光電陰極與光電倍增管

關(guān)于光電陰極與光電倍增管第1頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月與普通二極管相比共同點：一個PN結(jié)，單向?qū)щ娦圆煌c：（1）受光面大，PN結(jié)面積更大，PN結(jié)深度較淺（2）表面有防反射的SiO2保護層（3）外加反偏置與光電池相比共同點：均為PN結(jié)，利用光伏效應(yīng)，SiO2保護膜不同點：（1）結(jié)面積比光電池的小，頻率特性好;（2）光生電勢與光電池相同，但電流比光電池小;（3）可在零偏壓下工作，常在反偏置下工作。第2頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月3.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：Ib＝IpIc=Ie=

（1+β）Ib=

（1+β）Ip=（1+β）E·SE第3頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月4.象限探測器5.PIN光電二極管由于I層比PN結(jié)寬的多，光生電流增大;由于耗盡層變寬，結(jié)電容變??；提高響應(yīng)速度；由于I層電阻率很高，故能承受的電壓增大;第4頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月OxA6.PSD位置傳感器7雪崩光電二極管；第5頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第3章

光電陰極與光電倍增管第6頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月本章主要內(nèi)容：3.1陰極與陰極電子學(xué)3.2外光電效應(yīng)3.2光電陰極2.3光電管和光電倍增管第7頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月陰極（Cathode）電子器件中發(fā)射電子的一極（電子源）陰極電子學(xué)研究：

1）電子和離子從固體表面的發(fā)射過程

2）粒子固體表面相互作用的物理過程3.1陰極與陰極電子學(xué)第8頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月

從能帶理論淺談電子發(fā)射

【思考】如何使體內(nèi)電子逸出？第9頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第一種方式第二種方式使體內(nèi)電子逸出的方法：1）增加電子能量2）削弱阻礙電子逸出的力第10頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月陰極發(fā)射電子（第一種方式）1.增加電子能量克服表面勢壘而逸出陰極加熱T足夠高部分電子獲得足夠能量（1）熱電子發(fā)射（熱陰極）金屬半導(dǎo)體E

Φ=E0-EF第11頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月陰極發(fā)射電子（第一種方式）1.增加電子能量克服表面勢壘而逸出陰極加熱T足夠高部分電子獲得足夠能量（1）熱電子發(fā)射（熱陰極）光輻射物體體內(nèi)電子吸收光量子后逸出（2）光電子發(fā)射（光電陰極）第12頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月陰極發(fā)射電子（第一種方式）光輻射物體體內(nèi)電子吸收光量子后逸出（2）光電子發(fā)射（光電陰極）半導(dǎo)體光電子主要發(fā)射分三類：本征發(fā)射：價帶電子導(dǎo)帶電子hν>EC-EV雜質(zhì)發(fā)射：雜質(zhì)能級電子導(dǎo)帶電子hν>ΔEg自由載流子發(fā)射：自由載流子導(dǎo)帶電子忽略不計半導(dǎo)體光電子主要發(fā)射分三步：對光子的吸收電子向表面運動克服表面勢壘而逸出第13頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月陰極發(fā)射電子（第一種方式）1.增加電子能量克服表面勢壘而逸出陰極加熱T足夠高部分電子獲得足夠能量（1）熱電子發(fā)射（熱陰極）光輻射物體體內(nèi)電子吸收光量子后逸出（2）光電子發(fā)射（光電陰極）（3）次級電子發(fā)射（次級電子發(fā)射體）

初始能量電子轟擊物體體內(nèi)電子獲得能量逸出第14頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2.降低阻礙電子逸出的力（4）場致發(fā)射（場發(fā)射陰極）

固體表面施加強電場削弱勢壘體內(nèi)部分電子通過隧道效應(yīng)進入真空量子隧穿示意圖IIIIII陰極發(fā)射電子（第二種方式）第15頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月CRT

