 被視為繼液晶、等離子、 OLED之后的第四大平板顯示技術(shù) 場(chǎng)致發(fā)射顯示器（場(chǎng)致發(fā)射顯示器（FED） Mo SiO2 Glass Mo Si 場(chǎng)發(fā)射陣列制作過(guò)程場(chǎng)發(fā)射陣列制作過(guò)程 金屬或半導(dǎo)體受光照時(shí)，如果入射的光子能量金屬或半導(dǎo)體受光照時(shí)，如果入射的光子能量hh足夠足夠 大，它和物質(zhì)中的電子相互作用，使電子從材料表面逸出大，它和物質(zhì)中的電子相互作用，使電子從材料表面逸出 的現(xiàn)象，也稱為外光電效應(yīng)。它是真空光電器件光電陰極的現(xiàn)象，也稱為外光電效應(yīng)。它是真空光電器件光電陰極 的物理基礎(chǔ)。的物理基礎(chǔ)。 3.2 3.2 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng) 當(dāng)照射到光陰極

10、上的入射光頻率或頻譜當(dāng)照射到光陰極上的入射光頻率或頻譜 成分不變時(shí)，飽和光電流（即單位時(shí)間內(nèi)發(fā)成分不變時(shí)，飽和光電流（即單位時(shí)間內(nèi)發(fā) 射的光電子數(shù)目）與入射光強(qiáng)度成正比：射的光電子數(shù)目）與入射光強(qiáng)度成正比： I Ik ：光電流：光電流 e e ：光強(qiáng)：光強(qiáng) S Se ：該陰極對(duì)入射光線的靈敏度：該陰極對(duì)入射光線的靈敏度 u 光電發(fā)射第一定律光電發(fā)射第一定律斯托列托夫定律斯托列托夫定律 k e e I S u 光電發(fā)射第二定律光電發(fā)射第二定律愛(ài)因斯坦定律愛(ài)因斯坦定律 光電子的最大動(dòng)能與入射光的頻率成正比，而與入、光電子的最大動(dòng)能與入射光的頻率成正比，而與入、 射光強(qiáng)度無(wú)關(guān)：射光強(qiáng)度無(wú)關(guān)： Ema

11、x：光電子的最大初動(dòng)能。：光電子的最大初動(dòng)能。 h： 普朗克常數(shù)。普朗克常數(shù)。 0： 產(chǎn)生光電發(fā)射的極限頻率，頻率閾值。產(chǎn)生光電發(fā)射的極限頻率，頻率閾值。 W： 金屬電子的逸出功（從材料表面逸出時(shí)所需的金屬電子的逸出功（從材料表面逸出時(shí)所需的 最低最低 能量），單位能量），單位eV，與材料有關(guān)的常數(shù)，與材料有關(guān)的常數(shù)， 也稱功函數(shù)。也稱功函數(shù)。 Emax=(1/2)m2max=h- h0 =h- W 入射光子的能量至少要等于逸出功時(shí)，才能發(fā)生入射光子的能量至少要等于逸出功時(shí)，才能發(fā)生 光電發(fā)射。光電發(fā)射。 波長(zhǎng)閾值：波長(zhǎng)閾值： hW hc/W hc/W=1.24/A 0.76m）發(fā)射電子，必須

12、尋求低于（？）發(fā)射電子，必須尋求低于（？） 的低能閾值材料。的低能閾值材料。 1.63eV 圖圖 光電子最大動(dòng)能與入射光頻率的關(guān)系光電子最大動(dòng)能與入射光頻率的關(guān)系 0 0 WWmax max 0 (1/2)m2max=h- h0 =h- W 為什么會(huì)彎曲？ 3.3 3.3 光電陰極光電陰極 能夠產(chǎn)生光電發(fā)射效應(yīng)的物體稱為光電發(fā)射體，光能夠產(chǎn)生光電發(fā)射效應(yīng)的物體稱為光電發(fā)射體，光 電發(fā)射體在光電器件中常與陰極相聯(lián)故稱為光電陰極電發(fā)射體在光電器件中常與陰極相聯(lián)故稱為光電陰極 。 什么是光電陰極？什么是光電陰極？ 陰極 反射系數(shù)大、吸收系反射系數(shù)大、吸收系 數(shù)小、碰撞損失能量數(shù)小、碰撞損失能量 大、

