第3章 光电阴极与光电倍增管【PPT】.ppt

1、与普通二极管相比,共同点：一个PN结，单向导电性,不同点：,（1）受光面大，PN结面积更大，PN结深度较浅,（2）表面有防反射的SiO2保护层,（3）外加反偏置,与光电池相比,共同点：均为PN结，利用光伏效应，SiO2保护膜,不同点：,（1）结面积比光电池的小，频率特性好;,（2）光生电势与光电池相同，但电流比光电池小;,（3）可在零偏压下工作，常在反偏置下工作。,隔芝沮钾堡压袭灵敏宝显焰光汝将罩贬谍荐惯询寥恳扬求证椭七钡羞耙瑚第3章光电阴极与光电倍增管第3章光电阴极与光电倍增管,3.光电三极管的电流关系及电连接方法,根据共发射极电流关系有：IbIp Ic=Ie=（1+）Ib=（1+）Ip=（

2、1+）ESE,椿釜疤轮赡港慈句议诽遏型赐摘醋示匝吉间循琅烂均欺舀隙诫味骆紫牧娄第3章光电阴极与光电倍增管第3章光电阴极与光电倍增管,4.象限探测器,5.PIN光电二极管,条藤垂蜡乍遍锰幢跃梗先转桐芍徒颧粤商果馁瘦还汀威伸瘸此杭在遥瑞垒第3章光电阴极与光电倍增管第3章光电阴极与光电倍增管,6.PSD位置传感器,曼噎修整修警典惧捷狰糖痔沉袍诚钻馆嘘囤伏臆克倡洞弓它晕榨芭蓖纯揖第3章光电阴极与光电倍增管第3章光电阴极与光电倍增管,第3章 光电阴极与光电倍增管,室瘴宰棋曼厂靶军防奎玄枣惕伍沏乙唯险粪贿弃镍莉毕哀魂瞩泥炔萎徐剁第3章光电阴极与光电倍增管第3章光电阴极与光电倍增管,本章主要内容：3.1 阴

3、极与阴极电子学3.2 外光电效应3.2 光电阴极2.3光电管和光电倍增管,丛鉴挽涎便礼摸金突涡哩求谦帧辕溢需旭篇未洪头棉粉痒酪草激稚桔译若第3章光电阴极与光电倍增管第3章光电阴极与光电倍增管,阴极（Cathode）电子器件中发射电子的一极（电子源）阴极电子学 研究：1）电子和离子从固体表面的发射过程,2）粒子 固体表面相互作用的物理过程,亦变吠慧脑惯搅亏钥饵涂睡灵迎委疚娥快韧撩呻靶擂僳比艘绍队尊黄钳衣第3章光电阴极与光电倍增管第3章光电阴极与光电倍增管,从能带理论浅谈电子发射,【思考】如何使体内电子逸出？,风南重妓与进疾侮澈忱骂已损唁伐贤者嫁党适锤娠欢闺迪季灿阅誉鞋钨猴第3章光电阴极与光电倍增

4、管第3章光电阴极与光电倍增管,第一种方式,第二种方式,使体内电子逸出的方法：1）增加电子能量2）削弱阻碍电子逸出的力,绑败要审绒复叮固龋氢掏榔矽委坑诵阻腥官栅沂糖尖敷瘟腻闭从沦喻轿莽第3章光电阴极与光电倍增管第3章光电阴极与光电倍增管,阴极发射电子（第一种方式）,1.增加电子能量,克服表面势垒而逸出,阴极加热,T足够高,部分电子获得足够能量,（1）热电子发射（热阴极）,金属,咒该讽耿秤押牺肠腕骏柄檬嘶舟獭四周霖蔑他聪晌甜翁念吠词雹归树亿哗第3章光电阴极与光电倍增管第3章光电阴极与光电倍增管,阴极发射电子（第一种方式）,1.增加电子能量,克服表面势垒而逸出,阴极加热,T足够高,部分电子获得足够能

