光电检测中的光电探测器-光电子发射器.ppt

0光电检测技术光电检测技术Ch4光电检测中常用的光电探测器光电检测中常用的光电探测器光电子发射器件光电子发射器件吕勇吕勇1光电子发射探测器光电子发射探测器2光电发射效应；光电发射效应；光电子发射材料；光电子发射材料；光电管；光电管；光电倍增管；光电倍增管；微通道板型光电倍增管；微通道板型光电倍增管；像管。像管。3光电发射探测器光电发射探测器光电发射探测器光电发射探测器外光电效应外光电效应外光电效应外光电效应；在足够能量的光照下，探测器光敏面材料内的电子在足够能量的光照下，探测器光敏面材料内的电子在足够能量的光照下，探测器光敏面材料内的电子在足够能量的光照下，探测器光敏面材料内的电子就会逸出表面进入外界空间，在空间电场的作用下就会逸出表面进入外界空间，在空间电场的作用下就会逸出表面进入外界空间，在空间电场的作用下就会逸出表面进入外界空间，在空间电场的作用下形成电流。形成电流。形成电流。形成电流。实验装置实验装置实验装置实验装置阴极阴极阴极阴极C C、阳极、阳极、阳极、阳极P P，密封在真空管内。，密封在真空管内。，密封在真空管内。，密封在真空管内。两两两两极极极极之之之之间间间间加加加加有有有有可可可可变变变变电电电电压压压压，用用用用来来来来加加加加速速速速或或或或阻阻阻阻挡挡挡挡释释释释放放放放出出出出来来来来的的的的电电电电子子子子。光光光光通通通通过过过过石石石石英英英英小小小小窗窗窗窗照照照照射射射射在在在在电电电电极极极极C C C C上上上上，在在在在光光光光的的的的作作作作用用用用下下下下，电电电电子子子子从从从从电电电电极极极极C C C C逸逸逸逸出出出出，并并并并受受受受电电电电场场场场加加加加速速速速形成光电流。形成光电流。形成光电流。形成光电流。实验规律：实验规律：实验规律：实验规律：（1 1 1 1）饱和电流；）饱和电流；）饱和电流；）饱和电流；（2 2 2 2）阈值频率。）阈值频率。）阈值频率。）阈值频率。4光电效应的两个实验规律光电效应的两个实验规律1 1 1 1饱和电流（斯托列托夫定律）饱和电流（斯托列托夫定律）饱和电流（斯托列托夫定律）饱和电流（斯托列托夫定律）当照射到光阴极上的入射光频率或频谱成分不当照射到光阴极上的入射光频率或频谱成分不当照射到光阴极上的入射光频率或频谱成分不当照射到光阴极上的入射光频率或频谱成分不变时，饱和光电流变时，饱和光电流变时，饱和光电流变时，饱和光电流I I I I k k k k（即单位时间内发射的光电子即单位时间内发射的光电子即单位时间内发射的光电子即单位时间内发射的光电子数目）与入射光通量数目）与入射光通量数目）与入射光通量数目）与入射光通量成正比：成正比：成正比：成正比：Ik=Sk I I I I k k k k为阴极光电流，为阴极光电流，为阴极光电流，为阴极光电流，为入射光通量，为入射光通量，为入射光通量，为入射光通量，S S S S k k k k为阴极对入射光的灵敏度。为阴极对入射光的灵敏度。为阴极对入射光的灵敏度。为阴极对入射光的灵敏度。IV-Vg 1 252 2 2 2遏止电位（爱因斯坦定律）遏止电位（爱因斯坦定律）遏止电位（爱因斯坦定律）遏止电位（爱因斯坦定律）实验发现，光电子的最大初始动能与实验发现，光电子的最大初始动能与实验发现，光电子的最大初始动能与实验发现，光电子的最大初始动能与入射光的频率成正比，而与入射光强度无入射光的频率成正比，而与入射光强度无入射光的频率成正比，而与入射光强度无入射光的频率成正比，而与入射光强度无关：关：关：关：E Emaxmax=(1/2)m=(1/2)m0 02 2maxmax=eVg=eVg=hvhv hvhv00=hv hv WW E E E Emaxmaxmaxmax为光电子的最大初动能，为光电子的最大初动能，为光电子的最大初动能，为光电子的最大初动能，maxmaxmaxmax为相应的电子最大初速度，为相应的电子最大初速度，为相应的电子最大初速度，为相应的电子最大初速度，m m m m为电子质量，为电子质量，为电子质量，为电子质量，h h h h为普朗克常数，为普朗克常数，为普朗克常数，为普朗克常数，W W W W 为金属材料的电子逸出功，即电子从材为金属材料的电子逸出功，即电子从材为金属材料的电子逸出功，即电子从材为金属材料的电子逸出功，即电子从材料表面逸出时所需的最低能量，单位为料表面逸出时所需的最低能量，单位为料表面逸出时所需的最低能量，单位为料表面逸出时所需的最低能量，单位为eVeVeVeV，是，是，是，是与材料性质有关的常数，也称为功函数。