光电检测中的光电探测器-光电子发射器

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1、光电检测技术Ch4光电检测中常用的光电探测器—光电子发射器件吕勇lvyong222@yahoo.cn光电子发射探测器光电发射效应；光电子发射材料；光电管；光电倍增管；微通道板型光电倍增管；像管。光电发射探测器＿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。实验装置阴极C、阳极P，密封在真空管内。两极之间加有可变电压，用来加速或阻挡释放出来的电子。光通过石英小窗照射在电极C上，在光的作用下，电子从电极C逸出，并受电场加速形成光电流。实验规律：（1）饱和电流；（2）阈值频率。光电效应的两个实验规律1．饱和电流（斯托列托夫定律）当

2、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Ik（即单位时间内发射的光电子数目）与入射光通量Φ成正比：Ik=SkΦIk为阴极光电流，Φ为入射光通量，Sk为阴极对入射光的灵敏度。IV-VgΦ1Φ22．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入射光的频率成正比，而与入射光强度无关：Emax=(1/2)mυ02max=eVg=hvhv0=hvWφEmax为光电子的最大初动能，υmax为相应的电子最大初速度，m为电子质量，h为普朗克常数，Wφ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eV，是与材料性质有关的常数，也称为功函数。V-Vg1-V

3、g2-Vg3ΦI3截止频率和红限波长vVgv0红限表示长波或低频。频率越高，Vg越大;频率与Vg成线性关系；频率低于某值时，Vg减小到0。4驰豫时间当入射光束照射在光电阴极上时,无论光强怎样微弱,几乎在开始照射的同时就产生了光电子,驰豫时间最多不超过1纳秒。光的照射和光电子的释放几乎是同时的，在测量的精度范围内观察不出两者之间存在的滞后现象。光电发射的基本过程(1)对光子的吸收光射入物体后，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能量）的激发态；(2)光电子向表面的运动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

4、；(3)克服表面势垒逸出材料表面达到表面的电子，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，即可从表面逸出。好的光电发射材料应该具备的条件①对光的吸收系数大，以便体内有较多的电子受到激发；②光电子由体内向表面运动过程中能量损失小，使逸出深度大；③材料的逸出功要小，使到达真空界面的电子能够比较容易地逸出；④作为光电阴极，其材料还要有一定的电导率，以便能够通过外电源来补充因光电发射所失去的电子。金属的光电发射由于金属反射掉大部分入射的可见光（反射系数达90%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，

5、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nm。而且金属的逸出功大多大于3eV，对能量小于3eV（λ>410nm）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谱响应都在紫外或者远紫外区，只有铯（Cs，2eV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，小于0.1%，因为在光电发射前两个阶段能量损耗太大。受激电子向真空界面迁移的几率随光吸收因子及有效逸出深度的增加而提高。对于半导体材料，其光吸收系数取决于其能带结构：通常当入射的光能量大于禁带宽度时，其本征吸收系数很高，因此有效的光吸收深度约为1

6、0-6~10-5cm；所以大部分受激电子产生在10~100nm距离内。这个距离就是半导体逸出深度。半导体的光电发射电子逸出表面过程的分析光电逸出功Φ0（不同于热电子发射逸出功Φ）：T=0K时，电子占据的最高能级是价带顶，它的光电逸出功是指从价带顶把电子激发到导带并使之逸出表面的最低能量，也就是价带顶到真空能级之间的能量差。其数值等于禁带宽度Eg与电子亲和势EA之和。红限：由光电逸出功定义，可以确定本征半导体在绝对零度时的长波阈（红限）为λ0。表面态的基本知识表面态：半导体表面吸附着其它元素的分子、原子或离子，都可以形成束缚能级，构成表面态；表面态形成的能带（形成异质结）会影响到半导体内部

7、能带在靠近表面处发生弯曲。－改变光电逸出功。P型半导体N型表面态：表面态中的电子→P型半导体的受主能级上，以建立费米能级的平衡。在外表层形成正的空间电荷区。附加电场使表面电位下降，表面层的能带向下弯曲。有效地减小了导带底与真空能级之间的能量差。该能差为有效电子亲和势。N型半导体P型表面态描述光电阴极性能的常用参数：（1）光谱灵敏度（响应度）（A/W）；（2）量子效率；（3）光谱响应特性曲线；（4）光电灵敏度（积分灵敏度）；（μA/l