第二章光电探测器2课件

2.4 光电探测器光电探测器凡是能把光辐射量转换成另一类便于测量的物理量的器件，都叫光探测器。光电检测器件是把光通量转换成电信号的器件。光电检测器件分为两大类:光子(光电子)检测器件热电检测器件一、光电检测器件的类型一、光电检测器件的类型光电检测器件光电检测器件光子器件光子器件热电器件热电器件真空器件真空器件固体器件固体器件光电管光电管光电倍增管光电倍增管真空摄像管真空摄像管变像管变像管像增强管像增强管光敏电阻光敏电阻光电池光电池光电二极管光电二极管光电三极管光电三极管雪崩光电管雪崩光电管电荷耦合器件电荷耦合器件CCDCCD热电偶热电偶/热电堆热电堆热辐射计热辐射计/热敏热敏电阻电阻热释电探测器热释电探测器二、光电检测器件的特点二、光电检测器件的特点光子器件光子器件热电器件热电器件响应波长有选择性，一般有响应波长有选择性，一般有截止波长，超截止波长，超过该波长，过该波长，器件无响应。器件无响应。响应波长无选择性，对可见响应波长无选择性，对可见光到远红外的各种波长的辐光到远红外的各种波长的辐射同样敏感射同样敏感响应快，吸收辐射产生信号响应快，吸收辐射产生信号需要的时间短，需要的时间短，一般为纳一般为纳秒到几百微秒秒到几百微秒响应慢，一般为几毫秒响应慢，一般为几毫秒光电子发射探测器光电阴极，光电倍增管光电导探测器碲镉汞光电导探测器，InSb，Pbs光伏探测器PIN光电二极管，雪崩光电二极管（APD）固体摄像器件线阵、面阵国内从事光电探测研究的单位北京半导体所重庆光电所上海光机所中国电子科技集团11所、13所兵器211所邮科院2.4.1光电子发射探测器光电倍增管具有较高的内增益，对单光子的能量测量比较灵敏，在探测极微弱、变化极快光辐射仍有广泛应用光电子发射效应金属，最早从金属发现半导体，具有良好的光电子发射性能金属反射掉大部分入射的可见光（反射系数达金属反射掉大部分入射的可见光（反射系数达90%90%以上），吸收效率很低；以上），吸收效率很低；光电子与金属中大量的自由电子碰撞，在运动中丧光电子与金属中大量的自由电子碰撞，在运动中丧失很多能量。只有很靠近表面的光电子，才有可能失很多能量。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，即金属中光电子到达表面并克服势垒逸出，即金属中光电子逸出深逸出深度度很浅，只有几很浅，只有几nmnm；金属逸出功大多为大于金属逸出功大多为大于3eV3eV，对能量小于，对能量小于3eV3eV（410nm410nm）的可见光来说，很难产生光电发）的可见光来说，很难产生光电发射，只有铯（射，只有铯（2eV2eV逸出功）对可见光最灵敏，故可逸出功）对可见光最灵敏，故可用于光阴极。但纯金属铯量子效率很低，小于用于光阴极。但纯金属铯量子效率很低，小于0.1%0.1%，在光电发射前两个阶段能量损耗太大。，在光电发射前两个阶段能量损耗太大。1)1)吸收光电子。吸收光电子。当吸收的光子能量大于当吸收的光子能量大于E EA A时激发的电子时激发的电子才有可能逸出表面，而低于才有可能逸出表面，而低于E EA A的那些电子则成为导带中的的那些电子则成为导带中的非平衡电子，对光电导有贡献。非平衡电子，对光电导有贡献。半半导体的光电子发射过程：导体的光电子发射过程：本征发射、杂质发射、本征发射、杂质发射、自由载流子发射自由载流子发射2)2)光电子向表面运动。光电子向表面运动。受激电子从受激地点出发，在受激电子从受激地点出发，在向表面运动过程中免不了要同其它电子或晶格发生碰撞，向表面运动过程中免不了要同其它电子或晶格发生碰撞，而失去一部分能量。而失去一部分能量。3)3)克服表面势能逸出。克服表面势能逸出。达到表面的电子，如果仍有足达到表面的电子，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，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。(a)(a)本征半导体本征半导体本征半导体本征半导体T=0KT=0K时，本征半导体中电子占据的最高能级是价带顶，因时，本征半导体中电子占据的最高能级是价带顶，因此，电子从价带顶跃迁到导带所需的最小能量为：此，电子从价带顶跃迁到导带所需的最小能量为：逸出功：逸出功：逸出功：逸出功：逸出功逸出功(b)N(b)N型半导体型半导体(a)(a)本征半导体本征半导体 半导体的光电逸出功由两部分组成：半导体的光电逸出功由两部分组成：一一部部分分是是电电子子从从发发射射中中心心激激发发到到导导带带所所需需的最低能量；的最低能量；另另一一部部分分是是电电子子从从导导带带底底逸逸出出所所需需的的最最低低能量（即电子亲和势）。