（CathodeRayTube）

和FED（

FieldEmissionDisplay）陰極的應(yīng)用舉例陰極射線管（CRT）第16頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月CRT（CathodeRayTube）

和FED（

FieldEmissionDisplay）索尼2010被視為繼液晶、等離子、OLED之后的第四大平板顯示技術(shù)場致發(fā)射顯示器（FED）第17頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月MoSiO2GlassMoSi場發(fā)射陣列制作過程第18頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第19頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬或半導(dǎo)體受光照時，如果入射的光子能量hν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)。

3.2外光電效應(yīng)第20頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)照射到光陰極上的入射光頻率或頻譜成分不變時，飽和光電流（即單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)目）與入射光強度成正比：

Ik：光電流Φe：光強Se：該陰極對入射光線的靈敏度

光電發(fā)射第一定律——斯托列托夫定律第21頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月

光電發(fā)射第二定律——愛因斯坦定律

光電子的最大動能與入射光的頻率成正比，而與入、

射光強度無關(guān)：

Emax：光電子的最大初動能。h：普朗克常數(shù)。ν0：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（從材料表面逸出時所需的

最低能量），單位eV，與材料有關(guān)的常數(shù)，

也稱功函數(shù)。Emax=(1/2)mυ2max=hν-hν0=hν-W第22頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月入射光子的能量至少要等于逸出功時，才能發(fā)生光電發(fā)射。波長閾值：

hν>W

hc/λ>Wλ<hc/W=1.24/A

λ<=1.24/W(μm)當(dāng)入射光波長大于λ時，不論光強如何，以及照射時間多長，都不會有光電子產(chǎn)生。要用紅外光（λ>0.76μm）發(fā)射電子，必須尋求低于（？）的低能閾值材料。1.63eV第23頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月圖光電子最大動能與入射光頻率的關(guān)系νν0Wmax0(1/2)mυ2max=hν-hν0=hν-W為什么會彎曲？第24頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3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？陰極第25頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月常用的光電陰極材料反射系數(shù)大、吸收系數(shù)小、碰撞損失能量大、逸出功大－－適應(yīng)對紫外靈敏的光電探測器。光吸收系數(shù)大得多，散射能量損失小，量子效率比金屬大得多－－光譜響應(yīng)：可見光和近紅外波段。金屬：半導(dǎo)體：常規(guī)光電陰極負(fù)電子親和勢陰極

半導(dǎo)體材料廣泛用作光電陰極第26頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月1.靈敏度光照靈敏度色光靈敏度光譜靈敏度靈敏度色溫2856K的鎢絲燈(1)光照靈敏度

在一定的白光照射下，光電陰極的光電流與入射的白光光通量之比,也稱白光靈敏度或積分靈敏度。

它表示在某些特定的波長區(qū)域，陰極光電流與入射光的光通量之比。(2)色光靈敏度

一般用插入不同的濾光片來獲得不同的光譜范圍，濾光片的透射比不同，它又分別稱為藍光靈敏度、紅光靈敏度及紅外靈敏。實際上是局部波長范圍的積分靈敏度QB:中國青色或蘭色玻璃(德國:BG)HB:中國紅色玻璃第27頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.量子效率

陰極發(fā)射的光電子數(shù)

Ne(λ)與入射的光子數(shù)Np(λ)之比，稱為量子效率:根據(jù)定義:量子效率和光譜靈敏度之間的關(guān)系為:式中,λ單位為nm；

S(λ)為光譜靈敏度，單位為A/W。

波長一定的單色光照射時，光電陰極發(fā)出的光電流與入射的單色光通量之比。(3)光譜靈敏度第28頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月

光電陰極中有一些電子的熱能有可能大于光電陰極逸出功，因而可產(chǎn)生熱電子發(fā)射。室溫下典型光電陰極每秒每平方厘米發(fā)射的熱電子相當(dāng)于l0-16

