第5章++真空光电器件-吴益根.

第五章真空光电器件真空光电器件基于外光电效应的光电探测器，结构特点是有一个真空管，其它元件都放在真空管中。主要包括光电管和光电倍增管两类。由于光电倍增管具有灵敏度高、响应迅速等特点，在探测微弱光信号及快速脉冲弱光信号方面是一个重要的探查器件，因此广泛应用于航天、材料、生物、医学、地质等领域。能够产生光电发射效应的物体称为光电发射体，光电发射体在光电器件中常作为阴极，所以称为光电阴极。•光电发射效应----入射光辐射的光子能量足够大时，它和金属或半导体材料中的电子相互作用的结果使电子从物质表面逸出，在空间电场的作用下就会形成电流。•光电发射体-----能够产生光电发射效应的物体。5.1光电阴极5.1.1光电阴极的主要参数1.灵敏度：主要分为三类（1）光照灵敏度在一定的白光照射下，光电阴极光电流与入射的白光光通量之比，也称为白光灵敏度或积分灵敏度。（2）色光灵敏度也就是局部波长范围的积分灵敏度。表示在某些特定的波长区域，光电阴极光电流与入射光的白光光通量之比。通过加滤光片来实现，比如蓝光灵敏度、红光灵敏度、红外灵敏度等（3）光谱灵敏度确定波长的单色光照射时，光电阴极光电流与入射的光通量之比。2.量子效率)()(PeNNQ光电阴极受特定波长的光照射时，该阴极所发射的光电子数与入射的光子数之比值，称为量子效率，用公式表示：)(N)(NQPe量子效率与光谱灵敏度之间的关系如下式；式中λ单位为nm；S(λ)为光谱灵敏度，单位为A/W。hvqIe)()(qhcS)(1240)(S3.光谱响应曲线光电阴极的光谱灵敏度或量子效率与入射光波长的关系曲线，称为光谱响应曲线。4.热电子发射由于电子热能较大而可能逸出阴极表面，而产生热电子发射。室温下典型阴极每秒每平方米发射的热电子可形成10-16~10-17A/m2的电流密度，这些热发射电子会引起噪声。5.1.2光电阴极的分类：一般分为投射型与反射型两种透射型：通常制作在透明介质上，光通过透明介质射向光电阴极，而光电子从光电阴极的另一面发射出去，所以又称为半透明光电阴极。光电子反射型：由于光电子的逸出深度是有限的，因此所有半透明光电阴极都有一个最佳厚度。不透明阴极通常较厚，光照射到阴极上，电子从同一测射出，所以不透明光电阴极又称为反射型阴极。对阴极的厚度有要求,不能太厚光电子阴极一般较厚5.1.3常用的光电阴极材料1.Ag-O-Cs材料2.单碱锑化物3.多碱锑化物具有良好的可见和近红外响应透射型：300~1200nm，反射型：300~1100nm在可见光区域灵敏度较低，所以主要用于近红外探测紫外和可见光区的灵敏度最高适合于测量较强的入射光CsSb：锑和某一种碱金属的化合物锑和多种碱金属的化合物具有高灵敏度的宽光谱响应，红外端可延伸到930nm，适用于宽带光谱测量仪。4.负电子亲合势光电阴极前面讨论的常规光电阴极都属于正电子亲合势（PEA）类型，表面的真空能级位于导带之上。如果把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合势变为负值，经过这种特殊处理的光电阴极称为负电子亲合势光电阴极（NEA）。负电子亲合势材料制作的光电阴极与前述的正电子亲合势光电阴极相比，具有4个方面的特点。特点：1）量子效率高------因其逸出深度高的多，如图为GaAs,InGaAs,GaAsP等材料的光谱响应曲线。他们在很宽的光谱范围内光谱响应曲线平坦。2）光谱响应率均匀，且光谱响应延伸到红外正电子亲合势光电阴极的阈值波长为)nm(EE1240Ag0负电子亲合势光电阴极的阈值波长为)nm(E1240g03）热电子发射小与光谱响应范围相同的正电子亲合势的光电发射材料相比，负电子亲合势的光电材料的禁带宽度一般比较宽，所以热电子不容易发射。5.