能量（即电子亲和势）。对半导体材料，体内光电子发射来源于对半导体材料，体内光电子发射来源于价带价带EV附近，附近，因此表面处的光电发射阈值因此表面处的光电发射阈值E为：为：EvEFEcEAeEgE0(b)理想半导体理想半导体E 电子亲和势：电子亲和势：真空能级与导带底之差真空能级与导带底之差电子亲和势：电子亲和势：导带底上的电子向真空逸出时所需的最低导带底上的电子向真空逸出时所需的最低能量能量，数值上等于真空能级（真空中静止电子能量），数值上等于真空能级（真空中静止电子能量）E0与导带底能级与导带底能级Ec之差。它有之差。它有表面电子亲和势表面电子亲和势Ea与与体内电体内电子亲和势子亲和势Eae之分。之分。Ea是材料的参量，与掺杂、表面能带是材料的参量，与掺杂、表面能带弯曲等因素无关。而弯曲等因素无关。而Eae不是材料参量，可随表面能带弯不是材料参量，可随表面能带弯曲变化。曲变化。电电子子亲亲和和势势 半导体光电逸出参量：半导体光电逸出参量：我们通常所说的电子亲合势就是指的我们通常所说的电子亲合势就是指的EAe，半导体材料的光电发射阈值变为：半导体材料的光电发射阈值变为：实际的半导体能级，在半导体表面附近要发生弯曲，这实际的半导体能级，在半导体表面附近要发生弯曲，这时时EA定义为定义为E0与表面处导带底与表面处导带底EC之差。之差。考虑到导带在表面处的弯曲量用考虑到导带在表面处的弯曲量用E 表示，于是体内光电表示，于是体内光电子的子的有效电子亲合势有效电子亲合势变为：变为：由于由于E的量值可以人为控制，的量值可以人为控制，EAe值可以值可以人为地加以改变。人为地加以改变。如果如果EAe0，就称为，就称为正电子亲和势光阴极正电子亲和势光阴极，亦称，亦称经典光阴极经典光阴极，目，目前广泛用的光阴极就属此类。前广泛用的光阴极就属此类。Eg正电子亲和势正电子亲和势EAeECEFEvE0EEEAeECEVEAeEDEAjEE0EEF（a a）正电子亲和势）正电子亲和势EFEECVEAjEE0e（b）负电子亲和势负电子亲和势正电子亲和势：正电子亲和势：表面真表面真空能级位于导带底之上空能级位于导带底之上负电子亲和势：负电子亲和势：表面特殊表面特殊处理后表面区域能带弯曲，处理后表面区域能带弯曲，真空能级降至导带底之下，真空能级降至导带底之下，有效电子亲和势为负值。有效电子亲和势为负值。半导体材料光阴极又分为半导体材料光阴极又分为正电子亲和势正电子亲和势(PEA，亦称经典光阴极亦称经典光阴极)和和负电负电子亲和势子亲和势(NEA阴极阴极)两种类型。两种类型。NEA光阴极是光阴极是当前性能最好的光阴极。当前性能最好的光阴极。如果如果EAe0，即真空能级降至导带之下，就出现一种非常有即真空能级降至导带之下，就出现一种非常有利的光电子发射条件，只要激发导带中的光电子，因为没有利的光电子发射条件，只要激发导带中的光电子，因为没有表面势垒的阻挡，所以都能有效地逸出表面。表面势垒的阻挡，所以都能有效地逸出表面。EFEECVjEE0e负电子亲和势负电子亲和势EAeEA这就是这就是NEA光阴极的基光阴极的基本原本原理理 1.1.光阴极表面对光辐射的反射小而吸收大，以便光阴极表面对光辐射的反射小而吸收大，以便体内有较多的电子受到激发；体内有较多的电子受到激发；一一 光电阴极光电阴极良良好的光阴极材料的标准：好的光阴极材料的标准：2.2.受激电子最好是发生在表面附近，这样向表面受激电子最好是发生在表面附近，这样向表面运动过程中损失的能量少；运动过程中损失的能量少；3.3.材料的逸出功要小（光阴极表面势垒低），使材料的逸出功要小（光阴极表面势垒低），使到达真空界面的电子能够比较容易地逸出；到达真空界面的电子能够比较容易地逸出；半导体材料与金属相比，对光辐射的吸半导体材料与金属相比，对光辐射的吸收率大，内部能量散射损失小，表面势垒又收率大，内部能量散射损失小，表面势垒又可以人为控制，因而采用半导体材料作光阴可以人为控制，因而采用半导体材料作光阴极获得了广泛应用。极获得了广泛应用。19341934年研制的第一支红外变象管就采用这种阴极。年研制的第一支红外变象管就采用这种阴极。它它是是红红外外波波段段唯唯一一可可用用的的经经典典光光电电发发射射材材料料，长长波波限可达限可达1.21.2um但是但是量子效率极低，暗电流大量子效率极低，暗电流大；常用的光电发射材常用的光电发射材料料1、银氧铯（、银氧铯（AgOCs)阴极阴极*碱碱金金属属与与锑锑（Sb）、铅铅（Pb）、铋铋（Bi）、铊铊（Tl）等等生生成成的的金金属属化化合合物物具具有有极极其其宝宝贵贵的的光光电电发发射射性性能能，其其中中，锑铯锑铯(CsSb)阴极广泛用于紫外和可见光区的光电探测器中。