13、逸出功大適大、逸出功大適 應(yīng)對(duì)紫外靈敏的光電應(yīng)對(duì)紫外靈敏的光電 探測(cè)器。探測(cè)器。 光吸收系數(shù)大得多，散光吸收系數(shù)大得多，散 射能量損失小，量子效射能量損失小，量子效 率比金屬大得多光率比金屬大得多光 譜響應(yīng)：可見(jiàn)光和近紅譜響應(yīng)：可見(jiàn)光和近紅 外波段。外波段。 金屬：金屬：半導(dǎo)體：半導(dǎo)體： 0 A E0 A E 常規(guī)光電陰極常規(guī)光電陰極 負(fù)電子親和勢(shì)陰極負(fù)電子親和勢(shì)陰極 半導(dǎo)體材料廣泛用作光電陰極半導(dǎo)體材料廣泛用作光電陰極 1.1.靈敏度靈敏度 光照靈敏度光照靈敏度 色光靈敏度色光靈敏度 光譜靈敏度光譜靈敏度 靈敏度靈敏度 色溫色溫2856K2856K的鎢絲燈的鎢絲燈 (1)(1)光照靈敏度光照

14、靈敏度 在一定的在一定的白光白光照射下，光電陰極的照射下，光電陰極的光電流與入射的光電流與入射的 白光光通量之比白光光通量之比, ,也稱白光靈敏度或積分靈敏度。也稱白光靈敏度或積分靈敏度。 它表示在某些特定的波長(zhǎng)區(qū)域，陰極光電流與入射光它表示在某些特定的波長(zhǎng)區(qū)域，陰極光電流與入射光 的光通量之比。的光通量之比。 (2) (2) 色光靈敏度色光靈敏度 一般用插入不同的濾光片來(lái)獲得不同的光譜范圍，濾一般用插入不同的濾光片來(lái)獲得不同的光譜范圍，濾 光片的透射比不同，它又分別稱為光片的透射比不同，它又分別稱為藍(lán)光靈敏度、紅光靈敏藍(lán)光靈敏度、紅光靈敏 度及紅外靈敏度及紅外靈敏。 實(shí)際上是局部波長(zhǎng)范圍實(shí)際

15、上是局部波長(zhǎng)范圍 的積分靈敏度的積分靈敏度 QB:QB:中國(guó)青色或蘭色玻中國(guó)青色或蘭色玻 璃璃( (德國(guó)德國(guó):BG):BG) HB:HB:中國(guó)紅色玻璃中國(guó)紅色玻璃 4 ( )M TT 2.2.量子效率量子效率 陰極發(fā)射的陰極發(fā)射的光電子數(shù)光電子數(shù) Ne()與與入射的光子數(shù)入射的光子數(shù) Np()之比，之比， 稱為量子效率稱為量子效率: 根據(jù)定義根據(jù)定義: :量子效率和光譜靈敏度之間的關(guān)系為量子效率和光譜靈敏度之間的關(guān)系為: : 式中式中,單位為單位為nm； S()為光譜靈敏度為光譜靈敏度，單位為單位為A/W。 波長(zhǎng)一定的單色光照射時(shí)，光電陰極發(fā)出的光電流波長(zhǎng)一定的單色光照射時(shí)，光電陰極發(fā)出的光電

16、流 與入射的單色光通量之比。與入射的單色光通量之比。 (3) (3) 光譜靈敏光譜靈敏度度 ( ) ( ) ( ) e I S )( )( )( p e N N 1240)()( / )( / )( )( e S q hcS h qI 光電陰極中有一些電子的光電陰極中有一些電子的熱能熱能有可能大于光電有可能大于光電 陰極逸出功，陰極逸出功，因而可產(chǎn)生熱電子發(fā)射因而可產(chǎn)生熱電子發(fā)射。 室溫下典型光電陰極室溫下典型光電陰極 每秒每平方厘米發(fā)射每秒每平方厘米發(fā)射 的熱電子相當(dāng)于的熱電子相當(dāng)于 l0-16 10-17A/cm2的電流密度的電流密度 3.3.光譜響應(yīng)曲線光譜響應(yīng)曲線 光電陰極的光譜靈敏度

17、與入射光波長(zhǎng)的關(guān)系光電陰極的光譜靈敏度與入射光波長(zhǎng)的關(guān)系 曲線，稱為光譜響應(yīng)曲線。曲線，稱為光譜響應(yīng)曲線。 4.4.暗電流暗電流 S() /nm 為什么會(huì)有峰值？為什么會(huì)有峰值？ 光電陰極一般分為光電陰極一般分為: :透射型與反射型兩種透射型與反射型兩種。 不透明陰極通常不透明陰極通常 較厚，光照射到陰極較厚，光照射到陰極 上，光電子從同一面上，光電子從同一面 發(fā)射出來(lái)，所以不透發(fā)射出來(lái)，所以不透 明光電陰極又稱為明光電陰極又稱為反反 射型陰極射型陰極 ( (二二).).光電陰極的分類光電陰極的分類 透射型陰極通常制作透射型陰極通常制作 在透明介質(zhì)上，光通過(guò)在透明介質(zhì)上，光通過(guò) 透明介質(zhì)后入射