紫外光电阴极---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CsTe(长波限0.32μm）CsI（长波限0.2μm)目前比较常用的有：4）光电子的能量集中当负电子亲合势光电阴极受光照时，被激发的电子在导带内很快热化并落入导带底，热化电子很容易扩散到达能带弯曲的表面，然后发射出去，所以其光电子能量基本上等于导带底的能量。5.2光电管与光电倍增管5.2.1光电管阴极K阳极AIФΦRLUoutUb•真空型•充气型：有倍增作用光电管主要由玻管（光窗）、光电阴极和阳极三部分组成。下图为工作电路和结构示意图。因光电管内有抽成真空或充入低压惰性气体，所以又真空型和充气型两种。真空光电管的工作原理是：当入射的光线从光窗照射到光电阴极上时，后者就发射光电子，光电子在电场的作用下被加速，并被阳极收集，形成的光电流的大小主要由阴极灵敏度和光照强度等决定。在充气光电管中，光电阴极产生的光电子在加速向阳极运动中与气体原子碰撞而使后者发生电离，电离产生的新电子数倍于原光电子，因此在电路内形成数倍于真空管的光电流。5.2.2光电倍增管光电倍增管实物图和结构如下图所示，光电倍增管主要由入射窗口、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统和阳极5个组要部分组成光电倍增管----是在光电管的基础上研制出来的一种真空光电器件，由于在结构上增加了电子光学系统和电子倍增极，因此极大地提高了检测灵敏度。电子光学系统阴极KA阳极μAU1U2U5U6U3D2U4D3D1D4D5•每一倍增极之间的电压为50-150V。•每7-10个光子从光电阴极发射出1-3个电子。•电子被加速打在倍增极上，每1个电子可以打出3-6个电子。•一直持续下去直到最后一个倍增极,电子数量达到105-108，•最后这些电子被吸引到阳极形成电流输出。电流的大小正比于光阴极接受的光子数目，即正比于探测器吸收的辐射通量或照度。工作原理1.入射窗口1）窗口形式反射式光电阴极透射式光电阴极-----决定了入射光的透过情况侧窗式端窗式光电倍增管的光窗是入射光的通道，光窗材料对光的吸收与波长有光，波长越短吸收越多。光窗通常有侧窗和端窗两种类型。侧窗式是通过管壳的侧面接收入射光，端窗是通过端面接收入射光。2）常用的窗口材料光电倍增管常用的窗口材料有硼硅玻璃、透紫外玻璃、熔融石英、蓝宝石和MgF2它们的透射率如右图所示，下面简单讨论这些材料的特性。硼硅玻璃：透射范围从300nm~红外。透紫外玻璃：可透过的最短波长为185nm，但化学稳定性较差熔融石英：可透过的最短波长为160nm蓝宝石：可透过的最短波长为150nmMgF2:可透过的最短波长为115nm2.电子光学系统是指：阴极到倍增系统第一倍增极之间的电极空间，包括光电阴极、聚焦极、加速极及第一倍增极。作用：•使光电子尽可能的汇集到第一倍增极上，而将其他部分的杂散热电子散射掉，提高信噪比。•尽量使电子的渡越时间相同，这样可以保证光电倍增管的快速响应。3.电子倍增极1）二次电子发射原理二次电子发射系数当具有足够动能的电子轰击倍增极材料时，倍增极表面将发射新的电子。称入射的电子为一次电子，从倍增极表面发射的电子为二次电子。为了表征材料发射电子的能力，用右边系数表示。二次电子发射过程可以分为3个阶段：12NN倍增系统是由许多倍增极组成的综合体，每个倍增极都是有二次电子材料构成的，具有使一次电子倍增的能力。•材料吸收一次电子的能量，跃迁到高能态，脱离原子的速缚，称为内二次电子•内二次电子中速度指向表面的电子向表面运动•穿过表面势垒区发射到真空中一般为3-6个可达20-25个N1入射光子数N2出射光电数2）倍增极材料大致可以分为以下4类①主要银氧和锑銫两种化合物，它们即可做光电发射材料，也可做二次电子发射材料②氧化物型，氧化镁、氧化钡③合金型，银镁、铝镁、铜镁、铜铍④负电子亲合势材料，如铯激活的磷化镓3）倍增极结构有聚焦型和非聚焦型两大类。聚焦型---鼠笼式、盒栅式、直线聚焦式非聚焦型----百叶窗式、近贴栅网式、微通道板式AK4.