阴极广泛用于紫外和可见光区的光电探测器中。*量量子子效效率率高高:在在蓝蓝光光区区峰峰值值量量子子效效率率可可达达30%，比比Ag-O-Cs高高30倍。倍。*在在可可见见区区，积积分分响响应应度度达达70-150uA/lm;长长波波限限为为0.7um左右，可延伸；对红光、红外不灵敏。左右，可延伸；对红光、红外不灵敏。单碱锑化物光电阴极单碱锑化物光电阴极锑化物光电阴极光谱响应曲线锑化物光电阴极光谱响应曲线SbKCsCsSbNaKSbCs.1001001010.70.9l lm mm S(l l)(mA/W)0.30.5当锑和几种碱金属形成化合物时，具当锑和几种碱金属形成化合物时，具有较高的响应度（其中碱分为：有较高的响应度（其中碱分为：双碱、三双碱、三碱、四碱碱、四碱等，统称多碱）等，统称多碱）多碱光电阴极多碱光电阴极锑钾钠（锑钾钠（NaKSb）响应度响应度50100uA/lm,在在0.4um处，处，量子效率为量子效率为25%,其典型光照灵敏度可达其典型光照灵敏度可达50A/lm。耐高温。耐高温（175左右）而一般含铯阴极的工作温度不能超过左右）而一般含铯阴极的工作温度不能超过60，因此锑钾钠阴极可用于石油勘探等特殊场合。，因此锑钾钠阴极可用于石油勘探等特殊场合。锑钾钠铯（锑钾钠铯（NaKSbCs）峰值响应波长峰值响应波长0.42um，响应，响应度度150uA/lm，长波限为，长波限为0.85um。在较宽的光谱区具有较高。在较宽的光谱区具有较高的量子效率。具有高稳定性、疲劳效应小，运用广泛。的量子效率。具有高稳定性、疲劳效应小，运用广泛。近几年，经过特殊处理的近几年，经过特殊处理的NaKSbCs阴极，其光谱响应的长阴极，其光谱响应的长波限可扩展到波限可扩展到930nm，峰值波长也从，峰值波长也从0.42nm延伸至延伸至0.6nm，光照灵敏度提高到光照灵敏度提高到400A/lm。负电子亲和势光电阴极负电子亲和势光电阴极 E前面讨论的常规光电阴极都属于正电子亲和势前面讨论的常规光电阴极都属于正电子亲和势(PEA)类型，表面的真空能级位于导带之上。类型，表面的真空能级位于导带之上。但如果给半导体的表面作特殊处理使表面区但如果给半导体的表面作特殊处理使表面区域能带弯曲，真空能级降到导带之下，从而使有域能带弯曲，真空能级降到导带之下，从而使有效的电子亲和势为负值，经这种特殊处理的阴极效的电子亲和势为负值，经这种特殊处理的阴极称作称作负电子亲和势光电阴极负电子亲和势光电阴极(NEA)。Si-Cs2O是在是在p型型Si的基质材料上涂一层极薄的金属的基质材料上涂一层极薄的金属Cs，经特，经特殊处理而形成殊处理而形成n型型Cs2O。表面为表面为n型的材料有丰富的自由电子，型的材料有丰富的自由电子，p型基底材料有丰富的型基底材料有丰富的空穴，相互扩散形成表面电荷局部耗尽。空穴，相互扩散形成表面电荷局部耗尽。与与p-n结情况类似，耗尽区的电位下降结情况类似，耗尽区的电位下降Ed，造成能带弯曲，造成能带弯曲，如图所示。如图所示。EAeEA2EdEv2Ev1EFEc1Ec2E0EF 表面表面耗尽区耗尽区Ev1EFEC1E0Eg1EA1EV2EFEC2EA2Cs2OSiEAeEA2EdEv2Ev1EFEc1Ec2E0EF表面表面耗尽区耗尽区Ev1EFEC1E0Eg1EA1EV2EFEC2EA2Cs2OSi本来本来p型型Si的发射阈值是的发射阈值是EA1，电，电子受光激发进入导带后需克服子受光激发进入导带后需克服亲亲和势和势Ed1=EA1+Eg1才能逸出表面。才能逸出表面。由于表面存在由于表面存在n型薄层型薄层，使耗尽区的电位下降，表面电位降低，使耗尽区的电位下降，表面电位降低Ed。光电子在表面附近光电子在表面附近受到耗尽区内建电场受到耗尽区内建电场的作用，从的作用，从Si的导带底部漂的导带底部漂移到表面移到表面Cs2O的导带底部的导带底部。此时，电子只需克服。此时，电子只需克服EA2就能逸出表面。就能逸出表面。对于对于p型型Si的光电子需克服的有效亲和势为：的光电子需克服的有效亲和势为：由于能级弯曲，由于能级弯曲，这样就形成了，这样就形成了负电子亲和势。负电子亲和势。(1)(1)量子效率高量子效率高 负电子亲和势阴极因其表面无表负电子亲和势阴极因其表面无表面势垒，所以受激电子跃迁到导带并迁移到表面后，面势垒，所以受激电子跃迁到导带并迁移到表面后，无需克服表面势垒就可以较容易地逸出表面无需克服表面势垒就可以较容易地逸出表面.