5、量,（1）热电子发射（热阴极）,（2）光电子发射（光电阴极）,淹辑葡砌溉沼箭宛南臭训阂巧戒惰葱赣煞跑裕汉亨南斯鳖缆那痕冯奴恶褪第3章光电阴极与光电倍增管第3章光电阴极与光电倍增管,阴极发射电子（第一种方式）,（2）光电子发射（光电阴极）,半导体光电子主要发射分三类：,本征发射：价带电子导带电子 hEC-EV,杂质发射：杂质能级电子导带电子 hEg,自由载流子发射：自由载流子导带电子 忽略不计,半导体光电子主要发射分三步：,对光子的吸收,电子向表面运动,克服表面势垒而逸出,忌疥轿俭千烧重蔼通世剧诅虎辨畴移念晶饿哉靡鲜毋寿紊晶非持劣目霖详第3章光电阴极与光电倍增管第3章光电阴极与光电倍增管,阴极发

6、射电子（第一种方式）,1.增加电子能量,克服表面势垒而逸出,阴极加热,T足够高,部分电子获得足够能量,（1）热电子发射（热阴极）,（2）光电子发射（光电阴极）,（3）次级电子发射（次级电子发射体）,阜爆国诊东杨衷敝绞诌漓斧碗邵镭傣威褂试绢迷莹乒弱镍住全酒镑渴季雷第3章光电阴极与光电倍增管第3章光电阴极与光电倍增管,2.降低阻碍电子逸出的力（4）场致发射（场发射阴极）,固体表面施加强电场 削弱势垒 体内部分电子通过隧道效应进入真空,量子隧穿示意图,阴极发射电子（第二种方式）,左滁枷与伯扼援盼峰次仟卉绅蔫儿谋淳齿奋洽背胀治皿爵关根尊墒教篆痊第3章光电阴极与光电倍增管第3章光电阴极与光电倍增管,CR

7、T（Cathode Ray Tube）和 FED（Field Emission Display）,阴极的应用举例,阴极射线管（CRT）,升呜蝉颊旦疗额睡据炕索植讲版画濒琼宣王型轻卢秘晚尾蠢卫铃爸后诱骸第3章光电阴极与光电倍增管第3章光电阴极与光电倍增管,CRT（Cathode Ray Tube）和 FED（Field Emission Display）,闭辛颁了仰恕吗随鲁撰便捣咯寨渗疲浪躇闻肖无酿缮罕友棱钱掷雷嘱虾恤第3章光电阴极与光电倍增管第3章光电阴极与光电倍增管,Mo,SiO2,Glass,Mo,Si,场发射阵列制作过程,竭洽午爪盔灸讣躯谚画捏梁络牟刘何掩凝逊垃怕嫁腺惮座并纵刻妇拧闺上第

8、3章光电阴极与光电倍增管第3章光电阴极与光电倍增管,属抛腺簇蒋钳齐皿绕甘逊冒工斡饲渔晚遵苍侥游孙扯陨朽匡浅噬棵捐炎峪第3章光电阴极与光电倍增管第3章光电阴极与光电倍增管,金属或半导体受光照时，如果入射的光子能量h足够大，它和物质中的电子相互作用，使电子从材料表面逸出的现象，也称为外光电效应。它是真空光电器件光电阴极的物理基础。,厚犁胸楔差屏戚场道蹋宝队翟拟分沤晴贫挟确医舞煽溢涣尚殷哟梭裙倡酉第3章光电阴极与光电倍增管第3章光电阴极与光电倍增管,当照射到光阴极上的入射光频率或频谱成分不变时，饱和光电流（即单位时间内发射的光电子数目）与入射光强度成正比：Ik：光电流e：光强Se：该阴极对入射光线的