18、到光電透明介質(zhì)后入射到光電 陰極上。光電子則從光陰極上。光電子則從光 電陰極的另一邊發(fā)射出電陰極的另一邊發(fā)射出 來(lái)，所以透射型陰極又來(lái)，所以透射型陰極又 稱為稱為半透明光電陰極。半透明光電陰極。 光 陽(yáng)極 A 陰極 K 光 透射型反射型 ( (三三). ). 常用光電陰極材料常用光電陰極材料 透射型光譜響應(yīng)透射型光譜響應(yīng): : 300nm300nm到到1200nm1200nm，反射型光譜響，反射型光譜響 應(yīng)應(yīng): :300m300m到到1100nm1100nm。Ag-O-CsAg-O-Cs光電陰極主要應(yīng)用于光電陰極主要應(yīng)用于近紅外近紅外 探測(cè)。可見(jiàn)光區(qū)域內(nèi)量子效率低于探測(cè)。可見(jiàn)光區(qū)域內(nèi)量子效率低

19、于0.43%0.43%。如。如S-1S-1所示。所示。 (1) Ag-O-Cs具有良好的可見(jiàn)和近紅外響應(yīng)。具有良好的可見(jiàn)和近紅外響應(yīng)。 350 nm, 800 nm350 nm, 800 nm ( (三三). ). 常用光電陰極材料常用光電陰極材料 (1) Ag-O-Cs具有良好的可見(jiàn)和近紅外響應(yīng)。具有良好的可見(jiàn)和近紅外響應(yīng)。 (2)單堿銻化合物單堿銻化合物(PEA) 量子效率一般高達(dá)量子效率一般高達(dá)20%20%30%30%，比銀比銀 氧銫光電陰極高氧銫光電陰極高3030多倍。多倍。如如S-4S-4。 金屬銻與堿金屬鋰、鈉、鉀、銫中的一種構(gòu)成的化合物，都金屬銻與堿金屬鋰、鈉、鉀、銫中的一種構(gòu)成

20、的化合物，都 是能形成具有穩(wěn)定光電發(fā)射的發(fā)射材料，是能形成具有穩(wěn)定光電發(fā)射的發(fā)射材料， CsSbCsSb最為常用，在最為常用，在紫紫 外和可見(jiàn)光區(qū)的靈敏度外和可見(jiàn)光區(qū)的靈敏度最高。最高。 ( (三三). ). 常用光電陰極材料常用光電陰極材料 (1) Ag-O-Cs具有良好的可見(jiàn)和近紅外響應(yīng)。具有良好的可見(jiàn)和近紅外響應(yīng)。 (2)單堿銻化合物單堿銻化合物(PEA) (3)多堿銻化合物多堿銻化合物(PEA) 銻和幾種堿金屬形成的化合物包括雙堿銻材料銻和幾種堿金屬形成的化合物包括雙堿銻材料Sb-Na-KSb-Na-K、Sb-K-Sb-K- CsCs和三堿銻材料和三堿銻材料Sb-Na-K-CsSb-N

21、a-K-Cs等，等，Sb-Na-K-CsSb-Na-K-Cs是最實(shí)用的光電陰極材是最實(shí)用的光電陰極材 料，具有高靈敏度和寬光譜響應(yīng)，料，具有高靈敏度和寬光譜響應(yīng)，如如S-20S-20 。其紅外端可延伸其紅外端可延伸到到 930nm930nm，量子效率高于，量子效率高于20 %20 %。 適用于寬帶光譜測(cè)量?jī)x適用于寬帶光譜測(cè)量?jī)x. . ( (三三). ). 常用光電陰極材料常用光電陰極材料 (1) Ag-O-Cs具有良好的可見(jiàn)和近紅外響應(yīng)。具有良好的可見(jiàn)和近紅外響應(yīng)。 (2)單堿銻化合物單堿銻化合物(PEA) (3)多堿銻化合物多堿銻化合物(PEA) (4)紫外光電陰極材料紫外光電陰極材料 某些