～10-17A/cm2的電流密度3.光譜響應(yīng)曲線

光電陰極的光譜靈敏度與入射光波長的關(guān)系曲線，稱為光譜響應(yīng)曲線。4.暗電流S(λ)λ/nm為什么會有峰值？第29頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月光電陰極一般分為:透射型與反射型兩種。

不透明陰極通常較厚，光照射到陰極上，光電子從同一面發(fā)射出來，所以不透明光電陰極又稱為反射型陰極(二).光電陰極的分類

透射型陰極通常制作在透明介質(zhì)上，光通過透明介質(zhì)后入射到光電陰極上。光電子則從光電陰極的另一邊發(fā)射出來，所以透射型陰極又稱為半透明光電陰極。光陽極A陰極K光透射型反射型第30頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月(三).常用光電陰極材料透射型光譜響應(yīng):300nm到1200nm，反射型光譜響應(yīng):300m到1100nm。Ag-O-Cs光電陰極主要應(yīng)用于近紅外探測?？梢姽鈪^(qū)域內(nèi)量子效率低于0.43%。如S-1所示。(1)Ag-O-Cs具有良好的可見和近紅外響應(yīng)。350nm,800nm第31頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月(三).常用光電陰極材料(1)Ag-O-Cs具有良好的可見和近紅外響應(yīng)。(2)單堿銻化合物(PEA)量子效率一般高達20%～30%，比銀氧銫光電陰極高30多倍。如S-4。金屬銻與堿金屬鋰、鈉、鉀、銫中的一種構(gòu)成的化合物，都是能形成具有穩(wěn)定光電發(fā)射的發(fā)射材料，CsSb最為常用，在紫外和可見光區(qū)的靈敏度最高。第32頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月(三).常用光電陰極材料(1)Ag-O-Cs具有良好的可見和近紅外響應(yīng)。(2)單堿銻化合物(PEA)(3)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Sb-Na-K、Sb-K-Cs和三堿銻材料Sb-Na-K-Cs等，Sb-Na-K-Cs是最實用的光電陰極材料，具有高靈敏度和寬光譜響應(yīng)，如S-20。其紅外端可延伸到930nm，量子效率高于20%。適用于寬帶光譜測量儀.第33頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月(三).常用光電陰極材料(1)Ag-O-Cs具有良好的可見和近紅外響應(yīng)。(2)單堿銻化合物(PEA)(3)多堿銻化合物(PEA)(4)紫外光電陰極材料某些應(yīng)用，要求光電陰極材料只對所探測的紫外輻射靈敏，對可見光無響應(yīng)。這種材料通常稱為“日盲”型光電陰極材料，也稱紫外光電陰極材料。目前實用的紫外光電陰極碲化銫(CsTe)和碘化銫(Csl)兩種。

長波限為0.32μm長波限為0.2μm第34頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月(三).常用光電陰極材料(1)Ag-O-Cs具有良好的可見和近紅外響應(yīng)。(2)單堿銻化合物(PEA)(3)多堿銻化合物(PEA)(4)紫外光電陰極材料

負(fù)電子親和勢材料制作的光電陰極與正電子親和勢材料光電陰極相比,具有以下四點特點c.熱電子發(fā)射小

a.量子效率高b.光譜響應(yīng)率均勻,且光譜響應(yīng)延伸到紅外

d.光電子的能量集中

(5)負(fù)電子親合能材料(NEA)第35頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月負(fù)電子親和勢材料結(jié)構(gòu)、原理重?fù)诫s的P型硅表面涂極薄的金屬Cs，經(jīng)過處理形成N型的Cs2O。以Si-Cs2O光電陰極為例第36頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月P型Si的電子親和勢:N型Cs2O電子親和勢:EA1=E0-EC1>0EA2=E0-EC2>0第37頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月體內(nèi)：P型表面：N型表面電子，能級Ec1入射光子體內(nèi)電子，能級Ec1表面逸出電子E0-Ec1<0體內(nèi)有效電子親和勢:

