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1、光电探测技术第四章,李静,真空光电器件,真空光电发射器件是基于外光电效应的光电探测器，包括光电管和光电倍增管两类。具有极高的灵敏度、快速响应等特点，它在探测微弱光信号及快速脉冲弱光信号等方面仍然是一个重要的探测器件。因此广泛应用于航天、材料、生物、医学、地质等领域都有相当大的应用。,真空光电器件结构及常见类型,结构：均包括光电阴极、阳极、真空玻璃壳 分类： 成像型 非成像型常见器件： 真空光电管 光电管 充气光电管 光电倍增管,在光电管、光电倍增管、变象管、象增加器和一些摄像管等光电器件中，使不同波长的各种辐射信号转换为电信号，均依靠光电阴极。因而光电阴极关系到光电器件的各项光电性能。 光电发
2、射阴极是光电发射器件的重要部件，它是吸收光子能量发射光电子的部件。它的性能直接影响着整个光电发射器件的性能，为此，首先讨论用于制造光电阴极的典型光电发射材料。,4.1光电阴极,一、光电阴极的主要参数,1.灵敏度(1)光照灵敏度表示光电阴极在一定的白光照射下，阴极光电流与入射的光通量之比。光照灵敏度也称为白光灵敏度或积分灵敏度，单位为uA/lm。(2)色光灵敏度就是局部光谱区域的积分灵敏度。它表示在某些特定的波长区，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。,式中单位为nm；S()为光谱灵敏度，单位为A/W。,量子效率和光谱灵敏度是一个物理量的两种
3、表示方法。它们之间的关系：,(3)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，单位为mA/W或A/W。,2.量子效率,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，称为光谱响应曲线。真空光电组件中的长波灵敏度极限，主要由光电阴极材料的截止波长 决定。4.热电子发射光电阴极中有少数电子的热能大于光电阴极逸出功，因而产生热电子发射。室温下典型阴极每秒每平方厘米发射二个数量级的电子，相当于10-1610-17Acm-2的电流密度。这些热发射电子会引起噪声，限制着传感器的灵敏度极限。,二、银氧铯（Ag-O-Cs）光电阴极银氧铯阴极是最早
4、出现的实用光电阴极。目前，除了-族的光电阴极外，它仍然是在近红外区具有使用价值的唯一阴极。银氧铯阴极是以Ag为基底，氧化银为中间层，上面再有一层带有过剩Cs原子及Ag原子的氧化铯，而表面由Cs原子组成，可用Ag-Cs2OAgCs-Cs的符号表示，如图a所示。,Ag-O-Cs光电阴极的光谱响应曲线如图b所示。它的长波灵敏度延伸至红外1.2um，并且有两个峰值，近红外800nm处有一主峰，另一主峰处于紫外350nm。,Ag-O-Cs光电阴极的灵敏度较低。光照灵敏度约为30uA/lm，辐照灵敏度为3mA/W，量子效率在峰值波长处也只有1%，它的热电子发射密度在室温下超过任何其它实用阴极，约为10-1
5、110-14A/cm2。此外，当阴极长期受光照后，会产生严重的疲劳现象，且疲劳特性与光照度。光照波长等都有密切关系，疲劳后光谱响应曲线也会发生变化，因此它的应用受到很大限制。将近红外区具有高灵敏度的Ag-O-Cs阴极和蓝光区具有高灵敏度的Bi-Cs-O阴极相结合，可获得在整个可见光谱范围内具有较均匀响应和高灵敏度的 Bi-Ag-O-Cs光电阴极。该阴极的量子效率达10%，但长波限只有750nm。,三、单碱锑化物光电阴极金属锑与碱金属锂、纳、钾、铷、铯中的一种化合，都能形成具有稳定光电发射的发射体。其中，以CsSb阴极的灵敏度最高，是最具有使用价值的光电发射材料，广泛用于紫外和可见光区的光电探测
