光電子技術第3章.ppt

1、第三章 光電子發(fā)射探測器,1.光電子發(fā)射探測器：基于光電效應的光電探測器， 也叫真空探測器。 光光敏材料 發(fā)射電子電流 2.分類 光電管：正逐漸被價格低廉，性能穩(wěn)定的半導體 光電探測器取代。 高內增益：107（二次發(fā)射增益因子）可敏 感單個光電子，適合微光探測。 光電倍增管 響應速度快：適合快速脈沖弱光信號探測。,第三章 光電子發(fā)射探測器,3.1 光電子發(fā)射效應 概述：光電子發(fā)射效應（外光電效應），逸出物質表面 的電子叫做光電子。 物理基礎：愛因斯坦方程： ：物體的逸出功或功函數 ：物體逸出表面時的速度 一.金屬的光電子發(fā)射 圖-1說明金屬能級分布規(guī)律： EF :費米能級 EA :表面勢壘的高

2、度， 也稱金屬對電子的親和勢。,情況1：T=0K時，能量最大電子處于費米能級上 (3-1) 電子逸出表面的運動能: 當各種散射損耗=0時， 最大， 金屬逸出功： 代入公式3-1 得: 此為：T=0K時，愛因斯坦方程。,第三章 光電子發(fā)射探測器,情況2：T0K時: 由圖3-1可知，存在高于費米能級的電子 因此 電子存在， 存在 的一個拖尾。 愛因斯坦方程不再成立！ 思考：為什么T0時愛因斯坦方程不成立？ 特例：常溫時， 的電子很少，拖尾現(xiàn)象很小，近似 認為愛因斯坦定律在室溫下是成立的。 二、半導體的光電子發(fā)射 為什么金屬發(fā)射電子少而半導體易于發(fā)射？,第三章 光電子發(fā)射探測器,表面逸出功高。 金屬

3、： 表面反射強，對光輻射的吸收率低。 內部存在大量電子，相互碰撞損失能量。 對入射光反射系數小，吸收系數大，在長波限就 有電子發(fā)射。 ：趨向表面運動的過程中 陰極層導電性適中： 損失能量比金屬小； 半導體 ：傳導電子的補充不發(fā)生 困難。 半導體中存在著大量的發(fā)射中心（價帶中有大的 電子密度）。 小的光電逸出功，較高的量子效率。,第三章 光電子發(fā)射探測器,半導體中光電子發(fā)射過程：（三步） 對光電子的吸收： ：逸出 ：在半導體中，對光電導有貢獻。 本征發(fā)射：本征吸收系數高， 量子效率高2030%。 光電子： 雜質發(fā)射：濃度1%，量子效率低，約為1%， 吸收系數低。 自由載流子發(fā)射：微不足道。,第三

4、章 光電子發(fā)射探測器,光電子向表面的運動 電子散射可以忽略。 晶格散射和光電子與價帶中電子碰撞。 半導體的本征吸收系數大：，光電子效率越高， 630mm深度。 避免二次電子空穴對：產生條件：能量是半導體帶隙 能量的23倍。 選Eg高的半導體，可避免二次發(fā)射。 克服表面勢能的逸出能量大于表面勢壘否？ 本征半導體： 逸出功：,第三章 光電子發(fā)射探測器,雜質半導體： 兩部分能量：電子從發(fā)射中心激發(fā)到導帶所需的最低能量。 從導帶底逸出所需的最低能量（電子親和勢）。,第三章 光電子發(fā)射探測器,3.2光電子發(fā)射材料 純金屬材料 有三大類表面吸附一層其他元素的金屬和半導體材料。 光電陰極:（光電管，光電倍增

5、管，變像管，像 增強管和一些攝像管等）。 一、光電陰極的主要參數 1.靈敏度 光照靈敏度：（白光靈敏度，積分靈敏度） 光電陰極在一定的白光（色溫為2856K的鎢絲燈）照射 下，陰極光電流與入射的光通量之比。單位為A/lm。,第三章 光電子發(fā)射探測器,色光靈敏度：局部光譜區(qū)域的積分靈敏度 在某些特定的波長下，通常用特性已知的濾光片插入光路， 然后測得的光電流與未插入濾光片時陰極所受光照的光通量 之比。 和光照靈敏度的比值。 藍光靈敏度：QB24 藍白比 紅光靈敏度：HB11 紅白比 紅外靈敏度：HWB3 紅外白比 圖3-5為濾光片的光譜透射比,第三章 光電子發(fā)射探測器,光譜靈敏度：表示一定波長的