EAe=E0-EC1<02.負(fù)電子親和勢陰極第38頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月體內(nèi)：P型表面：N型2.負(fù)電子親和勢陰極負(fù)電子親和勢是指體內(nèi)襯底材料的有效電子親和勢？？？經(jīng)典發(fā)射體的電子親和勢仍是正的？？？EA1=E0-EC1>0EA2=E0-EC2>0EAe=E0-EC1<0第39頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月NEA的最大優(yōu)點：

－－量子效率比常規(guī)發(fā)射體高得多

光電發(fā)射過程分析：熱電子－－受激電子能量超過導(dǎo)帶底的電子冷電子－－能量恰好等于導(dǎo)帶底的電子NEA量子效率比常規(guī)發(fā)射體高得多！2.負(fù)電子親和勢陰極第40頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月NEA的優(yōu)點：量子效率比常規(guī)發(fā)射體高得多

1、量子效率高2、閾值波長延伸到紅外區(qū)3、由于“冷”電子發(fā)射，能量分散小，在成象器件中分辨率極高4、延伸的光譜區(qū)內(nèi)其靈敏度均勻2.負(fù)電子親和勢陰極

當(dāng)負(fù)電子親和勢光電陰極受光照時，被激發(fā)的的電子在導(dǎo)帶內(nèi)很快熱化(約10-12s)并落入導(dǎo)帶底(壽命達10-9s)。熱化電子很容易擴散到能帶彎曲的表面，然后發(fā)射出去，所發(fā)射光電子的能量基本上都等于導(dǎo)帶底的能量。第41頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月知識回顧1.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）第42頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月知識回顧1.陰極，使陰極發(fā)射電子的方式？2.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(1)Ag-O-Cs：可見和近紅外響應(yīng),0.42%(2)單堿銻化合物(PEA)：紫外和可見光區(qū)，20%-30%(3)多堿銻化合物(PEA)：紫外和可見光區(qū)+紅外，20%(4)紫外光電陰極材料：日盲型，碲化銫，碘化銫C(5)負(fù)電子親合能材料(NEA)第43頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月3.作為光電陰極材料，金屬和半導(dǎo)體材料的優(yōu)缺點？反射系數(shù)大、吸收系數(shù)小、碰撞損失能量大、逸出功大－－適應(yīng)對紫外靈敏的光電探測器。光吸收系數(shù)大得多，散射能量損失小，量子效率比金屬大得多－－光譜響應(yīng)：可見光和近紅外波段。金屬：半導(dǎo)體：第44頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月知識回顧4.負(fù)電子親和勢材料，特點？第45頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月知識回顧4.負(fù)電子親和勢材料，特點？1、量子效率高2、閾值波長延伸到紅外區(qū)3、由于“冷”電子發(fā)射，能量分散小，在成象器件中分辨率極高4、延伸的光譜區(qū)內(nèi)其靈敏度均勻

當(dāng)負(fù)電子親和勢光電陰極受光照時，被激發(fā)的的電子在導(dǎo)帶內(nèi)很快熱化(約10-12s)并落入導(dǎo)帶底(壽命達10-9s)。熱化電子很容易擴散到能帶彎曲的表面，然后發(fā)射出去，所發(fā)射光電子的能量基本上都等于導(dǎo)帶底的能量。第46頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月本章主要內(nèi)容：3.1陰極與陰極電子學(xué)3.2外光電效應(yīng)3.3光電陰極3.4光電管和光電倍增管第47頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月光電管主要由玻殼（光窗）、光電陰極和陽極三部分組成

PT內(nèi)可以抽成真空也可以充入低壓惰性氣體，有真空型和充氣型兩種。(一).光電管(PT)

簡述真空型和充氣型兩種光電管的工作原理?工作原理3.4真空光電管與光電倍增管的工作原理第48頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月光陽極A陰極K光透射型反射型0.20.60.40.812520151050564321iP/lmi/uA20151050501001502002500.150.10.050(lm)i(uA)u/V(一).光電管分類：反射型和透射型充氣型真空型第49頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月

