第五章光电子发射探测器

1.光电子发射探测器：基于光电效应的光电探测器，也叫真空探测器。光→光敏材料发射电子→电流2.分类光电管：正逐渐被价格低廉，性能稳定的半导体光电探测器取代。高内增益：107（二次发射增益因子）可敏感单个光电子，适合微光探测。光电倍增管响应速度快：适合快速脉冲弱光信号探测。吸光能§3.1光电子发射效应概述：光电子发射效应（外光电效应），逸出物质表面的电子叫做光电子。物理基础：爱因斯坦方程：：物体的逸出功或功函数：物体逸出表面时的速度一.金属的光电子发射图３-1说明金属能级分布规律：EF:费米能级EA:表面势垒的高度，也称金属对电子的亲和势。2012hvmvWW0v情况1：T=0K时，能量最大电子处于费米能级上(3-1)电子逸出表面的运动能:①当各种散射损耗=0时，最大，②金属逸出功：代入公式3-1得:此为：T=0K时，爱因斯坦方程。0AFEEWhv2max01()2mvhvWhvv212FAmvEhvEEmaxvv情况2：T0K时:由图3-1可知，存在高于费米能级的电子因此电子存在，∴存在的一个拖尾。爱因斯坦方程不再成立！！思考：为什么T＞0Ｋ时爱因斯坦方程不成立？特例：常温时，的电子很少，拖尾现象很小，近似认为爱因斯坦定律在室温下是成立的。二、半导体的光电子发射为什么金属发射电子少而半导体易于发射？maxvv0vvmaxvv①表面逸出功高。金属：②表面反射强，对光辐射的吸收率低。③内部存在大量电子，相互碰撞损失能量。①对入射光反射系数小，吸收系数大，在长波限就有电子发射。ａ：趋向表面运动的过程中②阴极层导电性适中：损失能量比金属小；半导体ｂ：传导电子的补充不发生困难。③半导体中存在着大量的发射中心（价带中有大的电子密度）。④小的光电逸出功，较高的量子效率。半导体中光电子发射过程：（三步）⑴对光电子的吸收：：逸出：在半导体中，对光电导有贡献。本征发射：本征吸收系数高，量子效率高20～30%。光电子：杂质发射：浓度1%，量子效率低，约为1%，吸收系数低。自由载流子发射：微不足道。nEEnEE⑵光电子向表面的运动电子散射可以忽略。晶格散射和光电子与价带中电子碰撞。半导体的本征吸收系数大：↑↑，光电子效率越高，6～30mm深度。避免二次电子－空穴对：产生条件：能量是半导体带隙能量的2～3倍。∴选Eg高的半导体，可避免二次发射。⑶克服表面势能的逸出能量大于表面势垒否？本征半导体：逸出功：0hv0gAWhvEE杂质半导体：两部分能量：电子从发射中心激发到导带所需的最低能量。从导带底逸出所需的最低能量（电子亲和势）。AWE§3.2光电子发射材料纯金属材料有三大类表面吸附一层其他元素的金属和半导体材料。光电阴极:（光电管，光电倍增管，变像管，像增强管和一些摄像管等）。一、光电阴极的主要参数1.灵敏度⑴光照灵敏度：（白光灵敏度，积分灵敏度）光电阴极在一定的白光（色温为2856K的钨丝灯）照射下，阴极光电流与入射的光通量之比。单位为μA/lm。⑵色光灵敏度：局部光谱区域的积分灵敏度在某些特定的波长下，通常用特性已知的滤光片插入光路，然后测得的光电流与未插入滤光片时阴极所受光照的光通量之比。和光照灵敏度的比值。蓝光灵敏度：QB24蓝白比红光灵敏度：HB11红白比红外灵敏度：HWB3红外白比图3-5为滤光片的光谱透射比⑶光谱灵敏度：表示一定波长的单色辐射照到光电阴极上，阴极光电流与入射的单色辐射通量之比。单位：mA/W,A/W。２．量子效率：量子产额：⑴一定波长的光子入射到光电阴极时，该阴极所发射的光电子数与入射的光子数之比值。⑵和光谱灵敏度间的关系()/()()1240()()/eIqShcSQQhvq()()()epNQN(:;():/)nmSAW()Q()eN()pN()Q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辐射波长的关系曲线。