6、器中。锑铯阴极的典型光谱响应曲线,四、多碱锑化物光电阴极当锑和几种碱金属形成化合物时，具有更高的响应率，其中有双碱、三碱和四碱等，统称为多碱锑化物光电阴极。锑纳钾阴极是双碱阴极中的一种，它的光谱响应与锑铯阴极相近，在峰值波长0.4um处的量子效率达25%，其典型光照灵敏度可到50uA/lm。它的特点是耐高温，工作温度可达到175，而一般含铯阴极的工作温度不能超过60 ，因此锑钾钠阴极可用于石油探测等特殊场合。锑钾钠铯阴极是三碱阴极中最有实用价值的一种，它从紫外到近红外的光谱区都具有较高的量子效率。,一般来说，对可见光灵敏度的光电阴极，对紫外光也都具有较高的量子效率。但在某些应用中，为了消除背景
7、噪声的影响，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，这样阴极通常称为“日盲”型光电阴极。,五、紫外光电阴极,常用的有锑化铯和碘化铯两种。,六、负电子亲和势光电阴极现以Si-CsO光电阴极为例加以说明，它是在p型Si的基质材料上涂一层极薄的金属Cs，经特殊处理而形成n型Cs2O 。表面为n型的材料有丰富的自由电子，基底为p型材料有丰富的空穴，它们相互扩散形成表面电荷局部耗尽。与p-n结情况类似，耗尽区的电位下降E，造成能带弯曲，如图b所示。,图a分别表示p型Si和n型Cs2O两种材料的能带图。,本来p型Si的发射临界值是 ，电子受光激发进入导电带后需克服亲和势才能逸出出表面。
8、现在由于表面存在n型薄层，使耗尽区的电位下降，表面电位降低Ed。光电子在表面附近受到耗尽区内建电场的作用，从Si的导电带底部漂移到表面Cs2O的导带底部。此时，电子只需克服EA2就能逸出出表面。对于p型Si的光电子需克服的有效亲和势为,(1)量子效率高(2)光谱响应延伸到红外、光谱响应率均匀正电子亲和势光电阴极的临界值波长为,而负电子亲和势光电阴极的临界值波长为,(3)热电子发射小(4)光电子的能量集中实用的负电子亲和势光电阴极有GaAs、InGaAs、GaAsP等，其光谱响应曲线如图所示。,4.2光电管与光电倍增管的工作原理,一、光电管光电管主要由光电阴极和阳极两部分组成，因管内有抽成真空或
9、充入低气压惰性气体的不同，所以有真空型和充气型两种。它的工作电路如图所示，阴极和阳极之间加有一定的电压，且阳极接正，阴极接负。,真空型光电管的工作原理 当入射光透过真空型光电管的入射窗照射到光电阴极面上时，光电子就从阴极发射出去，在阴极和阳极之间形成的电场作用下，光电子在极间作加速运动，被高电位的阳极收集，其光电流的大小主要由阴极灵敏度和入射辐射的强度决定。充气型光电管的工作原理 光照生电子在电场的作用下运动，途中与惰性气体原子碰撞而电离，电离又产生新的电子，它与光电子一起都被阳极收集，形成数倍于真空型光电管的光电流 。由于光电倍增管工艺的成熟及半导体光电器件的发展，光电管已基本上被上述这些器
10、件所替代。,二、光电倍增管光电倍增管是一种真空光电组件，它主要由光入射窗口、光电阴极、电子光学系统、倍增极和阳极组成，如图a所示。,光电倍增管的工作原理如图b所示。,光电倍增管,1.入射窗口和光电阴极结构光电倍增管通常有侧窗和端窗两种形式。侧窗型光电倍增管是透过管壳的侧面接收入射光，而端窗式光电倍增管是透过管壳的端面接收入射光。,侧窗式光电倍增管一般使用反射式光电阴极，而且大多数采用鼠笼式倍增极结构，如图a所示。,端窗式光电倍增管通常使用半透明光电阴极，光电阴极材料沉积在入射窗的内侧面。如图b所示。,常用的窗口材料有下列几种：(1)硼硅玻璃，应用广泛，透射光谱范围从300nm到红外，不适合作紫