22、應(yīng)用，要求光電陰極材料只對(duì)所探測(cè)的紫外某些應(yīng)用，要求光電陰極材料只對(duì)所探測(cè)的紫外 輻射靈敏，對(duì)可見(jiàn)光無(wú)響應(yīng)。這種材料通常稱為輻射靈敏，對(duì)可見(jiàn)光無(wú)響應(yīng)。這種材料通常稱為“日日 盲盲”型光電陰極材料，也稱紫外光電陰極材料。目前型光電陰極材料，也稱紫外光電陰極材料。目前 實(shí)用的紫外光電陰極實(shí)用的紫外光電陰極碲化銫碲化銫(CsTe)(CsTe)和和碘化銫碘化銫(Csl)(Csl)兩種。兩種。 長(zhǎng)波限為長(zhǎng)波限為 0.32m 長(zhǎng)波限為長(zhǎng)波限為 0.2m ( (三三). ). 常用光電陰極材料常用光電陰極材料 (1) Ag-O-Cs具有良好的可見(jiàn)和近紅外響應(yīng)。具有良好的可見(jiàn)和近紅外響應(yīng)。 (2)單堿銻化合物

23、單堿銻化合物(PEA) (3)多堿銻化合物多堿銻化合物(PEA) (4)紫外光電陰極材料紫外光電陰極材料 負(fù)電子親和勢(shì)負(fù)電子親和勢(shì)材料制作的光電陰極與材料制作的光電陰極與正電子親和勢(shì)正電子親和勢(shì)材材 料光電陰極相比料光電陰極相比, ,具有以下四點(diǎn)特點(diǎn)具有以下四點(diǎn)特點(diǎn) c. 熱電子發(fā)射小熱電子發(fā)射小 a.量子效率高量子效率高 b. 光譜響應(yīng)率均勻光譜響應(yīng)率均勻, ,且光譜響應(yīng)延伸到紅外且光譜響應(yīng)延伸到紅外 d. 光電子的能量集中光電子的能量集中 (5)負(fù)電子親合能材料負(fù)電子親合能材料(NEA) 負(fù)電子親和勢(shì)材料結(jié)構(gòu)、原理負(fù)電子親和勢(shì)材料結(jié)構(gòu)、原理 重?fù)诫s的重?fù)诫s的P型型硅表硅表 面涂面涂極薄極薄

24、的金屬的金屬Cs， 經(jīng)過(guò)處理形成經(jīng)過(guò)處理形成N型型 的的Cs2O。 以以Si-Cs2O光電陰極為例光電陰極為例 P型型Si的的電子親和勢(shì)電子親和勢(shì):N型型Cs2O電子親和勢(shì)電子親和勢(shì): EA1=E0-EC10EA2=E0-EC20 體內(nèi)：體內(nèi)：P型型表面：表面：N型型 表面表面電子，電子，能級(jí)能級(jí)Ec1 入射光子入射光子 體內(nèi)體內(nèi)電子，能級(jí)電子，能級(jí)Ec1 表面逸出電子表面逸出電子 E0-Ec1 0 體內(nèi)體內(nèi)有效有效電子親和勢(shì)電子親和勢(shì): : EAe=E0-EC10 EA2=E0-EC20 EAe=E0-EC10 NEA的最大優(yōu)點(diǎn)：的最大優(yōu)點(diǎn)： 量子效率比常規(guī)發(fā)射體高得多量子效率比常規(guī)發(fā)射體高

25、得多 ）（）（命命（壽（壽 容易逸出容易逸出冷電子冷電子熱電子（導(dǎo)帶底以上）熱電子（導(dǎo)帶底以上）價(jià)帶上電子價(jià)帶上電子 能量高于能量高于能量損失能量損失吸收光子吸收光子 s1010s1010 891214 E0 光電發(fā)射過(guò)程分析：光電發(fā)射過(guò)程分析： 熱電子熱電子 受激電子能量受激電子能量 超過(guò)導(dǎo)帶底的電子超過(guò)導(dǎo)帶底的電子 冷電子冷電子 能量恰好等于能量恰好等于 導(dǎo)帶底的電子導(dǎo)帶底的電子 NEANEA量子效率比常規(guī)發(fā)射體高得多！量子效率比常規(guī)發(fā)射體高得多！ 2. 2. 負(fù)電子親和勢(shì)陰極負(fù)電子親和勢(shì)陰極 NEA的優(yōu)點(diǎn)：的優(yōu)點(diǎn)：量子效率比常規(guī)發(fā)射體高得多量子效率比常規(guī)發(fā)射體高得多 1 1、量子效率高、