与材料性质有关的常数，也称为功函数。与材料性质有关的常数，也称为功函数。与材料性质有关的常数，也称为功函数。V-Vg1-Vg2-Vg3I63 3 3 3 截止频率和红限波长截止频率和红限波长截止频率和红限波长截止频率和红限波长v vVgv v0 0红限表示长波或低频。红限表示长波或低频。频率越高，频率越高，频率越高，频率越高，V V V Vg g g g越大越大越大越大;频率与频率与频率与频率与V V V Vg g g g成线性关系；成线性关系；成线性关系；成线性关系；频率低于某值时，频率低于某值时，频率低于某值时，频率低于某值时，V V V Vg g g g减小到减小到减小到减小到0 0 0 0。74 4 4 4 驰豫时间驰豫时间驰豫时间驰豫时间 当入射光束照射在光电阴极上时当入射光束照射在光电阴极上时当入射光束照射在光电阴极上时当入射光束照射在光电阴极上时,无论光强怎样微弱无论光强怎样微弱无论光强怎样微弱无论光强怎样微弱,几乎在几乎在几乎在几乎在开始照射的同时就产生了光电子开始照射的同时就产生了光电子开始照射的同时就产生了光电子开始照射的同时就产生了光电子,驰豫时间最多不超过驰豫时间最多不超过驰豫时间最多不超过驰豫时间最多不超过1 1 1 1纳秒。纳秒。纳秒。纳秒。光的照射和光电子的释放几乎是同时的，在测量的精度范围光的照射和光电子的释放几乎是同时的，在测量的精度范围光的照射和光电子的释放几乎是同时的，在测量的精度范围光的照射和光电子的释放几乎是同时的，在测量的精度范围内观察不出两者之间存在的滞后现象。内观察不出两者之间存在的滞后现象。内观察不出两者之间存在的滞后现象。内观察不出两者之间存在的滞后现象。8光电发射的基本过程光电发射的基本过程 (1)(1)(1)(1)对光子的吸收对光子的吸收对光子的吸收对光子的吸收光射入物体后，物体中的电子吸收光子能光射入物体后，物体中的电子吸收光子能光射入物体后，物体中的电子吸收光子能光射入物体后，物体中的电子吸收光子能量，从基态跃迁到能量高于真空能级（真空中自由电荷的最小量，从基态跃迁到能量高于真空能级（真空中自由电荷的最小量，从基态跃迁到能量高于真空能级（真空中自由电荷的最小量，从基态跃迁到能量高于真空能级（真空中自由电荷的最小能量）的激发态；能量）的激发态；能量）的激发态；能量）的激发态；(2)(2)(2)(2)光电子向表面的运动光电子向表面的运动光电子向表面的运动光电子向表面的运动受激电子从受激地点出发向表面运受激电子从受激地点出发向表面运受激电子从受激地点出发向表面运受激电子从受激地点出发向表面运动，在此过程中因与其它电子或晶格发生碰撞而损失部分能量；动，在此过程中因与其它电子或晶格发生碰撞而损失部分能量；动，在此过程中因与其它电子或晶格发生碰撞而损失部分能量；动，在此过程中因与其它电子或晶格发生碰撞而损失部分能量；(3)(3)(3)(3)克服表面势垒逸出材料表面克服表面势垒逸出材料表面克服表面势垒逸出材料表面克服表面势垒逸出材料表面达到表面的电子，如果仍有达到表面的电子，如果仍有达到表面的电子，如果仍有达到表面的电子，如果仍有足够的能量足以克服表面势垒对电子的束缚（即逸出功）时，足够的能量足以克服表面势垒对电子的束缚（即逸出功）时，足够的能量足以克服表面势垒对电子的束缚（即逸出功）时，足够的能量足以克服表面势垒对电子的束缚（即逸出功）时，即可从表面逸出。即可从表面逸出。即可从表面逸出。即可从表面逸出。9好的光电发射材料应该具备的条件好的光电发射材料应该具备的条件好的光电发射材料应该具备的条件好的光电发射材料应该具备的条件 对光的吸收系数大对光的吸收系数大对光的吸收系数大对光的吸收系数大，以便体内有较多的电子受到激发；，以便体内有较多的电子受到激发；，以便体内有较多的电子受到激发；，以便体内有较多的电子受到激发；光电子由体内向表面运动过程中能量损失小光电子由体内向表面运动过程中能量损失小光电子由体内向表面运动过程中能量损失小光电子由体内向表面运动过程中能量损失小，使逸出深，使逸出深，使逸出深，使逸出深度大；度大；度大；度大；材料的逸出功要小材料的逸出功要小材料的逸出功要小材料的逸出功要小，使到达真空界面的电子能够比较容，使到达真空界面的电子能够比较容，使到达真空界面的电子能够比较容，使到达真空界面的电子能够比较容易地逸出；易地逸出；易地逸出；易地逸出；作为光电阴极，其材料作为光电阴极，其材料作为光电阴极，其材料作为光电阴极，其材料还要有一定的电导率还要有一定的电导率还要有一定的电导率还要有一定的电导率，以便能够，以便能够，以便能够，以便能够通过外电源来补充因光电发射所失去的电子。