负电子亲和势光电阴极与前述的正电子亲和势负电子亲和势光电阴极与前述的正电子亲和势光电阴极相比，具有以下特点：光电阴极相比，具有以下特点：(2)(2)光谱响应延伸到红外、光谱响应率均匀光谱响应延伸到红外、光谱响应率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：负电子亲和势光电阴极的阈值波长为：负电子亲和势光电阴极的阈值波长为：(3)热电子发射小热电子发射小与光谱响应范围类似的正电子亲与光谱响应范围类似的正电子亲和势的光电发射材料相比，负电子亲和势材料的和势的光电发射材料相比，负电子亲和势材料的禁带宽度一般比较宽，所以在没有强电场作用的禁带宽度一般比较宽，所以在没有强电场作用的情况下，情况下，热电子发射热电子发射较小，一般只有较小，一般只有10-16A/cm2。(4)光电子的能量集中光电子的能量集中基本等于导带底的能量，可基本等于导带底的能量，可提高光电成像器件的空间分辨率和时间分辨率。提高光电成像器件的空间分辨率和时间分辨率。GaAs、InGaAs、GaAsP等。其量子效率等。其量子效率比经典比经典Ag-O-Cs光电阴极光电阴极要高要高10100倍，而且在倍，而且在较宽的光谱范围内光谱较宽的光谱范围内光谱响应曲线较为平坦。响应曲线较为平坦。实用的负电子亲和势光电阴极材料实用的负电子亲和势光电阴极材料GaAsIn0.06Ga0.94AsAg-O-Cs.50501010.91.1l lm mm量量子子效效率率(%)0.50.750.50.1In0.12Ga0.22As光电倍增管光电倍增管PMT(Photo-multiplierTube)1 1、光电倍增管、光电倍增管利用利用外光电效应外光电效应和和二次电子发射二次电子发射相相结合，即结合，即 把微弱的光输入转化为光电子，把微弱的光输入转化为光电子，并使光电子并使光电子获得倍增获得倍增的一种光电探的一种光电探测器件。测器件。光电倍增管光电倍增管一、光电倍增管组成及工作原理一、光电倍增管组成及工作原理n 1.1.光电倍增管组成光电倍增管组成n 光窗（光窗（Inputwindow)n光电阴极光电阴极(Photocathode)n电子光学系统电子光学系统n电子倍增系统电子倍增系统(Dynodes)n阳极阳极(Anode)n 2.光电倍增管工作原理光电倍增管工作原理光电倍增管是利用外光电效应制成的光电倍增管是利用外光电效应制成的一种光电探测器件。其光电转换分为一种光电探测器件。其光电转换分为光电发射光电发射和和电子倍增电子倍增两个过程。两个过程。、原理图原理图光窗分光窗分侧窗式侧窗式和和端窗式端窗式两种，它是入射光的通两种，它是入射光的通道。一般常用的光窗材料有钠钙玻璃、硼硅玻道。一般常用的光窗材料有钠钙玻璃、硼硅玻璃、紫外玻璃、合成石英和氟化镁玻璃等。璃、紫外玻璃、合成石英和氟化镁玻璃等。由于光窗对光的吸收与波长有关，波长越短吸由于光窗对光的吸收与波长有关，波长越短吸收越多，所以倍增管光谱特性的短波阈值决定收越多，所以倍增管光谱特性的短波阈值决定于光窗材料。于光窗材料。光电倍增管具体结构光电倍增管具体结构1.1.光窗光窗 把光电发射体把光电发射体(多是化多是化合物半导体材料合物半导体材料)镀在金属镀在金属或透明材料（玻璃或石英或透明材料（玻璃或石英玻璃）上就制成光电阴极。玻璃）上就制成光电阴极。它接收入射光，向外发射它接收入射光，向外发射光电子。光电子。所以倍增管光谱特性的所以倍增管光谱特性的长波阈值决定于光电阴极长波阈值决定于光电阴极材料，同时对整管灵敏度材料，同时对整管灵敏度也起着决定性作用。也起着决定性作用。2.光电阴极光电阴极(Photocathode)1.光电阴极的结构形式光电阴极的结构形式侧窗式侧窗式端窗式端窗式KK侧窗型光电倍增管侧窗型光电倍增管 端窗型光电倍增管端窗型光电倍增管1.使前一级发射出来的电子尽可能没有散失地落到下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，也就是使下一级的一个倍增极上，也就是使下一级的收集率收集率接近于接近于1；2.使前一级各部分发射出来的电子，落到后一级上所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，即经历的时间尽可能相同，即渡越时间渡越时间离散最小。离散最小。3.3.电子光学系统电子光学系统指指光电阴极光电阴极至至第一倍增第一倍增极之间极之间的区域。的区域。电子光学系统在结构上主要由电子光学系统在结构上主要由聚焦电极聚焦电极和和偏转电极偏转电极组成。组成。对电子光学系统的要求对电子光学系统的要求n倍增系统：倍增系统：由各倍增极构成的综合系统，各倍增极都是由各倍增极构成的综合系统，各倍增极都是由由二次电子发射体二次电子发射体构成。