26、量子效率高 2 2、閾值波長(zhǎng)延伸到紅外區(qū)、閾值波長(zhǎng)延伸到紅外區(qū) 3 3、由于、由于“冷冷”電子發(fā)射，能量分電子發(fā)射，能量分 散小，在成象器件中分辨率極高散小，在成象器件中分辨率極高 4 4、延伸的光譜區(qū)內(nèi)其靈敏度均勻、延伸的光譜區(qū)內(nèi)其靈敏度均勻 2. 2. 負(fù)電子親和勢(shì)陰極負(fù)電子親和勢(shì)陰極 m 24.1 max g E m a x 1 .2 4 m gA EE 當(dāng)負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極受當(dāng)負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極受 光照時(shí)，被激發(fā)的的電子在光照時(shí)，被激發(fā)的的電子在 導(dǎo)帶內(nèi)很快熱化導(dǎo)帶內(nèi)很快熱化( (約約1010-12 -12s) s)并并 落入導(dǎo)帶底落入導(dǎo)帶底( (壽命達(dá)壽命達(dá)1010-9 -9s)

27、 s)。 熱化電子很容易擴(kuò)散到能帶熱化電子很容易擴(kuò)散到能帶 彎曲的表面，然后發(fā)射出去，彎曲的表面，然后發(fā)射出去， 所發(fā)射光電子的能量基本上所發(fā)射光電子的能量基本上 都等于導(dǎo)帶底的能量。都等于導(dǎo)帶底的能量。 1. 1. 陰極，使陰極發(fā)射電子的方式？陰極，使陰極發(fā)射電子的方式？ 電子器件中發(fā)射電子的一極（電子源）電子器件中發(fā)射電子的一極（電子源） 1. 1. 陰極，使陰極發(fā)射電子的方式？陰極，使陰極發(fā)射電子的方式？ 2. 2. 光電陰極光電陰極 能夠產(chǎn)生光電發(fā)射效應(yīng)的物體稱為光電發(fā)射體能夠產(chǎn)生光電發(fā)射效應(yīng)的物體稱為光電發(fā)射體 (1) Ag-O-Cs：可見(jiàn)和近紅外響應(yīng)：可見(jiàn)和近紅外響應(yīng), 0.42%

28、 (2)單堿銻化合物單堿銻化合物(PEA)：紫外和可見(jiàn)光區(qū)，：紫外和可見(jiàn)光區(qū)，20%-30% (3)多堿銻化合物多堿銻化合物(PEA)：紫外和可見(jiàn)光區(qū)：紫外和可見(jiàn)光區(qū)+紅外，紅外，20% (4)紫外光電陰極材料：日盲型，紫外光電陰極材料：日盲型，碲化銫，碘化銫碲化銫，碘化銫C C (5)負(fù)電子親合能材料負(fù)電子親合能材料(NEA) 3. 3.作為光電陰極材料，金屬和半導(dǎo)體材料的優(yōu)缺點(diǎn)？作為光電陰極材料，金屬和半導(dǎo)體材料的優(yōu)缺點(diǎn)？ 反射系數(shù)大、吸收系反射系數(shù)大、吸收系 數(shù)小、碰撞損失能量數(shù)小、碰撞損失能量 大、逸出功大適大、逸出功大適 應(yīng)對(duì)紫外靈敏的光電應(yīng)對(duì)紫外靈敏的光電 探測(cè)器。探測(cè)器。 光吸收

29、系數(shù)大得多，散光吸收系數(shù)大得多，散 射能量損失小，量子效射能量損失小，量子效 率比金屬大得多光率比金屬大得多光 譜響應(yīng)：可見(jiàn)光和近紅譜響應(yīng)：可見(jiàn)光和近紅 外波段。外波段。 金屬：金屬：半導(dǎo)體：半導(dǎo)體： 4. 4.負(fù)電子親和勢(shì)材料，特點(diǎn)？負(fù)電子親和勢(shì)材料，特點(diǎn)？ 4. 4.負(fù)電子親和勢(shì)材料，特點(diǎn)？負(fù)電子親和勢(shì)材料，特點(diǎn)？ 1 1、量子效率高、量子效率高 2 2、閾值波長(zhǎng)延伸到紅外區(qū)、閾值波長(zhǎng)延伸到紅外區(qū) 3 3、由于、由于“冷冷”電子發(fā)射，能量分電子發(fā)射，能量分 散小，在成象器件中分辨率極高散小，在成象器件中分辨率極高 4 4、延伸的光譜區(qū)內(nèi)其靈敏度均勻、延伸的光譜區(qū)內(nèi)其靈敏度均勻 m 24.1