通过外电源来补充因光电发射所失去的电子。通过外电源来补充因光电发射所失去的电子。通过外电源来补充因光电发射所失去的电子。10金属的光电发射金属的光电发射 由于金属由于金属由于金属由于金属反射掉反射掉反射掉反射掉大部分入射的可见光（反射系数达大部分入射的可见光（反射系数达大部分入射的可见光（反射系数达大部分入射的可见光（反射系数达90%90%以上）以上）以上）以上），因此吸收效率很低。而且光电子在金属中与大量的自由电子碰，因此吸收效率很低。而且光电子在金属中与大量的自由电子碰，因此吸收效率很低。而且光电子在金属中与大量的自由电子碰，因此吸收效率很低。而且光电子在金属中与大量的自由电子碰撞，在运动中会散射损失很多能量。撞，在运动中会散射损失很多能量。撞，在运动中会散射损失很多能量。撞，在运动中会散射损失很多能量。只有很靠近表面的光电子，只有很靠近表面的光电子，只有很靠近表面的光电子，只有很靠近表面的光电子，才有可能到达表面并克服势垒逸出，即金属中光电子的逸出深度才有可能到达表面并克服势垒逸出，即金属中光电子的逸出深度才有可能到达表面并克服势垒逸出，即金属中光电子的逸出深度才有可能到达表面并克服势垒逸出，即金属中光电子的逸出深度很小，只有几个很小，只有几个很小，只有几个很小，只有几个nmnm。而且金属的逸出功大多大于而且金属的逸出功大多大于而且金属的逸出功大多大于而且金属的逸出功大多大于3eV3eV，对能量，对能量，对能量，对能量小于小于小于小于3eV3eV（410nm410nm）的可见光来说，很难产生光电发射。所）的可见光来说，很难产生光电发射。所）的可见光来说，很难产生光电发射。所）的可见光来说，很难产生光电发射。所以金属材料的光电子发射效率都很低，并且大部分金属材料的光以金属材料的光电子发射效率都很低，并且大部分金属材料的光以金属材料的光电子发射效率都很低，并且大部分金属材料的光以金属材料的光电子发射效率都很低，并且大部分金属材料的光谱响应都在紫外或者远紫外区，只有铯（谱响应都在紫外或者远紫外区，只有铯（谱响应都在紫外或者远紫外区，只有铯（谱响应都在紫外或者远紫外区，只有铯（CsCs，2eV2eV逸出功）对可逸出功）对可逸出功）对可逸出功）对可见光最灵敏，故可用于光电阴极。但纯金属铯的量子效率很低，见光最灵敏，故可用于光电阴极。但纯金属铯的量子效率很低，见光最灵敏，故可用于光电阴极。但纯金属铯的量子效率很低，见光最灵敏，故可用于光电阴极。但纯金属铯的量子效率很低，小于小于小于小于0.1%0.1%，因为在光电发射前两个阶段能量损耗太大。，因为在光电发射前两个阶段能量损耗太大。，因为在光电发射前两个阶段能量损耗太大。，因为在光电发射前两个阶段能量损耗太大。11受受激激电电子子向向真真空空界界面面迁迁移移的的几几率率随随光光吸吸收收因因子子及及有有效效逸出深度逸出深度的增加而提高。的增加而提高。对于半导体材料，其对于半导体材料，其光吸收系数光吸收系数取决于其取决于其能带结构能带结构：通通常常当当入入射射的的光光能能量量大大于于禁禁带带宽宽度度时时，其其本本征征吸吸收收系系数数很很高高，因此有效的光吸收深度约为因此有效的光吸收深度约为10-610-5cm；所所以以大大部部分分受受激激电电子子产产生生在在10100nm距距离离内内。这这个个距距离离就就是是半导体逸出深度半导体逸出深度。半导体的光电发射半导体的光电发射 12 电子逸出表面过程的分析电子逸出表面过程的分析电子逸出表面过程的分析电子逸出表面过程的分析 光光光光电电电电逸逸逸逸出出出出功功功功0（不不同同于于热热电电子子发发射射逸出功逸出功）：T=0K时时，电电子子占占据据的的最最高高能能级级是是价价带带顶顶，它它的的光光电电逸逸出出功功是是指指从从价价带带顶顶把把电电子子激激发发到到导导带带并并使使之之逸逸出出表表面面的的最最低低能能量量，也也就就是是价价带带顶顶到到真真空空能能级级之之间间的的能能量量差差。其其数数值值等等于于禁禁带带宽宽度度Eg与与电子亲和势电子亲和势EA之和。之和。红红限限：由由光光电电逸逸出出功功定定义义，可可以以确确定定本本征征半半导导体体在在绝绝对对零零度度时时的的长波阈（长波阈（红限红限）为）为0。