第05章光电子发射探测器（zm2014秋）

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1、光电探测与信号处理第5章光电子发射探测器(PE-PhotoEmission)光学与电子信息学院赵茗副教授zhaoming@hust.edu.cn光子探测器输出光电流光电导探测器：M可以大于1e光电三极管：M~102eηIM=Φp03hv雪崩光电二极管：MM10~10？？？？M~106光电子发射探测器Photoemissivedetector,简称PE探测器－－也称为真空光电器件光电管：被半导体光电器件取代光电倍增管：极高灵敏度～106快速响应～pS应用：微弱光信号、快速脉冲弱光信号光电探测与信号处理•5.1光电阴极•5.2光电管

2、和光电倍增管的结构原理•5.3光电倍增管的主要特性参数•5.4光电倍增管的工作电路及应用具有外光电效应的材料－－光电子发射体光电子发射探测器中的光电子发射体－－又称为光电阴极光电阴极是完成光电转换的重要部件，其性能好坏直接影响整个光电发射器件的性能！！！按材料金属：半导体：反射系数大、吸收系数小、光吸收系数大得多，散射能碰撞损失能量大、逸出功量损失小，量子效率比金属大－－适应对紫外灵敏的大得多－－光谱响应：可见光电探测器。光和近红外波段。广泛用作光电阴极按机理常规光电阴极E>0A负电子亲和势阴极EA<01.常规光电阴极（1）银氧

3、铯与铋银氧铯光电阴极银氧铯(Ag-O-Cs)阴极特点：•近红外辐射（300～1200nm）灵敏，峰值为350nm350nm和800nm800nm•量子效率不高，峰值处约0.5%～1%左右。铋银氧铯(Bi(Bi-Ag-O-C)Cs)阴极特点：•可见光谱内有较均匀响应•量子效率可达5％以上，（2）单碱与多碱锑化物光阴极单碱阴极特点：•金属锑与碱金属化合，常用锑化铯(CsSb)3•量子效率达20%～30%左右•紫外可见光谱响应多碱阴极特点：•两种或三种碱金属与锑化合，锑钾钠（NaKSb），锑铯钾（KCsSb）22•量子效率可达30％以

4、上•紫外可见光谱响应（稍宽）（3）紫外光电阴极——“日盲”（solarblind）型光电阴极•光谱响应范围100—300nm左右•碲化铯(CsTe)－－长波限为0.32μm•碘化铯(Csl)－－长波限为0.2μm。军事应用举例碲化铯(CsTe)中紫外（0.2~0.3μm）近紫外（0.3~0.4μm）完全吸收－“日盲”区透过最多，均匀分布“窗口”区军事攻击目标军事攻击目标挡住太阳紫〔如飞机的尾焰)的外光，形成“暗点”在紫外辐射强均匀的紫外光背景之上“日盲”型光电阴极近紫外光电阴极美国紫外导弹告警系统AN/AAR-54对敌方对空导弹

5、羽烟的紫外辐射进行探测（4）负电子亲和势光电阴极半导体材料发射阈值——NegativeElectronAffinity，NEA电子亲亲势和势EA真空能级与导带底能级之差称为电子亲和势E0（1）导带底的电子的光电发射阈值E为EthAEcEth=EA（2）价带顶的电子的光电发射阈值E为thEE=E+EvthgA常规光电阴极：正电子亲和势(PEA)类型——表面真空能级位于导带之上特殊光电阴极：负电子亲和势(NEA)类型——表面真空能级位于导带之下NEA的最大优点：－－量子效率比常规发射体高得多冷电子－－能能恰等量恰好等于导带带光电发射

6、过程分析：底的电子−9−8寿命10～10s吸收光子能量损失价带上电子热电子冷电子（导带底以上）（导带底）−14−12寿命10～10s热电子－－受激电子能量超过容易逸出导带底的电子特点冷电子发射•量子效率高，大于50%~60%；•光谱响应可达1µm以上；•能量分布比较集中，光谱比较平坦；•暗电流小；•工艺复杂，售价昂贵。常规阴极：20～200μA/lm光电探测与信号处理•5.1光电阴极•5.2光电管和光电倍增管的结构原理•5.3光电倍增管的主要特性参数•5.4光电倍增管的工作电路及应用5.2光电管和光电倍增管的结构原理5.2.1光

7、电管5225.2.2光电倍增管1、结构光电管由光窗、光电阴极和阳极三部分组成。•阴极为半导体光电发射材料，涂于玻壳内壁，•阳极是金属环或金属网，置于光电阴极的对面，加正的高电压，用来收集从阴极发射出来的电子。2、分类和工作原理•真空型光电管•充气型光电管—充入低气压惰性气体或充气3、特点优点：•光电阴极面积大，积分灵敏度可达20～200μA/lm；•暗电流小，最低可达10-14A；•光电发射弛豫过程极短目前基前已基本本缺点：被半导体光•体积较大；电器件代替•工作电压高达百伏到数百伏；•玻壳易碎，保存使用不便5.2光电管和光电倍增

8、管的结构原理5.2.1光电管5225.2.2光电倍增管（PMT：Photomultipliertube）光电倍增管主要结构和原理：•光窗•光电阴极•电子光学系统•倍增系统•阳极（1）光子透过入射窗口入射在光电阴极上;（2）光电阴极上的电子受光子激发，离开表面发射