30、 max g E m a x 1 .2 4 m gA EE 當(dāng)負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極受當(dāng)負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極受 光照時(shí)，被激發(fā)的的電子在光照時(shí)，被激發(fā)的的電子在 導(dǎo)帶內(nèi)很快熱化導(dǎo)帶內(nèi)很快熱化( (約約1010-12 -12s) s)并并 落入導(dǎo)帶底落入導(dǎo)帶底( (壽命達(dá)壽命達(dá)1010-9 -9s) s)。 熱化電子很容易擴(kuò)散到能帶熱化電子很容易擴(kuò)散到能帶 彎曲的表面，然后發(fā)射出去，彎曲的表面，然后發(fā)射出去， 所發(fā)射光電子的能量基本上所發(fā)射光電子的能量基本上 都等于導(dǎo)帶底的能量。都等于導(dǎo)帶底的能量。 本章主要內(nèi)容：本章主要內(nèi)容： 3.1 3.1 陰極與陰極電子學(xué)陰極與陰極電子學(xué) 3.2 3.2 外

31、光電效應(yīng)外光電效應(yīng) 3.3 3.3 光電陰極光電陰極 3.43.4光電管和光電倍增管光電管和光電倍增管 光電管主要由玻殼光電管主要由玻殼 （光窗）、光電陰極（光窗）、光電陰極 和陽(yáng)極三部分組成和陽(yáng)極三部分組成 PT內(nèi)可以抽成真空也可內(nèi)可以抽成真空也可 以充入低壓惰性氣體，有真以充入低壓惰性氣體，有真 空型和充氣型兩種。空型和充氣型兩種。 ( (一一). ). 光電管光電管(PT)(PT) 簡(jiǎn)述真空型和充氣型兩簡(jiǎn)述真空型和充氣型兩 種光電管的工作原理種光電管的工作原理? ? 3.4 3.4 真空光電管與光電倍增管的工作原理真空光電管與光電倍增管的工作原理 光 陽(yáng)極 A 陰極 K 光 透射型反射型

32、 0.20.60.40.81 25 20 15 10 5 0 5 6 4 3 2 1 i P/lm i/uA 20 15 10 5 0 50 100150200250 0.15 0.1 0.05 0 (lm) i(uA) u/V ( (一一). ). 光電管分類：反射型和透射型光電管分類：反射型和透射型 充氣型 真空型 光電倍增管光電倍增管是在光電管的基礎(chǔ)上研制出來(lái)的一種真空光電器件，在結(jié)是在光電管的基礎(chǔ)上研制出來(lái)的一種真空光電器件，在結(jié) 構(gòu)上增加了電子光學(xué)系統(tǒng)和電子倍系統(tǒng)，因此極大的提高了檢測(cè)靈敏度。構(gòu)上增加了電子光學(xué)系統(tǒng)和電子倍系統(tǒng)，因此極大的提高了檢測(cè)靈敏度。 光電倍增管光電倍增管主要由

33、主要由入射窗口、光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、電子倍增入射窗口、光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、電子倍增 系統(tǒng)和陽(yáng)極系統(tǒng)和陽(yáng)極五個(gè)主要部分組成。五個(gè)主要部分組成。 ( (二二). ). 光電倍增管光電倍增管( (PMT) ) 1 1光電倍增管的結(jié)構(gòu)光電倍增管的結(jié)構(gòu) 為了使光電子能有效地被各倍增極電極收集并倍增，為了使光電子能有效地被各倍增極電極收集并倍增， 陰極與第一倍增極、各倍增極之間以及末級(jí)倍增極與陽(yáng)極陰極與第一倍增極、各倍增極之間以及末級(jí)倍增極與陽(yáng)極 之間都必須施加一定的電壓之間都必須施加一定的電壓。 最基本的方法是在陰極和陽(yáng)極之間加上適當(dāng)?shù)母邏?，最基本的方法是在陰極和陽(yáng)極之間加上適當(dāng)?shù)母邏海?陰極接

34、負(fù)，陽(yáng)極接正，外部并接一系列電阻，使各電極之陰極接負(fù)，陽(yáng)極接正，外部并接一系列電阻，使各電極之 間獲得一定的分壓間獲得一定的分壓: : 2. PMT2. PMT的工作原理的工作原理 經(jīng)過(guò)倍增后的經(jīng)過(guò)倍增后的二次電二次電 子由陽(yáng)極子由陽(yáng)極P收集起來(lái)收集起來(lái)，形形 成陽(yáng)極光電流成陽(yáng)極光電流Ip，在負(fù)載，在負(fù)載 RL上產(chǎn)生信號(hào)電壓上產(chǎn)生信號(hào)電壓0。 光子透過(guò)入射窗光子透過(guò)入射窗 口入射在口入射在光電陰極光電陰極 K上上 光電陰極光電陰極K受光照激受光照激 發(fā)，表面發(fā)射光電子發(fā)，表面發(fā)射光電子 光電子光電子被電子光學(xué)系統(tǒng)加速被電子光學(xué)系統(tǒng)加速 和聚焦后入射到和聚焦后入射到第一倍增極第一倍增極D1 上上