注意：真空光电器件中的光波灵敏度极限主要由光电阴极材料的长波限决定。实际上由阴极材料本身的能级和电子亲和势决定。４．热电子发射：⑴定义：光电阴极中有少数电子的热能大于光电阴极逸出功，因此产生热电子发射。室温下的典型值：10-16～10-17Acm-2电流密度。⑵作用：引起热噪声，限制探测器的灵敏度极限。0二、常用光电发射材料１．良好光电发射材料应具备的条件：⑴光吸收系数大；⑵光电子在体内传输过程中的能量损失小；⑶表面势垒低，使表面逸出几率大。２．常见材料的发射特性：金属：反射大→吸收小→碰撞能量损失大→逸出功大∵紫外光能量大，∴只能做紫外探测器半导体：反射小→吸收大→碰撞小能量损失少→逸出功小∴可用到近红外区(一)银化铯阴极１．结构：见图a。２．光谱特性：见图b长波限：1.2μm两个峰值350nm;800nm。是最早出现的近红外灵敏器，具有重要的军事应用价值。３．缺点：a.灵敏度低：光照灵敏度：30μA/lm辐射灵敏度3mA/lm；量子效率在峰值波长处：1%22AgAgOCsOCs原子(Ag-O-Cs)b.热噪声大：热电子发射密度：10-11～10-14A/cm2（室温）其值超过任何其它光电阴极。c.长期受光照会产生严重的疲劳现象，疲劳后光谱响应会发生变化。(二)单碱锑化物光电阴极１．组成：碱金属与锑，铅，铋，铊等生成的金属化合物具有极其宝贵的光电发射性能。CiSb、NaSb、KSb、RbSb、CsSb等。２．常用的锑铯CsSb阴极性能：⑴量子效率高：蓝光区、峰值处：30%（比Ag-O-Cs高30倍）可见光区（积分响应度）：70～150μA/lm⑵长波限：0.7μm左右，对红外和红光不灵敏见图3-7。⑶热噪声：热电子发射密度10-16A/cm2优于Ag-O-Cs⑷疲劳特性：⑸制作工艺简单，广泛用于紫外和可见光。(三)多碱锑化物光电阴极当锑和几种碱金属形成化合物时，具有较高的响应度，其中有双碱、三碱、四碱，统称为多碱光电阴极。锑钾钠锑钾钠铯峰值波长：0.4紫外→近红外850→930nm长波限量子效率：25%较高光照灵敏度：50μA/lm150μA/lm→400μA/lm热发射电流密度：10-17～10-18A/cm210-14～10-16A/cm2光电疲劳效应：小微小特点：耐高温(175OC)工作稳定性好(四)紫外光电阴极1.紫外光辐射能量高→量子效率高。2.日盲型光电阴极：要有合适的窗口材料。3.碲化铯CsTe0.32μm碘化铯CsI0.2μm100～280nm长波限三、负电子亲和势材料１．定义：负电子亲和势(NEA):半导体表面做特别处理，使表面区域能带弯曲，真空能级降到导带之下，使有效的电子亲和势为负值。正电子亲和势(PEA):表面的真空能级位于导带之上。特点①前所未有的高灵敏度；②长波极限到红外。２．工作原理以Si-Cs2O光电阴极材料为例:基底Ｐ型Si材料→表面涂Cs→Cs2O→表面形成耗尽层→耗尽层电位下降Ed→能级弯曲.对于Ｐ型Ｓi半导体，发射阈值:形成P-N结合能级弯曲后，P型Si的光电子需克服的有效亲和势为：(基准)亲和势为负值，说明只要光电子突破禁带，就能发射光电子.详见图3-8:111dAgEEE012AecAdEEEEE2cE3.特点⑴量子效率高：负电子亲和势光电阴极的逸出深度:数微米.普遍多碱阴极的逸出深度:几十纳米.⑵光谱响应延伸到红外，光谱响应率均匀什么叫长波限？光子的最小能量必须大于光电发射阈值或功函数，否则电子就不会逸出物质表面，这个最小能量对应的波长称为阈值波长(长波限).(禁带能级）（禁带+亲和势）ggAEhvEE对于正电子亲和势光电阴极：阈值波长：对于负电子亲和势光电阴极：阈值波长：GaAs光电阴极：为1.4eV：约为890nm。⑶热电子发射小：负电子亲和势材料本身的禁带宽度一般比较宽，如果没有强电场作用，热电子发射小。