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1、第三章光电探测器第三章光电探测器3.1 光电探测器的物理基础光电探测器的物理基础3.2 光电子发射探测器光电子发射探测器3.3 光电导探测器光电导探测器3.4 光伏探测器光伏探测器3.5 热电探测器热电探测器3.6 光电成像器件光电成像器件3.7 各类光电探测器的性能各类光电探测器的性能及应用比较及应用比较1光电子发射探测器光电子发射探测器真空光电器件是基于真空光电器件是基于外光电效应外光电效应的光电探测器。的光电探测器。滨淞光子滨淞光子（Hamamatsu）R3896光电倍增管光电倍增管 2真空光电器件光电管光电倍增管特点特点：灵敏度高、稳定性好、响应速度快：灵敏度高、稳定性好、响应速度快和
2、噪声小。和噪声小。缺点缺点：结构复杂，工作电压高，体积大。：结构复杂，工作电压高，体积大。3半导体的光电子发射半导体的光电子发射1.1.费米能级、真空能级、逸出功费米能级、真空能级、逸出功2.2.金属材料与半导体材料的光电子发射比较金属材料与半导体材料的光电子发射比较1 1）反射系数小，吸收系数大；）反射系数小，吸收系数大；2 2）光电子运动中能量损失小，补充容易；）光电子运动中能量损失小，补充容易；3 3）存在大量发射中心；）存在大量发射中心；4 4）逸出功小。）逸出功小。3.3.电子亲和势电子亲和势、半导体材料的逸出功（、半导体材料的逸出功（i i，n n，p p）4.4.半导体光电发射的
3、半导体光电发射的三个步骤三个步骤4光光电阴极阴极一、一、光光电阴极阴极的主要参数的主要参数1.灵敏度灵敏度光光谱灵敏度灵敏度：光：光电阴极阴极对于一定波于一定波长辐射射光的灵敏度就称光的灵敏度就称为光光谱灵敏度。灵敏度。光照灵敏度光照灵敏度：对于复合光于复合光(或称白光或称白光)的灵的灵敏度就称敏度就称为积分灵敏度分灵敏度(通常光照灵敏皮就通常光照灵敏皮就是指是指积分灵敏度分灵敏度)。5.量子效率量子效率它表示它表示一定波长一定波长的光子入射到光的光子入射到光电阴极阴极时，该阴阴极所极所发射的射的光光电子数子数Ne()与入射的与入射的光子数光子数Np()之比。也称量子之比。也称量子产额Q()。
4、3.光光谱响响应曲曲线.热电子子发射射：引起暗引起暗电流和暗噪声，从而限制探流和暗噪声，从而限制探测灵敏度。灵敏度。61.银氧氧铯(Ag-O-Cs)光光电阴极阴极峰值波长：350nm,800nm光谱响应范围约光谱响应范围约300-1000nm300-1000nm；量子效率约量子效率约；使用温度使用温度100100CC；暗电流大。暗电流大。二、二、常规光电阴极常规光电阴极72.单碱碱锑化物光化物光电阴极阴极金属金属锑与碱金属与碱金属锂、钠、钾、铷、铯中的一种化合，能形中的一种化合，能形成具有成具有稳定光定光电发射的射的发射体。射体。最常用的是最常用的是锑化化铯（CsSb），其阴极灵敏度最高，量子
5、效），其阴极灵敏度最高，量子效率率为1525，长波限波限为：600nm。广泛用于。广泛用于紫外紫外和和可可见光区光区的光的光电探探测器中。器中。3.多碱多碱锑化物光化物光电阴极阴极当当锑和几种碱金属形成化合物和几种碱金属形成化合物时，具有更高的响，具有更高的响应率。率。长波限可达波限可达930nm，扩展到近展到近红外外。84.紫外光紫外光电阴极阴极通常来通常来说对可可见光灵敏的光光灵敏的光电阴极阴极对紫外光也有紫外光也有较高的量子效率。有高的量子效率。有时，为了消除背景了消除背景辐射的影响，要射的影响，要求光求光电阴极只阴极只对所探所探测的紫外的紫外辐射信号灵敏，而射信号灵敏，而对可可见光无响