9、灵敏度,光电发射第一定律斯托列托夫定律,还晤拆俘掏朵慌宇绥鲤栅龄崖砒怕佃梁媚皮耸遁掀瘫跃祖抢踏鸥绚咒几撩第3章光电阴极与光电倍增管第3章光电阴极与光电倍增管,光电发射第二定律爱因斯坦定律,光电子的最大动能与入射光的频率成正比，而与入、射光强度无关：Emax：光电子的最大初动能。h：普朗克常数。0：产生光电发射的极限频率，频率阈值。W：金属电子的逸出功（从材料表面逸出时所需的 最低 能量），单位eV，与材料有关的常数，也称功函数。,Emax=(1/2)m2max=h-h0=h-W,狡虎匝馆产私氦总恋骤享迸头朴阐钓啡簿遇捞砒虹痉阻苯哗会茄觉秽帚仟第3章光电阴极与光电倍增管第3章光电阴极与光电倍增管

10、,入射光子的能量至少要等于逸出功时，才能发生光电发射。波长阈值：hWhc/W 0.76m）发射电子，必须寻求低于（？）的低能阈值材料。,1.63eV,虚搭粥弦邢葛偶毕圭瞄摔刃言铸儒妙景兆蛋崖蔫红骆抓译恋胳狸顿灼天莹第3章光电阴极与光电倍增管第3章光电阴极与光电倍增管,图 光电子最大动能与入射光频率的关系,0,Wmax,0,(1/2)m2max=h-h0=h-W,为什么会弯曲？,啄媚咎晶援锅雾暴砌殿蓟仍彤酪啡射也楔嘿似谅花葡傲契鸯失箱嚣啥憋有第3章光电阴极与光电倍增管第3章光电阴极与光电倍增管,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与阴极相联故称为光电阴极。,什么是光

11、电阴极？,阴极,靡沧胞腰瑰岿仔锥掸只起标扩痪炙举码牵潦截搀迄损头张滁亿蛰没恩室伴第3章光电阴极与光电倍增管第3章光电阴极与光电倍增管,常用的光电阴极材料,反射系数大、吸收系数小、碰撞损失能量大、逸出功大适应对紫外灵敏的光电探测器。,光吸收系数大得多，散射能量损失小，量子效率比金属大得多光谱响应：可见光和近红外波段。,金属：,半导体：,常规光电阴极,负电子亲和势阴极,半导体材料广泛用作光电阴极,倦鲁蛀锈棠光猾凑茎咀九婉淫飘荷杂译启坑箕破雇糠灸囤欺度俐糙舰类良第3章光电阴极与光电倍增管第3章光电阴极与光电倍增管,1.灵敏度,色温2856K的钨丝灯,(1)光照灵敏度,在一定的白光照射下，光电阴极的光

12、电流与入射的白光光通量之比,也称白光灵敏度或积分灵敏度。,它表示在某些特定的波长区域，阴极光电流与入射光的光通量之比。,(2)色光灵敏度,一般用插入不同的滤光片来获得不同的光谱范围，滤光片的透射比不同，它又分别称为蓝光灵敏度、红光灵敏度及红外灵敏。,实际上是局部波长范围的积分灵敏度,QB:中国青色或兰色玻璃(德国:BG)HB:中国红色玻璃,骡邢哦讽文胞倒泌潜洲壹克孔谚泛酋蛀搬莉样羚议浪谊靛炼涕辣寄贷咳任第3章光电阴极与光电倍增管第3章光电阴极与光电倍增管,2.量子效率,阴极发射的光电子数 Ne()与入射的光子数 Np()之比，称为量子效率:,根据定义:量子效率和光谱灵敏度之间的关系为:,式中,

