光電子技術(shù)LectureNew15

1、三、光電法 光電法利用材料的光電效應(yīng)，直接將光子能量傳遞給電子，使電子 的狀態(tài)發(fā)生變化，從而改變材料的導(dǎo)電特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)光子能量的測(cè) 量。光電法測(cè)量是本課程要重點(diǎn)講授的內(nèi)容，將介紹各種光電探測(cè) 器的結(jié)構(gòu)，光電轉(zhuǎn)換過(guò)程和光電特性。 光電子技術(shù)(15) 光電效應(yīng)分類(lèi)：內(nèi)光電效應(yīng)和外光點(diǎn)效應(yīng)。 外光電效應(yīng)：光子能量被電子吸收后，電子掙脫勢(shì)能場(chǎng)的束縛，飛 離開(kāi)原物質(zhì)的效應(yīng)，即光子激發(fā)出自由電子。 外光電效應(yīng)被愛(ài)因斯坦作為光的量子特征的重要證據(jù)，他也因?yàn)槌?功地解釋外光電效應(yīng)而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 紅限波長(zhǎng)：能夠產(chǎn)生外光電效應(yīng)的最長(zhǎng)波長(zhǎng)。 光電子技術(shù)(15) 4.2 真空光電管 真空光電管是利用外光電效應(yīng)

2、制造的一種光電探測(cè)器件。它由三部 分組成：光電陰極、陽(yáng)極和真空罩。 一、光電陰極材料 光電陰極材料指能夠產(chǎn)生光電子發(fā)射的材料。光電陰極是實(shí)現(xiàn)光 電轉(zhuǎn)換的場(chǎng)所。光子被光電陰極吸收后，激發(fā)光電陰極中的電子， 使其逃出光陰極表面。 內(nèi)光電效應(yīng)：物質(zhì)中的電子吸收光子能量后，躍遷到較高能量態(tài)， 但并不能掙脫物質(zhì)勢(shì)能場(chǎng)的束縛，只是改變物質(zhì)的導(dǎo)電特性。 所有的固體電子器件都是基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電子器件。 所有的真空電子器件都是基于外光電效應(yīng)的光電子器件。 光電子技術(shù)(15) 優(yōu)良的光陰極材料應(yīng)具備的條件： （1）光吸收系數(shù)大。（2）光電子的逸出深度大。 （3）電子親和勢(shì)小，使表面逸出幾率大。 常見(jiàn)光電陰極：

3、 （1）紫外光電陰極，大多數(shù)金屬。 （2）可見(jiàn)光譜光電陰極： 銻銫光陰極：靈敏度高，量子效率達(dá) 20-30%，制作工藝簡(jiǎn)單，應(yīng)用較多。 銻鉀鈉銫多堿光陰極：靈敏度很高，熱發(fā)射電流很小，可見(jiàn)光譜 范圍光譜響應(yīng)均勻。 III-V族半導(dǎo)體化合物負(fù)電子親和勢(shì)光陰極：不僅靈敏度高，而且長(zhǎng) 波閾值延伸到了紅外，很好地滿(mǎn)足了夜視技術(shù)的發(fā)展需要。 光電子技術(shù)(15) 光電陰極的分類(lèi)： 把負(fù)電子親和勢(shì)發(fā)現(xiàn)以前的所有光電陰極按 出現(xiàn)的先后順序和窗口材料以“S-數(shù)字”的形式 編號(hào)，如S-1表示鍍?cè)诓Ａ系你y氧銫光陰極， S-25表示鍍?cè)诓Ａ系匿R鉀鈉銫光陰極材料。 二、真空光電管的構(gòu)造原理與分類(lèi) 構(gòu)造：真空玻璃罩內(nèi)

4、放置光電陰極和陽(yáng)極，陽(yáng)極加正電壓，收集 陰極發(fā)射的電子。 真空光電管的分類(lèi)： 按受光位置分為側(cè)面受光型（側(cè)窗型）和 頂部受光型（頂端窗式）。 按光陰極結(jié)構(gòu)分為透過(guò)型和反射型光電管。 按陰陽(yáng)極的相對(duì)設(shè)置分為中心陰極型和中心陽(yáng)極型。 光電子技術(shù)(15) 三、工作特性 1、靈敏度 靈敏度一般用量子效率或陰極光照靈敏度表示 量子效率：光陰極發(fā)射的光電子數(shù)與入射到陰極上的光子數(shù)之比 %100 N n n為光電子數(shù)，N為光子數(shù)。 陰極光照靈敏度：?jiǎn)挝还馔?lm)入射到光陰極所產(chǎn)生的光電流， 單位為A/lm 2、光譜響應(yīng)特性R() v IR/ 指光電管的單色光照靈敏度隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系。它與陰極類(lèi)型、 光電