6、光无响应。紫外光紫外光电阴极阴极碲化碲化铯(CsTe,320nm，峰，峰值波波长250nm，量子效率：，量子效率：)碘化碘化铯(CsI,200nm，峰，峰值波波长120nm，量子效率：，量子效率：20)9三、三、负电子子亲和和势光光电阴极阴极常常规的光的光电阴极属于阴极属于正正电子子亲和和势(PEA)类型，型，即表面的真空能即表面的真空能级位于位于导带之上。之上。如果如果给半半导体的表面作特殊体的表面作特殊处理，使表面区域能理，使表面区域能带弯曲，真空能弯曲，真空能级降低到降低到导带之下，从而使有效的之下，从而使有效的电子子亲和和势为负值，经过特殊特殊处理的阴极称作理的阴极称作负电子子亲和和势
7、光光电阴极阴极(NEA)。10EA1Eg1Eg2EA2Ev1Ec1E0Ec2Ev2SiCs2O对于于P型型Si的的发射射阈值是是Ed1=EA1+Eg1,电子子进入入导带后需要克服后需要克服亲和和势EA1才能逸出表面。由于表才能逸出表面。由于表面存在面存在n型薄型薄层，使耗尽区的，使耗尽区的电位下降，表面位下降，表面电位降低位降低Ed。光。光电子在表面受到耗尽区子在表面受到耗尽区电场的作用。的作用。1.1.原理原理11Ev1EC1EfEAeE0EdEA2Ev2+-Si-CsO2光光电阴极：在阴极：在p型型Si基上涂一基上涂一层金属金属Cs，经过特特殊殊处理而形成理而形成n型型Cs2O。在交界区形
8、成耗尽在交界区形成耗尽层，耗尽，耗尽区的区的电位下降位下降Ed,造成能造成能带弯弯曲。曲。从从Si的的导带底部漂移到表面底部漂移到表面Cs2O的的导带底部。此底部。此时，电子只需克服子只需克服EA2就能逸出表面。就能逸出表面。对于于P型型Si的光的光电子需子需克服的有效克服的有效亲和和势为EAe=EA2-Ed由于能由于能级弯曲，使弯曲，使EdEA2,这样就形成了就形成了负电子子亲和和势。122.与正与正电子子亲和和势阴极的阴极的区区别1）参与）参与发射的射的电子是子是导带的的热化化电子，或子，或称称为“冷冷”电子；子；）NEA阴极中阴极中导带的的电子逸入真空不需子逸入真空不需作功。作功。133
9、.特点特点1）高吸收，低反射性）高吸收，低反射性质；2）高量子效率，）高量子效率，50%60%,长波到达波到达9%;3）光）光谱响响应可以达到可以达到1m以上；以上；4）冷）冷电电子子发发射光射光谱谱能量分布能量分布较较集中，接近高斯分布集中，接近高斯分布5）光）光谱谱响响应应平坦；平坦；6）暗）暗电电流小；流小；7）在可）在可见见、红红外区，能外区，能获获得高响得高响应应度；度；8）工）工艺艺复复杂杂，售价昂，售价昂贵贵。143.2.2 3.2.2 光电管与光电倍增管的工作原理光电管与光电倍增管的工作原理一、真空光电管一、真空光电管1、结构与工作原理结构与工作原理真空光电管由玻壳、光电阴极和
