第五章 真空光电器件

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1、5.1 5.1 光电阴极光电阴极工作基础：工作基础：基于外光电效应的光电探测器件基于外光电效应的光电探测器件结构特点：结构特点：有一个真空管，其它元件都放在真空管中有一个真空管，其它元件都放在真空管中分类：分类：光电管和光电倍增管光电管和光电倍增管 入射光辐射的光子能量足够大时，它和金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，出，-光电发射效应。光电发射效应。在空间电场的作用下就会形成在空间电场的作用下就会形成电流电流光电发射体光电发射体-能够产生光电发射效应的物体能够产生光电发射效应的物

2、体光电阴极光电阴极-应用中光电发射体常和电源的阴极相连，所以称为应用中光电发射体常和电源的阴极相连，所以称为光电发射效应光电发射效应-（1）光照灵敏度）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之比，也称为白光灵敏度或积分灵敏度（2）色光灵敏度）色光灵敏度当入射光波长为某一段波长范围的光时，当入射光波长为某一段波长范围的光时，光电阴极光电流与入射的光通量之比。光电阴极光电流与入射的光通量之比。通过加滤光片来实现，比如蓝光灵敏度、通过加滤光片来实现，比如蓝光灵敏度、红光灵敏度、红外灵敏度等红

3、光灵敏度、红外灵敏度等（3）光谱灵敏度）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。比。 )(N)(NQPe入射的光子数与产生的电子数之比入射的光子数与产生的电子数之比 )(N)(NQPe量子效率与光谱灵敏度之间的关系量子效率与光谱灵敏度之间的关系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室温下典型阴极每秒每平

4、方米发射的热电子可形成形成10-1610-17A/m2的电流的电流对于光电测量而言是噪声对于光电测量而言是噪声hv)(q)( Ieqhc)(S1240)(S透射型：透射型：光通过透明介质射向光电阴极，而电子从光光通过透明介质射向光电阴极，而电子从光电阴极的另一面发射出去电阴极的另一面发射出去光光电子电子反射型：反射型： 光照射到阴极上，电子从同一测射出光照射到阴极上，电子从同一测射出对阴极的厚度有要对阴极的厚度有要求求,不能太厚不能太厚光光电子电子阴极一阴极一般较厚般较厚具有良好的可见和近红外响应具有良好的可见和近红外响应透射型：透射型：3001200nm，反射型：，反射型：3001100nm

5、在可见光区域灵敏度较低，所以主要用于近红外探测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紫外和可见光区的灵敏度最高适合于测量较强的入射光适合于测量较强的入射光CsSb：锑和某一种碱金锑和某一种碱金属的化合物属的化合物锑和多种碱金属锑和多种碱金属的化合物的化合物具有高灵敏度的宽光谱响应，红具有高灵敏度的宽光谱响应，红外端可延伸到外端可延伸到930nm半导体光电阴极的光电子的逸出过程，以半导体光电阴极的光电子的逸出过程，以P型半导体为例型半导体为例V0EE 价带价带导带导带E0ECEVEgE0thE)EE(Ecog（电子亲合势）（电子亲合势）AEPN负电子亲合势负电子

6、亲合势-E EO OE EC1C1E EV1V1E EC2C2E EV2V2E EO OE EA1A1E EC1C1E EV1V1E EC2C2E EV2V2表面耗尽区表面耗尽区P PN N0负电子亲合势负电子亲合势1coAEEE加速加速特点：特点：1）量子效率高）量子效率高-因其因其逸出深度逸出深度高的多高的多2）光谱响应率均匀，且光谱响应延伸到红外）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正电子亲合势光电阴极的阈值波长为极的阈值波长为)nm(EE1240Ag0负电子亲合势光电负电子亲合势光电阴极的阈值波长为阴极的阈值波长为)nm(E1240g03）热电子发射小）热电子发射小因

7、负电子亲合势的光电材料的禁带宽度般比较宽因负电子亲合势的光电材料的禁带宽度般比较宽4）光电子的能量集中）光电子的能量集中-“日日”盲型光电阴极盲型光电阴极CsTe(长波限长波限0.32mm）CsI（长波限（长波限0.2m)目前比较常用的有目前比较常用的有5.2 5.2 光电管与光电倍增管光电管与光电倍增管阴极阴极K K阳极阳极A AI IR RL LU UoutoutU Ub b真空型真空型充气型：充气型：有有倍增作用倍增作用光电倍增管比光电管增加的电子光学系统和电子倍增极，因光电倍增管比光电管增加的电子光学系统和电子倍增极，因此极大地提高了灵敏度此极大地提高了灵敏度光电倍增管光电倍增管-是建

8、立在光电子发射效应，二次电子发射是建立在光电子发射效应，二次电子发射效率应基础上，能将微弱光信号转换成光电子并将光电子效率应基础上，能将微弱光信号转换成光电子并将光电子数目放大的真空光电发射器件。数目放大的真空光电发射器件。电子光学系统电子光学系统阴极阴极K KA A阳极阳极AU U1 1U U2 2U U5 5U U6 6U U3 3D D2 2U U4 4D D3 3D D1 1D D4 4D D5 5每一倍增极之间的电压为每一倍增极之间的电压为50-150V50-150V。每每7-107-10个光子从光电阴极发射出个光子从光电阴极发射出1-31-3个电子。个电子。电子被加速打在倍增极上，

9、每电子被加速打在倍增极上，每1 1个电子可以打出个电子可以打出3-63-6个电子。个电子。一直持续下去直到最后一个倍增极一直持续下去直到最后一个倍增极, ,电子数量达到电子数量达到10105 5-10-108 8，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。的光子数目，即正比于探测器吸收的辐射通量或照度。工作原理工作原理反射式光反射式光电阴极电阴极透射式光透射式光电阴极电阴极硼硅玻璃：硼硅玻璃：透射范围从透射范围从300nm红外红外透紫外玻璃：透紫外玻璃：可透过的

10、最短波长为可透过的最短波长为185nm，但化学稳定性，但化学稳定性较差较差-决定了入射光的透过情况决定了入射光的透过情况侧窗式侧窗式端窗式端窗式熔融石英：熔融石英：可透过的最短波长为可透过的最短波长为160nm蓝宝石：蓝宝石：可透过的最短波长为可透过的最短波长为150nmMgF2: 可透过的最短波长为可透过的最短波长为115nm是指：阴极到第一是指：阴极到第一倍增极之间的电极倍增极之间的电极空间，包括光电阴空间，包括光电阴极、聚焦极、加速极、聚焦极、加速极及第一倍增极。极及第一倍增极。作用：作用：使光电子尽可能的汇集到第一倍增集使光电子尽可能的汇集到第一倍增集上，而将热发射的杂乱电子散射掉上，

11、而将热发射的杂乱电子散射掉尽量使电子的渡越时间相同尽量使电子的渡越时间相同电子光学系统电子光学系统二次电子二次电子发射系数发射系数12NN材料吸收一次电子的能量，跃迁到高能态，脱离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穿过表面势垒区发射到真空中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发射材料氧化物型，氧化镁、氧化钡氧化物型，氧化镁、氧化钡合