6、單色輻射照到光電陰極上， 陰極光電流與入射的單色輻射通量之比。單位：mA/W,A/W。 量子效率：量子產額： 一定波長的光子入射到光電陰極時，該陰極所發(fā)射的光電子數與入射的光子數之比值。 和光譜靈敏度間的關系,第三章 光電子發(fā)射探測器,光譜響應曲線： 光電陰極的光譜靈敏度或量子效率與入射輻射波長的關系 曲線。 注意：真空光電器件中的光波靈敏度極限主要由光電陰極材料 的長波限 決定。實際上由陰極材料本身的能級和電子親和勢 決定。 熱電子發(fā)射： 定義：光電陰極中有少數電子的熱能大于光電陰極逸出功， 因此產生熱電子發(fā)射。 室溫下的典型值：10-1610-17Acm-2電流密度。 作用：引起熱噪聲，限

7、制探測器的靈敏度極限。,第三章 光電子發(fā)射探測器,二、常用光電發(fā)射材料 良好光電發(fā)射材料應具備的條件： 光吸收系數大； 光電子在體內傳輸過程中的能量損失小； 表面勢壘低，使表面逸出幾率大。 常見材料的發(fā)射特性： 金屬：反射大吸收小碰撞能量損失大逸出功大 紫外光能量大，只能做紫外探測器 半導體：反射小吸收大碰撞小能量損失少逸出功小 可用到近紅外區(qū),第三章 光電子發(fā)射探測器,(一)銀化銫陰極 結構： 見圖a。 光譜特性：見圖b 長波限：1.2m 兩個峰值350nm;800nm。 是最早出現(xiàn)的近紅外靈敏器， 具有重要的軍事應用價值。 缺點： a.靈敏度低：光照靈敏度：30A/lm 輻射靈敏度3mA/

8、lm； 量子效率在峰值波長處：1%,第三章 光電子發(fā)射探測器,b.熱噪聲大： 熱電子發(fā)射密度：10-1110-14A/cm2（室溫） 其值超過任何其它光電陰極。 c.長期受光照會產生嚴重的疲勞現(xiàn)象，疲勞后光譜響應會發(fā)生變化。 (二)單堿銻化物光電陰極 組成：堿金屬與銻，鉛，鉍，鉈等生成的金屬化合物具 有極其寶貴的光電發(fā)射性能。 CiSb、NaSb、KSb、RbSb、CsSb等。 常用的銻銫CsSb陰極性能： 量子效率高：藍光區(qū)、峰值處：30% （比Ag-O-Cs高30倍）,第三章 光電子發(fā)射探測器,可見光區(qū)（積分響應度）：70150A/lm 長波限： 0.7m左右，對紅外和紅光不靈敏 見圖3-

9、7。 熱噪聲： 熱電子發(fā)射密度10-16A/cm2 優(yōu)于Ag-O-Cs 疲勞特性： 制作工藝簡單， 廣泛用于紫外和可見光。,第三章 光電子發(fā)射探測器,(三)多堿銻化物光電陰極 當銻和幾種堿金屬形成化合物時，具有較高的響應度，其中有雙 堿、三堿、四堿，統(tǒng)稱為多堿光電陰極。 銻鉀鈉 銻鉀鈉銫 峰值波長： 0.4 紫外近紅外 850 930nm長波限 量子效率： 25% 較高 光照靈敏度： 50A/lm 150A/lm400 A/lm 熱發(fā)射電流密度：10-1710-18A/cm210-1410-16A/cm2 光電疲勞效應：小微小 特點：耐高溫(175OC) 工作穩(wěn)定性好,第三章 光電子發(fā)射探測器

10、,(四)紫外光電陰極 1.紫外光輻射能量高量子效率高。 2.日盲型光電陰極：要有合適的窗口材料。 3.碲化銫CsTe 0.32m 碘化銫CsI 0.2 m 100280nm 長波限 三、負電子親和勢材料 定義： 負電子親和勢(NEA):半導體表面做特別處理，使表面區(qū)域能 帶彎曲，真空能級降到導帶之下，使有效的電子親和勢為負 值。 正電子親和勢(PEA):表面的真空能級位于導帶之上。,第三章 光電子發(fā)射探測器,特點 前所未有的高靈敏度； 長波極限到紅外。 工作原理 以Si-Cs2O光電陰極材料為例: 基底型Si材料表面涂Cs Cs2O 表面形成耗盡層 耗盡層電位下降Ed能級彎曲. 對于型i半導體