具有使电子倍增的能力。倍增系构成。具有使电子倍增的能力。倍增系统是决定整管灵敏度最关键的部分。统是决定整管灵敏度最关键的部分。4.4.倍增系统（倍增系统（Dynodes Dynodes）n要求：要求：二次电子发射系数要大二次电子发射系数要大n倍增极分类：倍增极分类：非聚焦型非聚焦型只加速只加速 聚焦型聚焦型加速聚焦加速聚焦 a)a)百叶窗式百叶窗式 b)b)盒栅式盒栅式 c)c)直瓦片式直瓦片式 d)d)圆瓦片式圆瓦片式各种倍增极的结构形式各种倍增极的结构形式倍增系统分类倍增系统分类百叶窗式百叶窗式 n 百叶窗型结构因倍增极可以较大而被用于大阴极的百叶窗型结构因倍增极可以较大而被用于大阴极的光电倍增管中，其一致性较好，可以有大的脉冲输出光电倍增管中，其一致性较好，可以有大的脉冲输出电流。这种结构多用于不太要求时间响应的场合。电流。这种结构多用于不太要求时间响应的场合。倍增系统分类倍增系统分类盒栅式盒栅式n 因其相对简单和一致的倍增极结构而被广泛地因其相对简单和一致的倍增极结构而被广泛地 应用于端窗型光电倍增管。应用于端窗型光电倍增管。n 但在一些应用中，其时间响应可能略显缓慢。但在一些应用中，其时间响应可能略显缓慢。倍增系统分类倍增系统分类直线瓦片式直线瓦片式n 直线聚焦型因其极快的时间响应而被广泛地应用直线聚焦型因其极快的时间响应而被广泛地应用于要求时间分辨和线性脉冲研究用的端窗型光电倍于要求时间分辨和线性脉冲研究用的端窗型光电倍增管中。增管中。倍增系统分类倍增系统分类鼠笼式鼠笼式n 圆形鼠笼式圆形鼠笼式结构主要应用于侧结构主要应用于侧窗型光电倍增管。窗型光电倍增管。n 其主要特点其主要特点为紧凑的结构和快为紧凑的结构和快速的时间响应特性。速的时间响应特性。制作二次电子发射材料的要求：制作二次电子发射材料的要求：(1)(1)发发射系数稳定，低工作电压下具有较射系数稳定，低工作电压下具有较大的二次电子发射系数；大的二次电子发射系数；(2)(2)热发射要小（引起噪声）；热发射要小（引起噪声）；(3)(3)容易制成各种形状；容易制成各种形状；倍增极材料大致可分以下几类：倍增极材料大致可分以下几类：1）某些金属氧化物：）某些金属氧化物：主要是银氧铯、锑铯、氧化主要是银氧铯、锑铯、氧化镁等，它们既是灵敏的光电发射体，也是良好的镁等，它们既是灵敏的光电发射体，也是良好的二次电子发射体。二次电子发射体。2）合金型：）合金型：主要是银镁、铝镁、铜镁、镍镁、铜主要是银镁、铝镁、铜镁、镍镁、铜铍等合金。铍等合金。3）负电子亲和势发射体：）负电子亲和势发射体：GaP-Cs、GaAs-Cs2O导带底的电子能量高于真空能级导带底的电子能量高于真空能级,量子效率高。量子效率高。光谱响应从可见到红外光谱响应从可见到红外（3003001200nm1200nm），），热电子发射较高，一般需制冷，用于近红热电子发射较高，一般需制冷，用于近红外区探测。外区探测。具有紫外和可见光范围的光谱响应，主要具有紫外和可见光范围的光谱响应，主要用于反射式光阴极。低电压下倍增系数较用于反射式光阴极。低电压下倍增系数较高；但高电流时不稳定。高；但高电流时不稳定。倍增系数高，倍增系数高，值最高能达到值最高能达到200200。可用于较高电流和较高温度时。但可用于较高电流和较高温度时。但倍增系数较小。倍增系数较小。栅网状阳极栅网状阳极一次电子一次电子二次电子二次电子阳极结构示意图阳极结构示意图 阳极是采用金属网作的栅网状结构，把它置于靠近阳极是采用金属网作的栅网状结构，把它置于靠近最末一级倍增极附近，用来收集最末一级倍增极发最末一级倍增极附近，用来收集最末一级倍增极发射出来的电子。射出来的电子。要求：要求：接收性能良好，接收性能良好，尽可能多的收集电尽可能多的收集电子，工作在较大电子，工作在较大电流时，不至于产生流时，不至于产生空间电荷效应。空间电荷效应。输出电容要小输出电容要小.5.5.阳极阳极(Anode)(Anode)二、光电倍增管的主要参量与特性二、光电倍增管的主要参量与特性光电倍增管的主要参量与特性是区分管子光电倍增管的主要参量与特性是区分管子质量好坏的基本依据。质量好坏的基本依据。n基本参数（静态参数）基本参数（静态参数）n应用参数（动态参数）应用参数（动态参数）n运行特性（例行特性）运行特性（例行特性）基本参数基本参数与管子工作原理、结构特征、材料性质、制与管子工作原理、结构特征、材料性质、制造工艺有关。它包括灵敏度、量子效率、增益、暗电造工艺有关。它包括灵敏度、量子效率、增益、暗电流、光谱响应等。流、光谱响应等。