11、外辐射窗口材料。(2)透紫外玻璃，透紫外性能很好，紫外波段的截止波长约185nm，应用普遍。(3)熔融石英（熔融二氧化硅），透紫外波长可达到160nm。(4)蓝宝石(5)MgF2,常用几种窗口材料的光谱透射比曲线。,实用光电倍增管的阴极光谱响应特性如图4-11和表4-1所示。,2.电子光学系统电子光学系统主要有两方面的作用，使光电阴极发射的光电子尽可能全部会聚到第一倍增极上，而将其它部分的杂散热电子散射掉，提高信噪比，一般用电子收集率表示；二是使阴极面上各处发射的光电子在电子光学系统中渡越的时间尽可能相等，以保证光电倍增管的快速响应，这一参数常用渡越时间的离散型t表示。下面介绍几种典型的结构和
12、性能。图a是最简单的电子光学系统。,图a中：1是光电阴极；2是与光电阴极同电位的金属筒或镀在玻璃壳上的金属导电层；3是带孔膜片；4是第一倍增极。,在图 (b)系统中约为10ns，为了使小型光电倍增管的倍增极合理安排在管壳内（具有对称性），充分利用玻璃管内的空间，同时保证有高的电子收集率，可采用图4-12?所示电子光学系统。图中增加了斜劈式圆柱筒电极4，该电极固定在偏心的带孔膜片上，其轴线与阴极的轴线之间的夹角常取20。这种结构的性能与前者相近。,图c所示的是性能最好的一种结构，它采用了球面形光电阴极，并附加了3个圆筒形电极。此时，阴极表面电位分布比较均匀，而且从阴极中心和边缘发射的电子的轨迹长
13、度相差甚小，可使穿越时间的离散性接近于零。,3.电子倍增极(1)二次电子发射具有足够动能的电子轰击某些材料时，材料表面将发射新的电子，这种现象称为二次电子发射。轰击材料的入射电子称为一次电子，从材料表面发射出的电子称为二次电子。不同材料的二次电子发射能力是不一样的。为表征材料的这种能力，通常把二次发射的电子数N2与入射的一次电子数N1的比值定义为该材料的二次发射系数,二次发射过程可以分三步来描述：材料吸收一次电子的能量，激发体内电子到高能态，这些被激电子称为内二次电子；内二次电子中初速指向表面的那一部分向表面运动，在运动过程中因散射而损失能量；如果达到界面的内二次电子仍有足以克服表面势垒的能量
14、，即逸出表面成为二次电子。,材料的二次发射系数随一次电子的能量Ep不同而改变，图4-13表示与Ep的一般关系。其原因是：当一次电子能量过大，电子穿透材料的有效深度增加；尽管激发的内二次电子数有所增加，但许多深层的内二次电子在逸出过程中，由于碰撞散射而损失能量，结果不能逸出，反而使减小。不同的发射材料，当二次发射系数达最大值max时，相应的一次电子能量Epmax 变化很大，约1002000电子伏。,图4-14是几种倍增极材料的二次电子发射特性曲线。,光电倍增管中的二次电子发射材料应具有：在低的工作电压下具有大的值；热电子发射小；在较高温度和较大的一次电子密度条件下，发射系数保持稳定。常用的倍增极
15、材料有：(1)复杂的半导体型(2)合金型(3)负电子亲和势型,(2)倍增极结构光电倍增管中的倍增极一般由几级到十五级组成。根据电子轨迹的型式可分为两大类，即聚焦型和非聚焦型。凡是由前一倍增极来的电子被加速和会聚在下一倍增极上，在两个倍增极之间可能发生电子束交叉的结构称为聚焦型。非聚焦型形成的电场只能是电子加速，电子的轨迹都是平行的。根据电子倍增极的结构形式，目前光电倍增管分成六种形式，如图所示。,(1)鼠笼式(2)直线聚焦式(3)盒栅式(4)百叶窗式(5)近贴栅网式(6)微通道板式,4.阳极阳极结构比倍增极系统简单得多，它的作用是接收从末级倍增极发射出的二次电子，通过引线向外输出电流。对于阳极的结构要求具有较高的电子收集率，能承受较大的电流密度，并且在阳极附近的空间不致产生空间电荷效应。此外，阳极的输出电容要小，即阳极与末级倍增极及与其它倍增极间的电容要很小，因此目前阳极广泛采用栅网状结构。,4.3光电倍增管的主要特性参数,一、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性质。阳极的光谱灵敏度等子阴极的光谱灵敏度与光电倍增管放大系数的乘积，而其光谱响应曲线基本上与阴极的相同。一般手册上给出光电倍增管的光谱响应的波长范围、峰值波长以及光谱响应曲线代码。,