11、，發(fā)射閾值: 形成P-N結合能級彎曲后，P型Si的光電子需克服的有效親和 勢為： (基準 ) 親和勢為負值，說明只要光電子突破禁帶，就能發(fā)射光電子. 詳見圖3-8:,第三章 光電子發(fā)射探測器,3.特點 量子效率高： 負電子親和勢光電陰極的逸出深度:數微米. 普遍多堿陰極的逸出深度:幾十納米. 光譜響應延伸到紅外，光譜響應率均勻 什么叫長波限？ 光子的最小能量必須大于光電發(fā)射閾值或 功函數，否則電子就不會逸出物質表面， 這個最小能量對應的波長稱為閾值波長 (長波限). (禁帶能級）（禁帶+親和勢）,第三章 光電子發(fā)射探測器,對于正電子親和勢光電陰極：閾值波長： 對于負電子親和勢光電陰極：閾值波長

12、： GaAs光電陰極 ：為1.4eV ：約為890nm。 熱電子發(fā)射小： 負電子親和勢材料本身的禁帶寬度一般比較寬，如果沒有強 電場作用，熱電子發(fā)射小 。10-16A/cm2,第三章 光電子發(fā)射探測器,光電子能量集中 光光電陰極光電子入導帶熱化到導帶底發(fā)射 由于發(fā)射的光電子的能量基本上是導帶底的能量 能量集中。 對提高光電成像器件的空間分辨率和時間分辨率很有意義。,第三章 光電子發(fā)射探測器,3-3光電倍增管 定義：是一種建立在光電子發(fā)射效應，二次電子發(fā) 射和電子光學理論基礎上的，把微弱入射光轉換成 光電子并獲得倍增的重要的真空光電發(fā)射器件。 一、光電倍增管的工作原理 如圖3-10所示 1.K：

13、光電陰極 D：聚焦極 光電聚焦系統(tǒng)：電子會聚 成束，并通過膜孔打到第 一倍增極D1上。,第三章 光電子發(fā)射探測器,2.D1D10:倍增極（打拿極） 所加電壓逐級增加（每極約為80150V） 形成二次電子發(fā)射。 3. a:收集電子的陰極。 二、光電倍增管結構 對結構的要求： 1.使光電陰極發(fā)射的光電子盡可能全部會聚到D1 提高信噪比。 2.使陰極面上各處發(fā)射的光電子在電子光學系統(tǒng)中有盡可能相等的渡越時間增加快速響應性。 電子光學系統(tǒng)結構：見圖3-11： (a),(b),(c)。,第三章 光電子發(fā)射探測器,第三章 光電子發(fā)射探測器,光電倍增極： 非聚焦型：百葉窗式、 盒一網式。 聚焦型： 直列聚焦

14、式、圓形鼠籠聚焦式。 略，自學！ 三、光電倍增管的基本特性參數 1.靈敏度和光譜響應度 陰極靈敏度： 陽極靈敏度： 討論： 值由光電陰極材料決定。 光電倍增管光譜響應度與光電陰極光譜響應度曲線相同。,第三章 光電子發(fā)射探測器,光電陰極的光譜響應度： 量子效率： 光電陰極的電流光譜響應度： :光電倍增管的放大倍數 4.積分光譜響應度: 陽極積分電流響應度為：,第三章 光電子發(fā)射探測器,2.放電倍數（電流增益） 定義：在一定的電壓下，光電倍增管的陽極電流和陰極電流 之比，也即一定電壓下陽極響應度和陰極響應度的比值。 當電極間電壓為80150V，倍增極的倍增系數時， G近似為： 其中：f：第一倍增極

15、對陰極發(fā)射電子的收集率。 g: 倍增極間的傳遞效率：聚焦結構g1，非聚焦結構g1。 n：倍增極的個數。 若陰極和倍增極發(fā)射的電子全部被收集 則當n=914時，為：105108,第三章 光電子發(fā)射探測器,3.暗電流 無光照射時，光電倍增管的輸出電流為暗電流。對測量緩慢 變化的信號不利，一般為：10-810-9A 相當于入射光通量 10-1010-13lm 影響因素： 光電陰極和第一倍增極的熱電子發(fā)射； 極間漏電流：由于極間絕緣不夠或灰塵放電； 離子和光的反饋作用：真空不足，殘余氣體碰撞電離； 場致發(fā)射：電極的尖角在高壓下放電； 放射性同位素和宇宙射線的影響。,第三章 光電子發(fā)射探測器,減小暗電流

16、的方法： 選擇合適的極間電壓； 在陽極回路中加上與暗電流相反的直流成分來補償； 在倍增輸出電路中加以選頻或鎖相放大濾掉暗電流； 利用冷卻法減小熱電子發(fā)射。 4.伏安特性： 陰極伏安特性：入射光照E一定時，IK陰極發(fā)射電流與陰極 和第一倍增極之間的電壓的關系，如圖3-14。 陽極伏安特性：E一定時， Ia與最后一級倍增極之間的電壓 Va的關系，如圖3-15。,第三章 光電子發(fā)射探測器,感興趣的是陽極伏安特性， 可以看作恒流源。 5.輸出信號和等效電路 圖解法:圖3-16,第三章 光電子發(fā)射探測器,等效電路 當 時， 為線性應用。 對直流通路： 對交流通路：,第三章 光電子發(fā)射探測器,6.線性 引