应用参数应用参数与管子应用方法和探测对象有关，反映某种应用与管子应用方法和探测对象有关，反映某种应用的特殊要求。它包括闪烁计数中的脉冲幅度分辨率、噪声的特殊要求。它包括闪烁计数中的脉冲幅度分辨率、噪声能当量、计数坪特性；光子计数中的暗噪声计数、单电子能当量、计数坪特性；光子计数中的暗噪声计数、单电子分辨率、峰谷比；快速光脉冲测量中的上升时间、半高宽、分辨率、峰谷比；快速光脉冲测量中的上升时间、半高宽、渡越时间、时间分辨率等。渡越时间、时间分辨率等。运行特性运行特性与管子运行条件、运行环境有关。它表征管子承受与管子运行条件、运行环境有关。它表征管子承受的外部条件和使用极限，包括稳定性、温度特性、最大线性的外部条件和使用极限，包括稳定性、温度特性、最大线性电流、抗电磁干扰特性、抗冲击振动特性等。电流、抗电磁干扰特性、抗冲击振动特性等。光电倍增管就是利用各倍增极每一个入射电子光电倍增管就是利用各倍增极每一个入射电子所能产生的所能产生的二次电子发射效应二次电子发射效应获得很高的电流获得很高的电流内增益的。内增益的。二次电子的发射特性用二次发射二次电子的发射特性用二次发射系数系数来描述，来描述，即即电电流增益（放大倍数）流增益（放大倍数）Mn为倍增为倍增级的级数级的级数N为发射为发射的电子数的电子数n表示表示第第n级级倍增极倍增极每一个入射电子所能产生每一个入射电子所能产生的二次电子的倍数，的二次电子的倍数，即该级的电流增益。即该级的电流增益。n如如果果倍倍增增极极的的总总数数为为n，且且各各级级性性能能相相同同，考考虑虑到到电电子子的的传传输输损损失失，则则光光电电倍倍增管的增管的总电流增益总电流增益M为：为：n f 第一倍增极对阴极发射电子收集率第一倍增极对阴极发射电子收集率ng 倍增级间的电子传递效率倍增级间的电子传递效率n 倍增级二次发射系数倍增级二次发射系数E阴极和靠近于阴极的倍增极的热电子发射；阴极和靠近于阴极的倍增极的热电子发射；E阳极或其它电极的漏电；阳极或其它电极的漏电；E由于极间电压过高而引起的场致发射；由于极间电压过高而引起的场致发射；E光反馈，以及窗口玻璃中可能含有的少量的钾、镭、钍等光反馈，以及窗口玻璃中可能含有的少量的钾、镭、钍等放射性元素蜕变产生的放射性元素蜕变产生的粒子，或者宇宙射线穿过光窗时粒子，或者宇宙射线穿过光窗时产生的契伦柯夫光子等都可能引起暗电流。产生的契伦柯夫光子等都可能引起暗电流。暗暗电流电流 在各电极都加上正常工作电压并且阴极无光照情况下阳极的在各电极都加上正常工作电压并且阴极无光照情况下阳极的输出电流。输出电流。它限制了可测直流光通量的最小值，同时也是产生噪声的重它限制了可测直流光通量的最小值，同时也是产生噪声的重要因素，是鉴别管子质量的重要参量。应选取暗电流较小的管要因素，是鉴别管子质量的重要参量。应选取暗电流较小的管子。子。n 产生暗电流的因素：产生暗电流的因素：光电特性图光电特性图光光电特性电特性阳极光电流与入射于光电阴极阳极光电流与入射于光电阴极的光通量之间的函数关系，称的光通量之间的函数关系，称为为倍增管的光电特性倍增管的光电特性。u它在相当宽的范围内为它在相当宽的范围内为直线直线。当光功率接近几十当光功率接近几十W时，时，特性特性曲线开始偏离直线，曲线开始偏离直线，出现出现饱和饱和效应效应。u由图可见，由图可见，光电倍增管的显光电倍增管的显著特点是著特点是适于微弱光信号状态工适于微弱光信号状态工作。作。阳极伏安特性曲线阳极伏安特性曲线（阳极阳极电流与阳极和最末一级倍电流与阳极和最末一级倍增极之间电压的关系）。增极之间电压的关系）。在电路设计时，一般使用在电路设计时，一般使用阳极伏安特性曲线阳极伏安特性曲线来进行来进行负载电阻、输出电流、输负载电阻、输出电流、输出电压的计算。出电压的计算。阳极伏安特性曲线阳极伏安特性曲线阳极伏阳极伏安特性安特性 （恒流源）（恒流源）曲线是由曲线是由上升部分上升部分和和饱和部分饱和部分组成组成的，的，而且饱和部分的长度较长，而且饱和部分的长度较长，这对于从阳极负载电阻取出较大的这对于从阳极负载电阻取出较大的输出电压是很有利的。输出电压是很有利的。尽管光电倍增管在结构、电子轨迹等的设计上考虑将阴尽管光电倍增管在结构、电子轨迹等的设计上考虑将阴极和倍增极产生的二次电子有效地收集到第一倍增极或下一极和倍增极产生的二次电子有效地收集到第一倍增极或下一倍增极上，但在聚焦和放大过程中仍然会有电子偏离预定轨倍增极上，但在聚焦和放大过程中仍然会有电子偏离预定轨道，造成道，造成收集效率的降低收集效率的降低。这种收集效率的降低，受光电子。这种收集效率的降低，受光电子从阴极上发射出来的位置的影响，从而反应出了光电倍增管从阴极上发射出来的位置的影响，从而反应出了光电倍增管的均匀性。