阳极Uout阴极KA阳极D2E=700-3000VD3D1D4D5R6R3R2R1R4R5RLФIP阳极的作用是收集从末级倍增极发射出的二次电子。最简单常用的阳极是栅状阳极，他的输出电容小，阳极附近也不易产生空间电荷效应。光电倍增管的工作原理：1.光子透过入射窗口入射在光电阴极K上2.光电阴极受光照激发，表面发射光电子3.光电子被电子光学系统加速和聚集后入射到第一倍增极D1上，倍增极将发射出比入射电子数目更多的二次电子。入射电子经N级倍增极倍增后，光电子数就放大N次4.经过倍增后的二次电子由阳极P收集起来，形成阳极光电流Ip，在负载上产生信号电压Uo1.灵敏度1）光谱响应阴极的光谱灵敏度取决于光电阴极和窗口的材料的性质。阳极的光谱灵敏度等于阴极的光谱灵敏度与光电倍增管放大系数的乘积。2）阴极灵敏度阴极的光照灵敏度定义为光阴极输出电流与入射光通量之比阴极光照灵敏度测试所用的光源为色温2856K的钨丝白炽灯，因此阴极单色灵敏度又称为阴极白光灵敏度。5.3光电倍增管的主要特性参数KKIS3）阳极光照灵敏度阳极光照灵敏度表示光电倍增管在接收分布温度为2856K的光辐射时，阳极输出信号电流与入射到阴极上的光通量之比PPIS2.放大倍数（增益）k12CUNN二次电子发射系数与极间电压的关系C是常数k一般为0.7~0.8设第一，第二、第三、……、第N极的倍增系数分别为：N321,......,,且电子光学系统的电子收集率为：则阳极光电电流和阴极电流的关系为N321KP......II设各倍增系数都为则：kNNUCKPIIMNk)CU(NkNkNNE)1N(CkNN)1NE(CkNAE3.暗电流正常工作状态下,但无信号光照的情况下,阳极的电流输出叫暗电流；分为三类：（1）阴极的热电子发射是主要原因。只能通过降低阴极温度来减弱。（2）支撑电极的绝缘体的漏电。保持清洁（3）高压电场产生离子反馈,进而形成光反馈4.噪声光电倍增管的噪声主要有光电器件本身的散粒噪声和热噪声、负载电阻的热噪声、光电阴极和倍增极发射时的闪烁噪声等。致冷对降低噪声很有效，使用致冷方法是必须注意以下几个问题：①光电阴极的光谱响应曲线会随温度而变化，光电仪器定标时的工作温度必须和测量温度相同②光电阴极（如CsSb)的电阻会随温度下降而很快增加，结果光电流改变了阴极的电位分布，从而影响第一倍增极的光电子收集效率③冷却时要防止光入射窗上凝结水汽，引起入射光线的散射，同样在管座上也易引起高压击穿和漏电流④致冷温度不能过低，否则可能会引起阴极和倍增极材料的损坏，或者是玻壳封结处裂开5.伏安特性2）阳极伏安特性曲线Ф2Ф3Ф51015IA(μA)UP(V)50100相应于不同辐射通量值的阳极伏安特性示于图中，它表示阳极电流IP对于最后一级倍增极和阳极间的电压U的关系。如右下图可知，当阳极电压大于一定值后阳极电流趋向饱和，与入射到阴极面上的光通量成线性关系。1）阴极伏安特性曲线Ф2Ф3Ф51015IK(nA)UK(V)50100它表示阴极电流IK与阴极与第一倍增极之间电压的关系。如由上图所示，当阴极电压大于一定值后，阴极电流开始趋向饱和，与入射光通量成线性关系。7.稳定性光电倍增管具有很宽的动态范围，能够在很大光强度变化范围内保持线性。但如果入射光强过大，输出信号电流就会偏离理想的线性。这主要是由光电倍增管的阳极线性特性引起的；如果工作电压时恒定的，阴极和阳极的线性就仅仅取决于电流值，与入射光的波长无关。ФIP饱合区6.线性8.滞后效应光电倍增管的稳定性是指在恒定光照情况下，阳极电流随时间的变化。光电倍增管的稳定性与工作电流、极间电压、运行时间、环境条件和光照情况等许多因素有关。当入射光或者所加电压以阶跃函数变化时，光电倍增管并不能输出完全相同的阶跃函数信号，这种现象称为“滞后”。滞后效应主要是由于电子偏离设计的轨迹及倍增极的陶瓷支架和玻壳等静电作用引起的。9.时间特性光电倍增管的时间响应主要是由从