10-16A/cm21240()gAgAhcnmEEEE01240()gnmEgE0⑷光电子能量集中光→光电阴极→光电子入导带→热化到导带底→发射由于发射的光电子的能量基本上是导带底的能量∴能量集中。对提高光电成像器件的空间分辨率和时间分辨率很有意义。§3-3光电倍增管定义：是一种建立在光电子发射效应，二次电子发射和电子光学理论基础上的，把微弱入射光转换成光电子并获得倍增的重要的真空光电发射器件。一、光电倍增管的工作原理如图3-10所示1.K：光电阴极D：聚焦极光电聚焦系统：电子会聚成束，并通过膜孔打到第一倍增极D1上。2.D1～D10:倍增极（打拿极）所加电压逐级增加（每极约为80～150V）形成二次电子发射。3.a:收集电子的阴极。二、光电倍增管结构对结构的要求：1.使光电阴极发射的光电子尽可能全部会聚到D1→提高信噪比。2.使阴极面上各处发射的光电子在电子光学系统中有尽可能相等的渡越时间→增加快速响应性。电子光学系统结构：见图3-11：(a),(b),(c)。光电倍增极：非聚焦型：百叶窗式、盒一网式。聚焦型：直列聚焦式、圆形鼠笼聚焦式。三、光电倍增管的基本特性参数1.灵敏度和光谱响应度阴极灵敏度：阳极灵敏度：讨论：⑴值由光电阴极材料决定。⑵光电倍增管光谱响应度与光电阴极光谱响应度曲线相同。/KKiSAlm/aaiSAlm,KaSS光电阴极的光谱响应度：量子效率：⑶光电阴极的电流光谱响应度：:光电倍增管的放大倍数4.积分光谱响应度:阳极积分电流响应度为：()/()()1240()()/eIqShcShvq()/()()()KKIiqRqPhc()()aKRRG010()()()IKKIPRdRPdAKRRGG2.放电倍数（电流增益）定义：在一定的电压下，光电倍增管的阳极电流和阴极电流之比，也即一定电压下阳极响应度和阴极响应度的比值。当电极间电压为80～150V，倍增极的倍增系数时，G近似为：其中：f：第一倍增极对阴极发射电子的收集率。g:倍增极间的传递效率：聚焦结构g＝1，非聚焦结构g1。n：倍增极的个数。若阴极和倍增极发射的电子全部被收集则当n=9～14时，Ｇ为：105～108aakkiSGiS()nGfg3~61gfnG3.暗电流无光照射时，光电倍增管的输出电流为暗电流。对测量缓慢变化的信号不利，一般为：10-8～10-9A相当于入射光通量10-10～10-13lm⑴影响因素：①光电阴极和第一倍增极的热电子发射；②极间漏电流：由于极间绝缘不够或灰尘放电；③离子和光的反馈作用：真空不足，残余气体碰撞电离；④场致发射：电极的尖角在高压下放电；⑤放射性同位素和宇宙射线的影响。⑵减小暗电流的方法：①选择合适的极间电压；②在阳极回路中加上与暗电流相反的直流成分来补偿；③在倍增输出电路中加以选频或锁相放大滤掉暗电流；④利用冷却法减小热电子发射。4.伏安特性：阴极伏安特性：入射光照E一定时，IK阴极发射电流与阴极和第一倍增极之间的电压的关系，如图3-14。阳极伏安特性：E一定时，Ia与最后一级倍增极之间的电压Va的关系，如图3-15。感兴趣的是阳极伏安特性，可以看作恒流源。5.输出信号和等效电路⑴图解法:图3-16⑵等效电路当时，为线性应用。对直流通路：对交流通路：2max2aLaVVRSmaxLLRR021()aIS021()aLVSR0sinamiSt0'sinaLmVSRt6.线性⑴引起非线性的原因：空间电荷内因：光电倍增管内部结构：光电阴极电阻率聚焦和收集效率变化信号电流→负载电阻外因：外部高压供电和信号输出电路：负反馈电压再分配⑵解决方法①极间电压保持足够高；②阴极电阻：（一部分被照射，一部分没有被照射）；③负载电阻：光电流→负载电阻压降→阳极电压↓用运放作电流电压转换，减小有效负载电阻；④阳极或倍增输出电流引起电阻链中电压再分配：I↑→电阻压降→阳极电压↓→0解决办法：电阻链中的电流至少应大于1000倍的最大阳