5、子技術(shù)(15) 厚度、襯底材料和窗口材料有關(guān)。 3、光電線(xiàn)性性 指保持光譜和陽(yáng)極電壓不變時(shí)，光電流隨光通量的變化關(guān)系。如是 線(xiàn)性的，則稱(chēng)線(xiàn)性的，反之稱(chēng)為非線(xiàn)性的。 影響線(xiàn)性性的主要因素： 陰極發(fā)射過(guò)程產(chǎn)生光電疲勞，底層補(bǔ)充電子有困難； 陽(yáng)極不飽和接收。即不能接收來(lái)自陰極的所有電子。 四、常用真空光電管 1、銻銫型光電管 多采用反射式結(jié)構(gòu)，基底為鈉鈣玻璃，光照靈敏度在50uA/lm以上。 響應(yīng)光譜在紫、藍(lán)、綠波段。 光電子技術(shù)(15) 2、銀氧銫光電管 對(duì)近紅外波段較靈敏。但熱噪聲發(fā)射大，比銻銫型的大三個(gè)數(shù)量級(jí)。 3、銻鉀鈉銫光電管 多堿陰極的靈敏度高（150uA/lm），光譜范圍寬，響應(yīng)曲線(xiàn)平

6、 坦，峰值波長(zhǎng)在400-600納米 4、碲銫型光電管 該光電管為日盲型，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)在2000-3000埃紫外波段。 4.3 光電倍增管 上節(jié)所述的普通光電管的增益小于1，靈敏度低，不能滿(mǎn)足弱光的 測(cè)量。而光電倍增管具有遠(yuǎn)大于一的增益，常用于弱光探測(cè)。 光電子技術(shù)(15) 一、二次電子發(fā)射與二次電子發(fā)射體 二次電子發(fā)射系數(shù)： p r p r i i n n 二次電子發(fā)射體：具有二次電子發(fā)射能力的物體。常用做倍增電極。 nr和np分別為二次電子發(fā)射體的發(fā)射和入射電子數(shù)。 對(duì)二次發(fā)射體的要求：（1）低電壓下，要大； （2）熱發(fā)射電流?。粶p小熱發(fā)射噪聲。 （3）發(fā)射要穩(wěn)定，在較高環(huán)境溫度下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定

7、工作。 （4）制備容易，價(jià)格低廉。 常用倍增體材料（二次發(fā)射材料） 光電子技術(shù)(15) （1）含堿倍增電極材料，主要有銀氧銫和銻銫 （2）氧化物型，如MgO （3）專(zhuān)用合金型，銀鎂、鈷鎂等 （4）負(fù)電子親和勢(shì)二次電子發(fā)射體。 二、光電倍增管的結(jié)構(gòu)和工作原理 光電倍增管的結(jié)構(gòu)如圖79。由光電陰極、輸入系統(tǒng)，倍增系統(tǒng)和輸 出系統(tǒng)組成。 設(shè)每級(jí)的二次電子發(fā)射系數(shù)相同，則輸出電流為： n A ii 0 光電倍增管的電流放大系數(shù)為： n A i i 0 1、光電陰極 光電子技術(shù)(15) 實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，將光子轉(zhuǎn)換為電子。 2、輸入系統(tǒng) 由陰極與第一倍增極及設(shè)置在這兩極間的輔助電極組成，它的作 用是盡量全部

8、收集光陰極產(chǎn)生的電子，并輸入到后面的倍增系統(tǒng)。 3、電子倍增系統(tǒng) 倍增系統(tǒng)是光電倍增管的放大系統(tǒng)，由多級(jí)組成。倍增系統(tǒng)可分為聚 焦型和飛聚焦型。 （1）非聚焦型：盒柵式和百葉窗式，如圖79a所示。 （2）聚焦型：圓籠式，端窗圓籠式和直列式結(jié)構(gòu)，如圖79b所示。 4、輸出系統(tǒng) 光電子技術(shù)(15) 由最后一級(jí)倍增級(jí)與陽(yáng)級(jí)組成，收集倍增系統(tǒng)輸出的電子。 三、光電倍增管的特性參數(shù) 1、靈敏度 陰極靈敏度：用光照靈敏度表示，即單位光通量產(chǎn)生的光電流。 陽(yáng)極靈敏度：指光電倍增管在一定工作電壓下，陽(yáng)極輸出電流與 入射到陰極面上的光通量之比。它與工作電壓有關(guān)。 2、放大倍數(shù) 在一定工作電壓下，光電倍增管的陽(yáng)極

9、信號(hào)電流和陰極信號(hào)電流的 比值，稱(chēng)為倍增管的放大倍數(shù)或電流增益。 k A i i G G與倍增系統(tǒng)的級(jí)數(shù)和二次發(fā)射系數(shù)有關(guān)。 光電子技術(shù)(15) 3、暗電流 指無(wú)光照，加上工作電壓時(shí)，陽(yáng)極輸出電流的直流成份，它決定 了光電倍增管可探測(cè)的最小光通量。暗電流主要由光陰極和倍增 極的熱電子發(fā)射引起，所以降低溫度可以減小暗電流。 4、等效噪聲能當(dāng)量 暗電流中的交流和脈沖分量構(gòu)成了管子的本底噪聲，此本底噪聲決 定了管子在閃爍計(jì)數(shù)中能夠測(cè)量的最小輻射能量。 等效噪聲能當(dāng)量描述光電倍增管本底噪聲的大小，定義為： )(KeVE V V E r s n m 式中Vn-噪聲脈沖電壓，Vs-射線(xiàn)照射下光電倍增管的輸出脈沖信號(hào)電 壓，Er-Gs137的射線(xiàn)的能量，為661KeV。 復(fù)習(xí)要點(diǎn) 1、內(nèi)、外光電效應(yīng)？紅限波長(zhǎng)？ 2、真空光電管的結(jié)構(gòu)，光電陰極材料的要求？常見(jiàn)光