35、，將發(fā)射出比入射電子數(shù)更將發(fā)射出比入射電子數(shù)更 多的二次電子。多的二次電子。入射電子經(jīng)入射電子經(jīng)N級(jí)級(jí) 倍增后，光電子數(shù)就放大倍增后，光電子數(shù)就放大N次次 D2D1Dn PK UO RnRn-1R2R1 -HV RL 端窗式端窗式 側(cè)側(cè) 窗窗 式式 (1). 入射窗口入射窗口 側(cè)窗型（側(cè)窗型（sidesideonon）: : 從側(cè)面接收入射光。從側(cè)面接收入射光。 使用使用不透明光陰極（反不透明光陰極（反 射式光陰極），數(shù)百元一只。射式光陰極），數(shù)百元一只。 端窗型（端窗型（headheadonon）：）： 從頂部接收入射光。從頂部接收入射光。 入射窗的內(nèi)表面上沉積了入射窗的內(nèi)表面上沉積了 半透

36、明的光陰極（透過(guò)式光陰半透明的光陰極（透過(guò)式光陰 極），數(shù)千元一只。極），數(shù)千元一只。 a. 窗口形式窗口形式 b.b.常用的窗口材料常用的窗口材料 硼硅玻璃硼硅玻璃: :透射范圍從透射范圍從300nm300nm到到HWHW 透紫外玻璃透紫外玻璃優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): :紫外短波透射截止波長(zhǎng)可延伸到紫外短波透射截止波長(zhǎng)可延伸到250nm250nm 熔融石英熔融石英（二氧化硅）優(yōu)點(diǎn)（二氧化硅）優(yōu)點(diǎn): :在遠(yuǎn)紫外區(qū)有相當(dāng)好的透過(guò)在遠(yuǎn)紫外區(qū)有相當(dāng)好的透過(guò) 率，短波截止波長(zhǎng)可達(dá)到率，短波截止波長(zhǎng)可達(dá)到160nm160nm 藍(lán)寶石藍(lán)寶石( (AlAl2 2O O3 3晶體晶體) )特點(diǎn)是特點(diǎn)是: :紫外透過(guò)率處于熔

37、融石英和透紫外透過(guò)率處于熔融石英和透 紫外玻璃之間，紫外截止波長(zhǎng)可以達(dá)到紫外玻璃之間，紫外截止波長(zhǎng)可以達(dá)到150nm150nm。 PMT常用的窗口材料常用的窗口材料 硼硅玻璃硼硅玻璃 透紫外玻璃透紫外玻璃 熔融石英熔融石英 藍(lán)寶石藍(lán)寶石 無(wú)毒、抗酸、抗堿，用于軍事和航空 1) 1) 使光電陰極發(fā)射的光電子盡可能全部匯聚到第一使光電陰極發(fā)射的光電子盡可能全部匯聚到第一 倍增極上。倍增極上。 (2).(2).電子光學(xué)系統(tǒng)電子光學(xué)系統(tǒng) 電子光學(xué)系統(tǒng)電子光學(xué)系統(tǒng): :陰極到倍增系統(tǒng)第一倍增極之間的電極陰極到倍增系統(tǒng)第一倍增極之間的電極 空間空間. .包括包括: :光電陰極、聚焦極、加速極及第一倍增極。

38、光電陰極、聚焦極、加速極及第一倍增極。 電子光學(xué)系統(tǒng)的主要作用有兩點(diǎn)電子光學(xué)系統(tǒng)的主要作用有兩點(diǎn) 2) 2) 使陰極面上各處發(fā)射的光電子在電子光學(xué)系統(tǒng)中使陰極面上各處發(fā)射的光電子在電子光學(xué)系統(tǒng)中 渡越的時(shí)間盡可能相等，這樣可以保證光電倍增管的快速渡越的時(shí)間盡可能相等，這樣可以保證光電倍增管的快速 響應(yīng)。響應(yīng)。 (3)(3)電子倍增極電子倍增極 倍增系統(tǒng)倍增系統(tǒng)是由許多倍增極組成，每個(gè)倍增極都是由二是由許多倍增極組成，每個(gè)倍增極都是由二 次電子倍增材料構(gòu)成的，具有使一次電子倍增的能力。次電子倍增材料構(gòu)成的，具有使一次電子倍增的能力。 當(dāng)具有足夠動(dòng)能的電子轟擊倍增極材料時(shí)，倍增當(dāng)具有足夠動(dòng)能的電子