13表面态的基本知识表面态的基本知识表面态的基本知识表面态的基本知识 表表表表面面面面态态态态：半半半半导导导导体体体体表表表表面面面面吸吸吸吸附附附附着着着着其其其其它它它它元元元元素素素素的的的的分分分分子子子子、原原原原子子子子或或或或离离离离子子子子，都都都都可可可可以以以以形形形形成成成成束束束束缚能级缚能级缚能级缚能级，构成，构成，构成，构成表面态表面态表面态表面态；表表表表面面面面态态态态形形形形成成成成的的的的能能能能带带带带（形形形形成成成成异异异异质质质质结结结结）会会会会影影影影响响响响到到到到半半半半导导导导体体体体内内内内部部部部能能能能带带带带在在在在靠靠靠靠近近近近表表表表面面面面处处处处发生弯曲。改变光电逸出功。发生弯曲。改变光电逸出功。发生弯曲。改变光电逸出功。发生弯曲。改变光电逸出功。P P P P型型型型半半半半导导导导体体体体N NN N型型型型表表表表面面面面态态态态：表表表表面面面面态态态态中中中中的的的的电电电电子子子子P P P P型型型型半半半半导导导导体体体体的的的的受受受受主主主主能能能能级级级级上上上上，以以以以建建建建立立立立费米能级的平衡。费米能级的平衡。费米能级的平衡。费米能级的平衡。在外表层形成正的空间电荷区。在外表层形成正的空间电荷区。在外表层形成正的空间电荷区。在外表层形成正的空间电荷区。附加电场使表面电位下降，附加电场使表面电位下降，附加电场使表面电位下降，附加电场使表面电位下降，表面层的能带向下弯曲。表面层的能带向下弯曲。表面层的能带向下弯曲。表面层的能带向下弯曲。有有有有效效效效地地地地减减减减小小小小了了了了导导导导带带带带底底底底与与与与真真真真空空空空能能能能级级级级之之之之间间间间的的的的能能能能量量量量差差差差。该该该该能能能能差差差差为为为为有有有有效效效效电电电电子子子子亲亲亲亲和势和势和势和势。N NN N型半导体型半导体型半导体型半导体P P P P型表面态型表面态型表面态型表面态14描述光电阴极性能的常用参数：描述光电阴极性能的常用参数：描述光电阴极性能的常用参数：描述光电阴极性能的常用参数：（1 1 1 1）光谱灵敏度（响应度）光谱灵敏度（响应度）光谱灵敏度（响应度）光谱灵敏度（响应度）（A/WA/W）；（2 2 2 2）量子效率；）量子效率；）量子效率；）量子效率；（3 3 3 3）光谱响应特性曲线；）光谱响应特性曲线；）光谱响应特性曲线；）光谱响应特性曲线；（4 4 4 4）光电灵敏度（积分灵敏度）光电灵敏度（积分灵敏度）光电灵敏度（积分灵敏度）光电灵敏度（积分灵敏度）；（；（；（；（A/lmA/lmA/lmA/lm）；）；）；）；（5 5 5 5）暗电流；（）暗电流；（）暗电流；（）暗电流；（A/cmA/cmA/cmA/cm2 2 2 2 ）常用光电阴极光谱特性曲线常用光电阴极光谱特性曲线常用光电阴极光谱特性曲线常用光电阴极光谱特性曲线 光电阴极光电阴极15S S S S 序号光阴极的主要性能序号光阴极的主要性能序号光阴极的主要性能序号光阴极的主要性能光谱响光谱响应编号应编号光电发光电发射射材料材料窗材料窗材料工作方式透工作方式透射式射式(T)反反射式射式(R)峰值响应峰值响应波长波长(nm)典型光响典型光响应度应度(A1m)在在max处处典型辐射响典型辐射响应度应度(mAW)在在max处典处典型量子效率型量子效率()在在25下下光阴极暗光阴极暗发射发射(fAcm2)S-1S-3S-4S-5S-8S-9S-10S-1lS-13S-17S-19S-20S-21S-23S-24S-25Ag-O-CsAg-O-RbCs-SbCs-SbCs-BiCs-SbAg-Bi-O-CsCs-SbCs-SbCs-SbCs-SbNa-K-Cs-SbCs-SbRb-TeK-Na-SbNa-K-Cs-Sb石灰玻璃石灰玻璃石灰玻璃石灰玻璃石灰玻璃石灰玻璃9741玻璃玻璃石灰玻璃石灰玻璃7052玻璃玻璃石灰玻璃石灰玻璃石灰玻璃石灰玻璃熔凝石英熔凝石英石灰玻璃石灰玻璃熔凝石英熔凝石英石灰玻璃石灰玻璃9741玻璃玻璃熔凝石英熔凝石英7056玻璃玻璃石灰玻璃石灰玻璃T、RRRRRTTTTRRTTTTT800420400340365480450440440490330420440240380420306.540403304070601254015030452002.81.840502.320.520564883656423.5467430.430.5312.418.20.785.35.515.713.52l24.418.86.6221.812.79000.20.30.130.370341.20.30.340.0010.0003l 实用的光阴极种类很多。