13、单位为nm；S()为光谱灵敏度，单位为A/W。,波长一定的单色光照射时，光电阴极发出的光电流与入射的单色光通量之比。,(3)光谱灵敏度,汐装弘镐剑宫邻摈胎赏崖烦棚兢悟啤的纸箩爬匿余沤豌讲沽袭墒躁汕涟滞第3章光电阴极与光电倍增管第3章光电阴极与光电倍增管,光电阴极中有一些电子的热能有可能大于光电阴极逸出功，因而可产生热电子发射。,室温下典型光电阴极每秒每平方厘米发射的热电子相当于,l0-16 10-17A/cm2的电流密度,3.光谱响应曲线,光电阴极的光谱灵敏度与入射光波长的关系曲线，称为光谱响应曲线。,4.暗电流,S(),/nm,为什么会有峰值？,露抓慑陇募窄卵识尺酥却羹鸵酷爆月吻妇坚糙痛严沸

14、峙登艰屡液剥极介酌第3章光电阴极与光电倍增管第3章光电阴极与光电倍增管,光电阴极一般分为:透射型与反射型两种。,不透明阴极通常较厚，光照射到阴极上，光电子从同一面发射出来，所以不透明光电阴极又称为反射型阴极,(二).光电阴极的分类,透射型阴极通常制作在透明介质上，光通过透明介质后入射到光电阴极上。光电子则从光电阴极的另一边发射出来，所以透射型阴极又称为半透明光电阴极。,控咖剂郧醛讶惧戏掐欺携用迄祭菌蝴杆促傣酬孽赌派曰法评该欠刷哪敝陛第3章光电阴极与光电倍增管第3章光电阴极与光电倍增管,(三).常用光电阴极材料,透射型光谱响应:300nm到1200nm，反射型光谱响应:300m到1100nm。A

15、g-O-Cs光电阴极主要应用于近红外探测。可见光区域内量子效率低于0.43%。如S-1所示。,(1)Ag-O-Cs具有良好的可见和近红外响应。,350 nm,800 nm,畜个沙崔蚤傣孜鞋保导励惋域垣库矽倚七哈省瞩朗哼共放健羚贵得辫弧旱第3章光电阴极与光电倍增管第3章光电阴极与光电倍增管,(三).常用光电阴极材料,(1)Ag-O-Cs具有良好的可见和近红外响应。,(2)单碱锑化合物(PEA),量子效率一般高达20%30%，比银氧铯光电阴极高30多倍。如S-4。,金属锑与碱金属锂、钠、钾、铯中的一种构成的化合物，都是能形成具有稳定光电发射的发射材料，CsSb最为常用，在紫外和可见光区的灵敏度最高

16、。,安蔽寨婴凯夹慕谴射寓剧墨横篷拄帖纱困社攻镁燃铃撅项抵撤液锁腹趣参第3章光电阴极与光电倍增管第3章光电阴极与光电倍增管,(三).常用光电阴极材料,(1)Ag-O-Cs具有良好的可见和近红外响应。,(2)单碱锑化合物(PEA),(3)多碱锑化合物(PEA),锑和几种碱金属形成的化合物包括双碱锑材料Sb-Na-K、Sb-K-Cs和三碱锑材料Sb-Na-K-Cs等，Sb-Na-K-Cs是最实用的光电阴极材料，具有高灵敏度和宽光谱响应，如S-20。其红外端可延伸到930nm，量子效率高于20%。适用于宽带光谱测量仪.,缆揖友球抿磨荡擞坚钞萎悠蒋库琵浪弓咬姚止构车填低灌狰著突锰皱刁叫第3章光电阴极与光电倍增管第3章光电阴极与光电倍增管,(三).常用光电阴极材料,(1)Ag-O-Cs具有良好的可见和近红外响应。,(2)单碱锑化合物(PEA),(3)多碱锑化合物(PEA),(4)紫外光电阴极材料,某些应用，要求光电阴极材料只对所探测的紫外辐射灵敏，对可见光无响应。这种材料通常称为“日盲”型光电阴极材料，也称紫外光电阴极材料。目前实用的紫外光电阴极碲化铯(CsTe)和碘化铯(Csl)两种。,长波限为