39、轟擊倍增極材料時(shí)，倍增 極表面將發(fā)射新的電子。稱入射的電子為一次電子，極表面將發(fā)射新的電子。稱入射的電子為一次電子， 從倍增極表面發(fā)射的電子為二次電子從倍增極表面發(fā)射的電子為二次電子 (a) (a) 二次電子發(fā)射原理二次電子發(fā)射原理 把二次發(fā)射的電子數(shù)把二次發(fā)射的電子數(shù)N N2 2與入射的一次電子與入射的一次電子 數(shù)數(shù)N Nl l的比值定義為該材料的的比值定義為該材料的二次發(fā)射系數(shù)二次發(fā)射系數(shù) 什么是一次什么是一次 和二次電子？和二次電子？ 2 1 N N 增大增大E Ep p，值值 反而下降反而下降 隨隨E Ep p增大增大 而增大而增大 3) 3) 到達(dá)界面的內(nèi)二次電子中能量大于表面勢(shì)壘的

40、電子發(fā)到達(dá)界面的內(nèi)二次電子中能量大于表面勢(shì)壘的電子發(fā) 射到真空中，成為二次電子射到真空中，成為二次電子。 二次電子發(fā)射過(guò)程三個(gè)階段二次電子發(fā)射過(guò)程三個(gè)階段 2) 2) 內(nèi)二次電子中初速指向表面的那一部分向表面運(yùn)動(dòng)內(nèi)二次電子中初速指向表面的那一部分向表面運(yùn)動(dòng) 1)1) 材料吸收一次電子的能量，激發(fā)體內(nèi)電子到高能材料吸收一次電子的能量，激發(fā)體內(nèi)電子到高能 態(tài)，這些受激電子稱為內(nèi)二次電子；態(tài)，這些受激電子稱為內(nèi)二次電子； 光電倍增管中的倍增極一般由幾級(jí)到十五級(jí)組成。根光電倍增管中的倍增極一般由幾級(jí)到十五級(jí)組成。根 據(jù)電子的軌跡又可分為聚焦型和非聚焦型兩大類。據(jù)電子的軌跡又可分為聚焦型和非聚焦型兩大類

41、。 (3)(3)倍增極結(jié)構(gòu)倍增極結(jié)構(gòu) 聚焦聚焦不是指使電子束會(huì)聚于一點(diǎn)，而是指電子從前一不是指使電子束會(huì)聚于一點(diǎn)，而是指電子從前一 級(jí)倍增極飛向后一級(jí)倍增極時(shí)，在兩電極間的電子運(yùn)動(dòng)軌級(jí)倍增極飛向后一級(jí)倍增極時(shí)，在兩電極間的電子運(yùn)動(dòng)軌 跡，可能有交叉。跡，可能有交叉。非聚焦非聚焦則是指在兩電極間的電子運(yùn)動(dòng)軌則是指在兩電極間的電子運(yùn)動(dòng)軌 跡是平行的跡是平行的 倍增極結(jié)構(gòu)形式倍增極結(jié)構(gòu)形式: : 鼠籠式鼠籠式 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：瓦片，沿結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：瓦片，沿 圓周排列圓周排列 性能特點(diǎn)：聚焦性能性能特點(diǎn)：聚焦性能 好，增益高好，增益高 光電倍增管中的倍增極一般由幾級(jí)到十五級(jí)組成。根光電倍增管中的倍增極一般由幾級(jí)

42、到十五級(jí)組成。根 據(jù)電子的軌跡又可分為聚焦型和非聚焦型兩大類。據(jù)電子的軌跡又可分為聚焦型和非聚焦型兩大類。 (3)(3)倍增極結(jié)構(gòu)倍增極結(jié)構(gòu) 聚焦聚焦不是指使電子束會(huì)聚于一點(diǎn)，而是指電子從前一不是指使電子束會(huì)聚于一點(diǎn)，而是指電子從前一 級(jí)倍增極飛向后一級(jí)倍增極時(shí)，在兩電極間的電子運(yùn)動(dòng)軌級(jí)倍增極飛向后一級(jí)倍增極時(shí)，在兩電極間的電子運(yùn)動(dòng)軌 跡，可能有交叉。跡，可能有交叉。非聚焦非聚焦則是指在兩電極間的電子運(yùn)動(dòng)軌則是指在兩電極間的電子運(yùn)動(dòng)軌 跡是平行的跡是平行的 倍增極結(jié)構(gòu)形式倍增極結(jié)構(gòu)形式: : 鼠籠式鼠籠式 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：瓦片，沿結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：瓦片，沿 軸排列軸排列 性能特點(diǎn)：聚焦性能性能特點(diǎn)：聚焦性能 好，增益高好，增益高 直列式直列式 光電倍增管中的倍增極一般由幾