通常是以其敏感的光谱范围来分类。目前，根据实用的光阴极种类很多。通常是以其敏感的光谱范围来分类。目前，根据实用的光阴极种类很多。通常是以其敏感的光谱范围来分类。目前，根据实用的光阴极种类很多。通常是以其敏感的光谱范围来分类。目前，根据国际电子工国际电子工国际电子工国际电子工业协会业协会业协会业协会标准采用标准采用标准采用标准采用S S S S系列序号来命名各种实用光阴极的光谱响应特性。系列序号来命名各种实用光阴极的光谱响应特性。系列序号来命名各种实用光阴极的光谱响应特性。系列序号来命名各种实用光阴极的光谱响应特性。161 1 1 1银氧铯银氧铯银氧铯银氧铯(Ag-O-Cs)(Ag-O-Cs)(Ag-O-Cs)(Ag-O-Cs)光阴极（光阴极（光阴极（光阴极（S S S S1 1 1 1）图图5-19 5-19 银氧铯光阴极固溶胶理论银氧铯光阴极固溶胶理论的组成结构的组成结构 银氧铯光阴极是银氧铯光阴极是银氧铯光阴极是银氧铯光阴极是1929192919291929年最先发明的一种对近红年最先发明的一种对近红年最先发明的一种对近红年最先发明的一种对近红外光敏感的实用光阴极。外光敏感的实用光阴极。外光敏感的实用光阴极。外光敏感的实用光阴极。光谱响应范围：光谱响应范围：光谱响应范围：光谱响应范围：3003003003001200nm1200nm1200nm1200nm；积分灵敏度：积分灵敏度：积分灵敏度：积分灵敏度：70A/lm70A/lm70A/lm70A/lm；两个峰值：短波峰介于两个峰值：短波峰介于两个峰值：短波峰介于两个峰值：短波峰介于300400nm300400nm300400nm300400nm之间，之间，之间，之间，长波峰位于长波峰位于长波峰位于长波峰位于800nm800nm800nm800nm附近；附近；附近；附近；量子效率：量子效率：量子效率：量子效率：5 5 5 515151515；暗暗暗暗 电电电电 流：流：流：流：910910910910-13-13-13-13A/cmA/cmA/cmA/cm2 2 2 2(310(310(310(310-12-12-12-1210101010-15-15-15-15 A/cmA/cmA/cmA/cm2 2 2 2)。机理：机理：机理：机理：（1 1 1 1）：半导体理论模型：能带局部能级）：半导体理论模型：能带局部能级）：半导体理论模型：能带局部能级）：半导体理论模型：能带局部能级（CsCsCsCs2 2 2 2O OO O）（2 2 2 2）：固溶胶理论模型：）：固溶胶理论模型：）：固溶胶理论模型：）：固溶胶理论模型：AgAgAgAg颗粒颗粒颗粒颗粒 CsCsCsCs2 2 2 2O OO OAgAgAgAg胶胶胶胶粒等。（吴全德院士）粒等。（吴全德院士）粒等。（吴全德院士）粒等。（吴全德院士）17 1936193619361936年研制出的锑铯（年研制出的锑铯（年研制出的锑铯（年研制出的锑铯（CsCsCsCs3 3 3 3SbSbSbSb）光阴极其光谱响）光阴极其光谱响）光阴极其光谱响）光阴极其光谱响应在大部分应在大部分应在大部分应在大部分可见光区和紫外区可见光区和紫外区可见光区和紫外区可见光区和紫外区，长波阈值接近，长波阈值接近，长波阈值接近，长波阈值接近650nm650nm650nm650nm。峰值光谱灵敏度处于蓝光和紫外波段，峰。峰值光谱灵敏度处于蓝光和紫外波段，峰。峰值光谱灵敏度处于蓝光和紫外波段，峰。峰值光谱灵敏度处于蓝光和紫外波段，峰值的量子效率接近值的量子效率接近值的量子效率接近值的量子效率接近20202020。根据所用的窗口材料的不。根据所用的窗口材料的不。根据所用的窗口材料的不。根据所用的窗口材料的不同而有不同的光谱特性。在同而有不同的光谱特性。在同而有不同的光谱特性。在同而有不同的光谱特性。在S S S S系列中包括系列中包括系列中包括系列中包括S-4S-4S-4S-4、S-5S-5S-5S-5、S-11S-11S-11S-11、S-13S-13S-13S-13、S-17S-17S-17S-17和和和和S-19S-19S-19S-19等多种编号。