10、阳极三部分组成。15光电阴极光电阴极即半导体光电发射材料，涂于玻壳内壁，受光照时，可向外发射光电子。阳极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。2.2.特点特点：光电阴极面积大，：光电阴极面积大，灵敏度较高灵敏度较高，一般，一般积分灵敏度可达积分灵敏度可达20200A/lm；暗电流小暗电流小，最，最低可达低可达10-14A；光电发射弛豫过程极短。；光电发射弛豫过程极短。3.3.缺点缺点：真空光电管一般体积都比较大、工作：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、玻壳容易破碎等电压高达百伏到数百伏、玻壳容易破碎等16国产光电管的技术参数国
11、产光电管的技术参数17光电管实物光电管实物18二、光电倍增管1.光电倍增管组成光电倍增管组成光电倍增管由光电倍增管由光窗光窗、光电阴极光电阴极、电子光学系统电子光学系统、电子电子倍增系统倍增系统和和阳极阳极五个主要部分组成。五个主要部分组成。19202.工作原理工作原理入入入入射射射射光光光光阴极阴极阴极阴极KK第第第第一一一一倍倍倍倍增增增增极极极极第第第第二二二二倍倍倍倍增增增增极极极极第第第第三三三三倍倍倍倍增增增增极极极极第第第第四四四四倍倍倍倍增增增增极极极极阳极阳极阳极阳极A A211）光子透）光子透过入射窗口入射窗口入射在光入射在光电阴极上阴极上;2）光）光电阴极上的阴极上的电子
12、受光子激子受光子激发，离开表面，离开表面发射射到到真空中真空中;3）光）光电子通子通过电场加速和加速和电子光学系子光学系统聚焦入射到聚焦入射到第一倍增第一倍增级上，倍增上，倍增级将将发射出比入射射出比入射电子数目更多子数目更多的的二次二次电子子。入射。入射电子子经N级倍增极倍增后，光倍增极倍增后，光电子子就放大就放大N次；次；4）经过倍增后的二次倍增后的二次电子由子由阳极收集阳极收集，形成，形成阳极光阳极光电流流。2223243.光光电阴极阴极结构和入射窗口构和入射窗口25硼硅玻璃（无钾玻璃）硼硅玻璃（无钾玻璃）这是一种常用的玻璃材料，可以这是一种常用的玻璃材料，可以透过从近红外至透过从近红外
13、至300nm的入射光，但的入射光，但不适合于紫外区不适合于紫外区的探测。无钾玻璃中只有的探测。无钾玻璃中只有极低含量的钾，其中的极低含量的钾，其中的K40会造成暗计数。所以通常用会造成暗计数。所以通常用于闪烁计数的光电倍增管不仅入射窗，而且玻璃侧管也于闪烁计数的光电倍增管不仅入射窗，而且玻璃侧管也使用无钾玻璃，就是为了降低暗计数使用无钾玻璃，就是为了降低暗计数 透紫玻璃（透紫玻璃（UVUV玻璃）玻璃）这种玻璃材料就象其名字所表达的那样，可以很好地透这种玻璃材料就象其名字所表达的那样，可以很好地透过紫外光，和硼硅玻璃一样被广泛使用。分光应用领域过紫外光，和硼硅玻璃一样被广泛使用。分光应用领域一般
14、都要求用透紫玻璃，其一般都要求用透紫玻璃，其截止波长可接近截止波长可接近185nm。窗口材料窗口材料26合成石英合成石英合成石英可以将透过的合成石英可以将透过的紫外光波长延伸至紫外光波长延伸至160nm，并且在，并且在紫外区比熔融石英玻璃有更低的吸收。合成石英材料的膨紫外区比熔融石英玻璃有更低的吸收。合成石英材料的膨胀系数与芯柱用玻璃的膨胀系数有很大差别，所以，用热胀系数与芯柱用玻璃的膨胀系数有很大差别，所以，用热膨胀系数渐变的封接材料与合成石英逐渐过渡。因此，此膨胀系数渐变的封接材料与合成石英逐渐过渡。因此，此类光电倍增管的强度易受外界震动的破坏，使用中要采取类光电倍增管的强度易受外界震动的