当然，均匀性也取决于光阴极本身表面镀层的均的均匀性。当然，均匀性也取决于光阴极本身表面镀层的均匀特点。匀特点。一般，端窗型光电倍增管因其阴极与第一倍增极的几何一般，端窗型光电倍增管因其阴极与第一倍增极的几何结构特点，在均匀性方面优于侧窗型光电倍增管。结构特点，在均匀性方面优于侧窗型光电倍增管。均均匀性匀性均匀性均匀性指入射光照射光阴极不同位置时灵敏度的变化。指入射光照射光阴极不同位置时灵敏度的变化。为使输出信号与后面放大电路易于匹配，光电倍为使输出信号与后面放大电路易于匹配，光电倍增管的阳极通过负载接地，光阴极加负高压。增管的阳极通过负载接地，光阴极加负高压。光电倍增管工作线路光电倍增管工作线路 光电倍增管实际工作线路光电倍增管实际工作线路2.供电电路供电电路 倍增管各电极要求倍增管各电极要求直直流供电流供电，从阴极开始，从阴极开始至各级的电压要依次至各级的电压要依次升高，一般多采用电升高，一般多采用电阻链分压办法来供电。阻链分压办法来供电。一般情况下，各级电一般情况下，各级电压均相等，约压均相等，约8080150V150V，总电压约，总电压约9009002000V2000V。光电倍增管供电电路图光电倍增管供电电路图 高压供电：高压供电：负高压供电，阳极接地，负高压供电，阳极接地，可消除外部信号输出电路与阳极之可消除外部信号输出电路与阳极之间的电位差，因而间的电位差，因而PMT的输出光电流可直接与电流计或电流转换的的输出光电流可直接与电流计或电流转换的运放相连，适用于直流信号应用；运放相连，适用于直流信号应用；而闪烁计数器中必须采用而闪烁计数器中必须采用阴极接地阴极接地的方法，只适用于交流或的方法，只适用于交流或脉冲信号测量系统。脉冲信号测量系统。四、光电倍增管四、光电倍增管优优缺缺点点n 放大倍数高，适于弱光探测，单一光子便可响应；放大倍数高，适于弱光探测，单一光子便可响应；n 光电特性的线性关系好光电特性的线性关系好 ；n 工作频率高工作频率高 ；n 性能稳定，使用方便性能稳定，使用方便 ；n 供电电压高；供电电压高；n 玻璃外壳，抗震性差；玻璃外壳，抗震性差；n 价格昂贵，体积大；价格昂贵，体积大；n 热发射强，暗电流大，需冷却。热发射强，暗电流大，需冷却。光电倍增管的主要应用光电倍增管的主要应用1 1）光谱测量：）光谱测量：n用来测量辐射光谱在狭窄范围内的辐射用来测量辐射光谱在狭窄范围内的辐射功率。如：过程控制、元素鉴定、化学功率。如：过程控制、元素鉴定、化学与冶金学分析仪器。与冶金学分析仪器。n通常采用侧窗式结构，稳定性好，线性通常采用侧窗式结构，稳定性好，线性范围宽。范围宽。日本滨松生产的多种型号日本滨松生产的多种型号PMTPMT高通量全身高通量全身PET(Positron Computed PET(Positron Computed TomographyTomography，正电子正电子CT)CT)系统系统PETPET中的中的PMT R5900-c8PMT R5900-c8剖面图，它采用细剖面图，它采用细网倍增极、多阳极和金属通道网倍增极、多阳极和金属通道PETPET断面图断面图PETPET原理图原理图2 2）极微弱光信号的探测）极微弱光信号的探测光子计数光子计数n通过分立光子产生的电脉冲来进行测量通过分立光子产生的电脉冲来进行测量n灵敏度高、抗噪能力强、稳定性好、输出便于信息处理灵敏度高、抗噪能力强、稳定性好、输出便于信息处理n测量光功率达测量光功率达1010-14-14w w，光子通量，光子通量1010个个/秒，用于生命科学研究，秒，用于生命科学研究，如激光流式细胞仪。如激光流式细胞仪。3 3）射线的探测）射线的探测闪烁计数闪烁计数n闪烁晶体（闪烁晶体（接收射线后产生光）+光电倍增管光电倍增管n入射粒子能量入射粒子能量闪烁光强闪烁光强输出脉冲幅度输出脉冲幅度n用于核医学、石油勘探等用于核医学、石油勘探等双碱阴极光电双碱阴极光电倍增管倍增管铊激活的碘化钠铊激活的碘化钠（NaINaI）闪烁体闪烁体日本神冈中微子探测器日本神冈中微子探测器这个这个50,00050,000吨的巨型圆柱中微吨的巨型圆柱中微子探测器，座落在日本子探测器，座落在日本kamioka mozumikamioka mozumi矿山的地下矿山的地下1,0001,000米深处，用来做探测中米深处，用来做探测中微子、质子衰变、宇宙射线等微子、质子衰变、宇宙射线等等研究。它的等研究。它的“超净化注水墙超净化注水墙壁壁”上安装了大约上安装了大约12,00012,000个超个超敏感的光电倍增管，这使它看敏感的光电倍增管，这使它看上去带有科幻电影般的恐怖美上去带有科幻电影般的恐怖美丽。