等多种编号。等多种编号。等多种编号。光谱响应范围：光谱响应范围：光谱响应范围：光谱响应范围：200200200200650nm650nm650nm650nm；积分灵敏度：积分灵敏度：积分灵敏度：积分灵敏度：110A/lm110A/lm110A/lm110A/lm；峰值响应：峰值响应：峰值响应：峰值响应：440nm440nm440nm440nm附近附近附近附近量子效率（量子效率（量子效率（量子效率（pppp）：）：）：）：20202020左右；左右；左右；左右；暗暗暗暗 电电电电 流：流：流：流：310310310310-15-15-15-15A/cmA/cmA/cmA/cm2 2 2 2。机理：机理：机理：机理：P P P P型半导体（型半导体（型半导体（型半导体（CsCsCsCs3 3 3 3SbSbSbSb）表面吸附（）表面吸附（）表面吸附（）表面吸附（CsCsCsCs）E E E Eg g g g1.6eV1.6eV1.6eV1.6eV；E E E EAffAffAffAff0.4eV0.4eV0.4eV0.4eV2 2 2 2锑铯锑铯锑铯锑铯(Sb-Cs)(Sb-Cs)(Sb-Cs)(Sb-Cs)光阴极光阴极光阴极光阴极 （S S S S11111111）图图5-20 5-20 锑铯光电阴极结构锑铯光电阴极结构1-1-玻璃衬底；玻璃衬底；2-Cs2-Cs缺陷或锑原子；缺陷或锑原子；3-3-表面表面吸附的吸附的CsCs原子原子183.3.3.3.多碱光阴极（多碱光阴极（多碱光阴极（多碱光阴极（S-20 S-20 S-20 S-20 S-25S-25S-25S-25）19551955年萨默发现：锑与一种以上的碱金属结合年萨默发现：锑与一种以上的碱金属结合可获得比单碱锑铯光阴极更高的量子效率。其中有可获得比单碱锑铯光阴极更高的量子效率。其中有双碱的双碱的(如如Sb-K-CsSb-K-Cs、Sb-Rb-Cs)Sb-Rb-Cs)，三碱的，三碱的(如如Sb-K-Na-Sb-K-Na-Cs)Cs)和四碱的和四碱的(如如Sb-K-Na-Rb-Cs)Sb-K-Na-Rb-Cs)等，统称为等，统称为多碱光阴多碱光阴多碱光阴多碱光阴极极极极。这类光阴极在可见光波段有很高的量子效率，。这类光阴极在可见光波段有很高的量子效率，其峰值量子效率接近其峰值量子效率接近3030。光谱响应范围：兰光光谱响应范围：兰光900nm900nm；积分灵敏度：积分灵敏度：400400800A/lm800A/lm；峰值响应：峰值响应：420nm420nm附近附近量子效率：量子效率：30304040；暗暗 电电 流：流：310310-16-16A/cmA/cm2 2。机理：机理：P P型半导体（型半导体（K K2 2CsSbCsSbNaNa2 2KSbKSb）CsCs3 3SbSb表面表面吸附（吸附（CsCs）E Eg g1.0eV1.0eV；E EAffAff0.55eV0.55eV图图5-22 5-22 多碱光电阴极表面结构多碱光电阴极表面结构(a)(a)无表面无表面CsCs层；层；(b)(b)有表面有表面CsCs层层194.4.4.4.负电子亲和势负电子亲和势负电子亲和势负电子亲和势(NEA)(NEA)(NEA)(NEA)光阴极光阴极光阴极光阴极 负电子亲和势光阴极理论于负电子亲和势光阴极理论于负电子亲和势光阴极理论于负电子亲和势光阴极理论于1963196319631963年提出，研究年提出，研究年提出，研究年提出，研究者用铯吸附在者用铯吸附在者用铯吸附在者用铯吸附在P P P P型型型型 GaAsGaAsGaAsGaAs表面得到了零电子亲和势，表面得到了零电子亲和势，表面得到了零电子亲和势，表面得到了零电子亲和势，其后又有人对其后又有人对其后又有人对其后又有人对GaAsGaAsGaAsGaAs表面以表面以表面以表面以CsCsCsCs和和和和O OO O2 2 2 2交替激活，得交替激活，得交替激活，得交替激活，得到了负电子亲和势，通常用缩写到了负电子亲和势，通常用缩写到了负电子亲和势，通常用缩写到了负电子亲和势，通常用缩写NEANEANEANEA来表示的负来表示的负来表示的负来表示的负电子亲和势光阴极。电子亲和势光阴极。电子亲和势光阴极。电子亲和势光阴极。