15、破坏，使用中要采取足够的保护措施。足够的保护措施。氟化镁（镁氟化物）氟化镁（镁氟化物）该材料具有极好的紫外线透过性，但同时也有易潮解的不该材料具有极好的紫外线透过性，但同时也有易潮解的不利因素。尽管如此，氟化镁仍以其利因素。尽管如此，氟化镁仍以其接近接近115nm的紫外透过的紫外透过能力而成为一种实用的光窗材料。能力而成为一种实用的光窗材料。274.4.电子光学系统电子光学系统作用是适当设计的作用是适当设计的电极结构电极结构，使前一级发射出来的电子，使前一级发射出来的电子尽可能没有散失地落到下一个倍增极上，也就是使下一尽可能没有散失地落到下一个倍增极上，也就是使下一级的级的收集率接近于收集率接
16、近于1 1；并使前一级各部分发射出来的电；并使前一级各部分发射出来的电子，落到后一级上所经历的时间尽可能相同，即子，落到后一级上所经历的时间尽可能相同，即渡越时渡越时间零散最小间零散最小。285.电子倍增极子倍增极1）二次）二次电子子发射射：具有足：具有足够动能的能的电子子轰击某些材料某些材料时，材料表面将材料表面将发射新的射新的电子。子。2）二次）二次发射系数射系数：二次：二次发射的射的电子数子数N2与入射的一次与入射的一次电子数子数N1的比的比值。3 3）常用的倍增极材料常用的倍增极材料：锑化铯、氧化银镁合金、铜铍合金锑化铯、氧化银镁合金、铜铍合金294）倍增倍增级结构构园型鼠笼型园型鼠笼
17、型主要应用于主要应用于侧窗型侧窗型光电倍增管。其主要特点光电倍增管。其主要特点为为紧凑的结构紧凑的结构和和快速时间响应特性快速时间响应特性。30直线聚焦型直线聚焦型直线聚焦型因其直线聚焦型因其极快的时间响应极快的时间响应而被广泛地应用于要而被广泛地应用于要求时间分辨和线性脉冲研究用的求时间分辨和线性脉冲研究用的端窗型端窗型光电倍增管中。光电倍增管中。31盒网型盒网型这种结构包括了一系列的四分之一圆柱形这种结构包括了一系列的四分之一圆柱形的倍增极，并因其相对简单的倍增极结构和一致性的的倍增极，并因其相对简单的倍增极结构和一致性的改良而被广泛地应用于改良而被广泛地应用于端窗型端窗型光电倍增管，但在
18、一些光电倍增管，但在一些应用中，其应用中，其时间响应可能略显缓慢时间响应可能略显缓慢。32百叶窗型百叶窗型百叶窗型结构因倍增极可以较大而被用于百叶窗型结构因倍增极可以较大而被用于大阴极大阴极的光的光电倍增管中，其一致性较好，可以有大的脉冲输出电电倍增管中，其一致性较好，可以有大的脉冲输出电流。这种结构多用于流。这种结构多用于不太要求时间响应不太要求时间响应的场合。的场合。33微通道板（微通道板（MCPMCP）型型MCP是上百万的微小玻璃管（通道）彼此平行地集成为是上百万的微小玻璃管（通道）彼此平行地集成为薄形盘片状而形成。每个通道都是一个独立的电子倍增薄形盘片状而形成。每个通道都是一个独立的电子倍增器。器。MCP比任何分离电极倍增极结构具有比任何分离电极倍增极结构具有超快的时间响超快的时间响应应，并且当采用多阳极输出结构时，在磁场中仍具有，并且当采用多阳极输出结构时，在磁场中仍具有良良好的一致性和二维探测能力好的一致性和二维探测能力。346.阳极阳极阳极作用是接收从末阳极作用是接收从末级倍增极倍增极发射出的二次射出的二次电子，通子，通过引引线向外向外输出出电流。流。对于阳极的于阳极的结构构要求具有要求具有较高的高的电子收集率子收集率，能承受能承受较大的大的电流密度流密度，并且在阳极附近的空，并且在阳极附近的空间不至于不至于产生空生空间电荷效荷效应。35