17、起非線性的原因： 空間電荷 內因：光電倍增管內部結構：光電陰極電阻率 聚焦和收集效率變化 信號電流負載電阻 外因：外部高壓供電和信號輸出電路： 負反饋 電壓再分配 解決方法 極間電壓保持足夠高；,第三章 光電子發(fā)射探測器,陰極電阻：（一部分被照射，一部分沒有被照射）； 負載電阻：光電流負載電阻壓降陽極電壓 用運放作電流電壓轉換，減小有效負載電阻； 陽極或倍增輸出電流引起電阻鏈中電壓再分配： I電阻壓降 陽極電壓 0 解決辦法： 電阻鏈中的電流至少應大于1000倍的最大陽極電流。 7. 穩(wěn)定性 陽極電流隨工作時間的變化，在閃爍計數和光度測量中 十分重要。 長期工作中靈敏度的慢漂移,第三章 光電子

18、發(fā)射探測器,原因：最后n級倍增極在大量電子轟擊下受損，引起二次發(fā)射系數變化。 滯后效應：在光電倍增管加上高壓或開始光照的短時間內，陽極輸出的不穩(wěn)定。 解決方法： 抗滯后設計； 老化（不可逆）：光電倍增管的殘余氣體與光電陰極作用，玻璃中的Na離子摻入光電陰極使靈敏度下降； 新的光電倍增管自然老化一段時間后再使用，使用的陽極電流小一些，可以減緩老化過程。,第三章 光電子發(fā)射探測器,疲勞：可逆過程 陽極電流 倍增極材料 使用前存放條件 靈敏度降低后，在黑暗中放置幾個小時再使用可恢復原狀態(tài). 8.時間特性和 頻率特點 上升時間：10%90% 所用的時間。 渡越時間：光脈沖到達光電陰極和陽極輸出最大脈沖

19、電流達到最大值的時間間隔定義為光電子的渡越時間。 渡越時間離散： 函數光脈沖照到光電陰極的不同區(qū)域，發(fā)射的電子到達陽極的渡越時間的不一致性。,第三章 光電子發(fā)射探測器,9.磁場特性： 磁場改變光電子的正常運動軌跡，引起光電倍增管靈敏度下 降，噪聲增加。 降低方法： 光電倍增管加屏蔽筒，筒長至少是光電倍增管的2倍。 10.空間均勻性： 由光電陰極表面的均勻性和倍增的結構決定。 方法： 使光電倍增管前加漫射器； 入射光斑均勻； 偏振光入射，經過漫反射器可以大大降低偏振度，減小偏振誤差。,第三章 光電子發(fā)射探測器,11.偏振效應： 線偏振光以 角入射到光 電陰極上面，當改變偏振面 時，陽極電流會發(fā)生

20、變化。 解決方法： 安裝漫射器以減小這類誤差。 12.噪聲： 散粒噪聲：陰極電流產生的散粒噪聲 各級倍增極的散粒噪聲 設光電陰極電流：IK,散粒噪聲的均方值：,第三章 光電子發(fā)射探測器,設第一倍增極的倍增系數: 設第二倍增極的倍增系數: 第n極倍增管散粒噪聲電流均方值： 如設： ， 則：,第三章 光電子發(fā)射探測器,第三章 光電子發(fā)射探測器,當 時： （由光電倍增管性質決定） 討論： 陽極散粒噪聲均方值和 相等： K-過剩噪聲因子：由于倍增過程的起伏效應使陽極散粒噪聲增大K倍 。 如果第一級 ，其它均為 ，則：,證明： 為了減小 信號電流均方值 13.通量閥 定義：在光電倍增管輸出端產生的并與固有噪聲電平等效的最小光通量（注意：和一般光電探測器的NEP相應）。,第三章 光電子發(fā)射探測器,光電倍增管的信噪比： 當 時，得到不同的噪聲限： 散粒噪聲限： 背景噪聲限： 暗電流噪聲限：,第三章 光電子發(fā)射探測器,五：光電倍增管的供電和信號輸出電路 高壓供電電路 圖3-30 光電倍增管分壓電路 負電壓高壓供電 可以清除外部信號輸出電路與 陽極之間的電位差，所以其輸出 光電流可以直接與電流計或者電 流電壓轉換的運算放大器相連。 管子玻殼的金屬支架或磁屏蔽 筒接地，其與陽極間的高電壓差 可引起噪聲。,第三章 光電子發(fā)射探測器,線性供電方式 圖3-30(a)電阻分壓式 設