光谱响应范围：兰光光谱响应范围：兰光光谱响应范围：兰光光谱响应范围：兰光1200nm1200nm1200nm1200nm；积分灵敏度：积分灵敏度：积分灵敏度：积分灵敏度：14501450145014504000A/lm4000A/lm4000A/lm4000A/lm；峰值响应：峰值响应：峰值响应：峰值响应：550nm550nm550nm550nm附近附近附近附近量子效率：量子效率：量子效率：量子效率：40404040（1060nm1060nm1060nm1060nm处可达处可达处可达处可达9 9 9 9）；）；）；）；暗暗暗暗 电电电电 流：流：流：流：10101010-16-16-16-16 10101010-17-17-17-17 A/cm A/cm A/cm A/cm2 2 2 2。机理：机理：机理：机理：（1 1 1 1）异质结理论；）异质结理论；）异质结理论；）异质结理论；（2 2 2 2）偶极层理论。）偶极层理论。）偶极层理论。）偶极层理论。GaAsGaAsGaAsGaAs的的的的 E E E Eg g g g1.4eV1.4eV1.4eV1.4eV；E E E EAffAffAffAff3.9eV3.9eV3.9eV3.9eV Cs Cs Cs Cs2 2 2 2O OO O的的的的 E E E Eg g g g2.0eV2.0eV2.0eV2.0eV；E E E EAffAffAffAff0.45eV0.45eV0.45eV0.45eVEA0图图5-23 负负电电子子亲亲和和势势光光阴阴极极制制作工艺作工艺20NEANEANEANEA光电阴极的双偶极层模型光电阴极的双偶极层模型光电阴极的双偶极层模型光电阴极的双偶极层模型(a)GaAs(a)GaAs(a)GaAs(a)GaAs的表面结构，的表面结构，的表面结构，的表面结构，(b)GaAs(b)GaAs(b)GaAs(b)GaAs的能带模型的能带模型的能带模型的能带模型21NEA光光电电阴阴极极受受激激电电子子向向表表面面迁迁移移过过程程与与正正电电子子亲亲和和势势光阴极光阴极的过程有如下不同：的过程有如下不同：一一一一般般般般正正正正电电电电子子子子亲亲亲亲和和和和势势势势光光光光阴阴阴阴极极极极中中中中只只只只有有有有过过过过热热热热电电电电子子子子迁迁迁迁移移移移到到到到表表表表面面面面才才才才能能能能形形形形成成成成光光光光电电电电发发发发射射射射，其其其其寿寿寿寿命命命命只只只只有有有有1010-14-141010-15-15s s。由由由由于于于于晶晶晶晶格格格格散散散散射射射射，所所所所能能能能行行行行进进进进的的的的距距距距离离离离只只只只有有有有101020nm20nm。而而而而负负负负电电电电子子子子亲亲亲亲和和和和势势势势光光光光阴阴阴阴极极极极中中中中全全全全部部部部受受受受激激激激电电电电子子子子都都都都可可可可以以以以参参参参与与与与光光光光电电电电发发发发射射射射。即即即即使使使使处处处处于于于于导导导导带带带带底底底底部部部部的的的的电电电电子子子子，只只只只要要要要没没没没有有有有被被被被复复复复合合合合之之之之前前前前扩扩扩扩散散散散到到到到表表表表面面面面，就就就就可可可可以以以以逸逸逸逸出出出出。其其其其寿寿寿寿命命命命可可可可达达达达1010-8-8s s数数数数量量量量级级级级，所所所所以以以以它它它它在在在在寿寿寿寿命命命命时时时时间间间间内内内内扩扩扩扩散散散散到到到到表表表表面面面面的的的的有有有有效效效效深深深深度度度度可可可可达达达达1 1 mm。因因因因此此此此NEANEA光光光光阴阴阴阴极极极极的的的的量量量量子子子子效效效效率率率率有显著提高。有显著提高。有显著提高。有显著提高。它它它它形形形形成成成成的的的的光光光光电电电电发发发发射射射射的的的的电电电电子子子子大大大大部部部部分分分分处处处处于于于于导导导导带带带带底底底底，其其其其光光光光谱谱谱谱响响响响应应应应可可可可延延延延伸伸伸伸到到到到红红红红外外外外、光光光光谱谱谱谱响应度均匀响应度均匀响应度均匀响应度均匀:正电子亲和势光电阴极的阈值波长为正电子亲和势光电阴极的阈值波长为正电子亲和势光电阴极的阈值波长为正电子亲和势光电阴极的阈值波长为而负电子亲和势光电阴极的阈值波长为而负电子亲和势光电阴极的阈值波长为而负电子亲和势光电阴极的阈值波长为而负电子亲和势光电阴极的阈值波长为出射初能量分布比较集中出射初能量分布比较集中。由由由由于于于于电电电电子子子子逸逸逸逸出出出出深深深深度度度度大大大大，光光光光电电电电子子子子的的的的出出射射角角分分布布也也比比较较集集中中，有有利利于于降降低低电电子子光光学学系统的像差。