光電倍增管是在光電管的基礎(chǔ)上研制出來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靈敏度。

光電倍增管主要由入射窗口、光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、電子倍增系統(tǒng)和陽極五個主要部分組成。(二).光電倍增管(PMT)1．光電倍增管的結(jié)構(gòu)第50頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月

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倍增極與陽極之間都必須施加一定的電壓。

最基本的方法是在陰極和陽極之間加上適當(dāng)?shù)母邏?，陰極接負(fù)，陽極接正，外部并接一系列電阻，使各電極之間獲得一定的分壓:2.PMT的工作原理④經(jīng)過倍增后的二次電子由陽極P收集起來，形成陽極光電流Ip，在負(fù)載RL上產(chǎn)生信號電壓Ｕ0。①光子透過入射窗口入射在光電陰極K上②光電陰極K受光照激發(fā)，表面發(fā)射光電子③光電子被電子光學(xué)系統(tǒng)加速和聚焦后入射到第一倍增極D1上，將發(fā)射出比入射電子數(shù)更多的二次電子。入射電子經(jīng)N級倍增后，光電子數(shù)就放大N次D2D1DnPKUORnRn-1R2R1-HVRL第51頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月端窗式側(cè)窗式(1).入射窗口

側(cè)窗型（side－on）:

從側(cè)面接收入射光。使用不透明光陰極（反射式光陰極），數(shù)百元一只。端窗型（head－on）：從頂部接收入射光。入射窗的內(nèi)表面上沉積了半透明的光陰極（透過式光陰極），數(shù)千元一只。a.窗口形式

第52頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月b.常用的窗口材料

硼硅玻璃:透射范圍從300nm到HW

透紫外玻璃優(yōu)點:紫外短波透射截止波長可延伸到250nm

熔融石英（二氧化硅）優(yōu)點:在遠(yuǎn)紫外區(qū)有相當(dāng)好的透過率，短波截止波長可達到160nm

藍寶石(Al2O3晶體)特點是:紫外透過率處于熔融石英和透紫外玻璃之間，紫外截止波長可以達到150nm。

PMT常用的窗口材料硼硅玻璃透紫外玻璃熔融石英藍寶石無毒、抗酸、抗堿，用于軍事和航空第53頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月

1)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。(2).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空間.包括: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

2)使陰極面上各處發(fā)射的光電子在電子光學(xué)系統(tǒng)中渡越的時間盡可能相等，這樣可以保證光電倍增管的快速響應(yīng)。第54頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)．電子倍增極

倍增系統(tǒng)是由許多倍增極組成，每個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。

當(dāng)具有足夠動能的電子轟擊倍增極材料時，倍增極表面將發(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

(a)二次電子發(fā)射原理

把二次發(fā)射的電子數(shù)N2與入射的一次電子數(shù)Nl的比值定義為該材料的二次發(fā)射系數(shù)

什么是一次和二次電子？增大Ep，δ值反而下降δ隨Ep增大而增大第55頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月3)到達界面的內(nèi)二次電子中能量大于表面勢壘的電子發(fā)射到真空中，成為二次電子。二次電子發(fā)射過程三個階段2)內(nèi)二次電子中初速指向表面的那一部分向表面運動1)

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；第56頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月

光電倍增管中的倍增極一般由幾級到十五級組成。根據(jù)電子的軌跡又可分為聚焦型和非聚焦型兩大類。

(3)倍增極結(jié)構(gòu)

聚焦不是指使電子束會聚于一點，而是指電子從前一級倍增極飛向后一級倍增極時，在兩電極間的電子運動軌跡，可能有交叉。非聚焦則是指在兩電極間的電子運動軌跡是平行的倍增極結(jié)構(gòu)形式:鼠籠式結(jié)構(gòu)特點：瓦片，沿圓周排列性能特點：聚焦性能好，增益高第57頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月

光電倍增管中的倍增極一般由幾級到十五級