系统的像差。22负电子亲合势光电阴极的特点负电子亲合势光电阴极的特点量子效率比常规发射体高得多；量子效率比常规发射体高得多；光谱响应延伸到近红外；光谱响应延伸到近红外；光谱响应均匀；光谱响应均匀；光电子能量集中。光电子能量集中。23负电子亲和势材料的光谱响应曲线负电子亲和势材料的光谱响应曲线负电子亲和势材料的光谱响应曲线负电子亲和势材料的光谱响应曲线 24典型光阴极能级示意图典型光阴极能级示意图(a)金属；金属；(b)理想半导体；理想半导体；(c)正电子亲和势；正电子亲和势；(d)负电子亲和势负电子亲和势255.5.5.5.紫外阴极紫外阴极紫外阴极紫外阴极 对窗口材料的要求：普通玻璃不透过紫外辐射；对窗口材料的要求：普通玻璃不透过紫外辐射；对窗口材料的要求：普通玻璃不透过紫外辐射；对窗口材料的要求：普通玻璃不透过紫外辐射；为为为为抑抑抑抑制制制制背背背背景景景景辐辐辐辐射射射射的的的的干干干干扰扰扰扰，实实实实际际际际应应应应用用用用中中中中常常常常要要要要求求求求紫紫紫紫外外外外光光光光阴阴阴阴极极极极“日盲日盲日盲日盲”，即对太阳辐射没有响应。，即对太阳辐射没有响应。，即对太阳辐射没有响应。，即对太阳辐射没有响应。26光电管的原理和性能光电管的原理和性能27 光光光光电电电电管管管管是是是是依依依依据据据据光光光光电电电电发发发发射射射射效效效效应应应应而而而而工工工工作作作作的的的的一一一一种种种种光光光光电电电电探探探探测测测测器器器器。其其其其结结结结构构构构原原原原理理理理和和和和偏偏偏偏置置置置电电电电路路路路如如如如图图图图所所所所示示示示，主主主主要要要要由由由由光光光光阴阴阴阴极极极极K K K K、阳阳阳阳极极极极A A A A和和和和管管管管壳壳壳壳组组组组成成成成。如如如如果果果果管管管管壳壳壳壳内内内内是是是是真真真真空空空空状状状状态态态态，就就就就称称称称为为为为真真真真空空空空光光光光电电电电管管管管；如如如如果果果果管壳内充有增益气体，称为充气光电管。管壳内充有增益气体，称为充气光电管。管壳内充有增益气体，称为充气光电管。管壳内充有增益气体，称为充气光电管。特点：光电阴极面积大，灵敏度较高，一般积分灵敏度可达特点：光电阴极面积大，灵敏度较高，一般积分灵敏度可达特点：光电阴极面积大，灵敏度较高，一般积分灵敏度可达特点：光电阴极面积大，灵敏度较高，一般积分灵敏度可达20202020200A/lm200A/lm200A/lm200A/lm；暗电；暗电；暗电；暗电流小，最低可达流小，最低可达流小，最低可达流小，最低可达10101010-14-14-14-14A A A A；光电发射弛豫过程极短。；光电发射弛豫过程极短。；光电发射弛豫过程极短。；光电发射弛豫过程极短。缺点：真空光电管一般体积都比较大、工作电压高达百伏到数百伏、玻壳容易破缺点：真空光电管一般体积都比较大、工作电压高达百伏到数百伏、玻壳容易破缺点：真空光电管一般体积都比较大、工作电压高达百伏到数百伏、玻壳容易破缺点：真空光电管一般体积都比较大、工作电压高达百伏到数百伏、玻壳容易破碎等。碎等。碎等。碎等。28光电管的光电和伏安特性曲线光电管的光电和伏安特性曲线光电管的光电和伏安特性曲线光电管的光电和伏安特性曲线(a)(a)(a)(a)光电特性曲线；光电特性曲线；光电特性曲线；光电特性曲线；(b)(b)(b)(b)伏安特性曲线伏安特性曲线伏安特性曲线伏安特性曲线光电特性和伏安特性光电特性和伏安特性光电特性和伏安特性光电特性和伏安特性29 光光光光电电电电管管管管典典典典型型型型的的的的光光光光电电电电特特特特性性性性曲曲曲曲线线线线如如如如图图图图所所所所示示示示。图图图图中中中中曲曲曲曲线线线线1 1 1 1、2 2 2 2、3 3 3 3是是是是真真真真空空空空光光光光电电电电管管管管的的的的情情情情况况况况，而而而而曲曲曲曲线线线线4 4 4 4、5 5 5 5、6 6 6 6则则则则是是是是充充充充气气气气光光光光电电电电管管管管的的的的情情情情况况况况。不不不不论论论论哪哪哪哪一一一一种种种种情情情情况况况况，电电电电流流流流与与与与光光光光照量在一定范围内呈直线关系。照量在一定范围内呈直线关系。照量在一定范围内呈直线关系。照量在一定范围内呈直线关系。从从从从光光光光电电电电管管管管的的的的偏偏偏偏置置置置电电电电路路路路可可