丽。什么是中微子？什么是中微子？中微子个头小，不带电，可自由穿过地球，几乎不与任何物质发中微子个头小，不带电，可自由穿过地球，几乎不与任何物质发生作用，号称宇宙间的生作用，号称宇宙间的“隐身人隐身人”。科学家观测它颇费周折，从。科学家观测它颇费周折，从预言它的存在到发现它，用了预言它的存在到发现它，用了1010多年的时间。多年的时间。使用前应了解器件的特性。真空光电器件的共使用前应了解器件的特性。真空光电器件的共同特点是灵敏度高、惰性小、供电电压高、采同特点是灵敏度高、惰性小、供电电压高、采用玻璃外壳、抗震性差。用玻璃外壳、抗震性差。六、光电倍增管使用要点六、光电倍增管使用要点光照过强时，光电线性会变差而且容易使光照过强时，光电线性会变差而且容易使光电阴极疲劳（轻度疲劳经一段时间可恢光电阴极疲劳（轻度疲劳经一段时间可恢复，重度疲劳不能恢复），缩短寿命。复，重度疲劳不能恢复），缩短寿命。不宜用强光，容易引起疲劳不宜用强光，容易引起疲劳额定电压和电流内工作额定电压和电流内工作入射光斑尺寸和管子的有效阴极面尺寸向对应入射光斑尺寸和管子的有效阴极面尺寸向对应电场屏蔽和磁屏蔽电场屏蔽和磁屏蔽测交变光时，负载电阻不宜过大测交变光时，负载电阻不宜过大因为负载电阻和管子的等效电容一起因为负载电阻和管子的等效电容一起构成电路的构成电路的时间常数时间常数，若负载电阻较，若负载电阻较大，大，时间常数就变大时间常数就变大，频带将变窄频带将变窄。工作电流大时会烧毁阴极面，或使倍工作电流大时会烧毁阴极面，或使倍增级二次电子发射系数下降，增益降增级二次电子发射系数下降，增益降低，光电线性变差，缩短寿命。低，光电线性变差，缩短寿命。光电导探测器光电导探测器 光敏电阻光敏电阻2.4.2 2.4.2 光电导探测器（又称光电导探测器（又称光敏电阻）光敏电阻）n1.1.原理：原理：光敏电阻的原理是光敏电阻的原理是光敏电阻光敏电阻阻值阻值对光照特别敏感，对光照特别敏感，是一种典型的利是一种典型的利用用光电光电导效应导效应制成的光电探测器件。制成的光电探测器件。一、原理与结构一、原理与结构n本征型光敏电阻本征型光敏电阻 一般在室温下工作一般在室温下工作 适用于可见光和近红外辐射探测适用于可见光和近红外辐射探测n非本征型光敏电阻非本征型光敏电阻 通常在低温条件下工作通常在低温条件下工作 常用于中、远红外波长较长的辐射探测常用于中、远红外波长较长的辐射探测 2.结构结构光敏电阻是在一块光电导体两端加电光敏电阻是在一块光电导体两端加电极，贴在硬质玻璃、云母、高频瓷极，贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其它绝缘材料基板上，两端接有或其它绝缘材料基板上，两端接有电极引线，封装在带有窗口的金属电极引线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。或塑料外壳内。电极和光电导体之电极和光电导体之间呈间呈欧姆接触。欧姆接触。光敏面作成蛇形，电极作成梳状可以光敏面作成蛇形，电极作成梳状可以保证有较大的受光表面，也可以减保证有较大的受光表面，也可以减小电极之间距离，从而既可减小极小电极之间距离，从而既可减小极间电子渡越时间，也有利于提高灵间电子渡越时间，也有利于提高灵敏度。敏度。三种结构形式：三种结构形式：绝缘基底绝缘基底光电导体膜光电导体膜 梳状式梳状式 玻玻璃璃基基底底上上蒸蒸镀镀梳梳状状金金属属膜膜而而制制成成；或或在在玻玻璃璃基基底底上上面面蚀蚀刻刻成成互互相相交交叉叉的的梳梳状状槽槽，在在槽槽内内填填入入黄黄金金或或石石墨墨等导电物质，在表面再敷上一层光敏材料。等导电物质，在表面再敷上一层光敏材料。刻线式刻线式 在在玻玻璃璃基基片片上上镀镀制制一一层层薄薄的的金金属属箔箔，将将其其刻刻划划成栅状槽，然后在槽内填入光敏电阻材料层后制成。成栅状槽，然后在槽内填入光敏电阻材料层后制成。涂膜式涂膜式在玻璃基片上直接涂上光敏材料膜后而制成。在玻璃基片上直接涂上光敏材料膜后而制成。n 光敏电阻在电路中的符号光敏电阻在电路中的符号(3)伏安特性曲线和负载线的交点即为光敏电阻的工作点。伏安特性曲线和负载线的交点即为光敏电阻的工作点。n 说明：说明：(1)光敏电阻为纯电阻，符合欧姆定律，对多数半导体，当电光敏电阻为纯电阻，符合欧姆定律，对多数半导体，当电场强度场强度超过超过104V/cm(强光时强光时)，不遵守欧姆定律。硫化镉例，不遵守欧姆定律。硫化镉例外，其伏安特性在外，其伏安特性在100多伏就不成线性了。多伏就不成线性了。(2)光照使光敏电阻发热，使得在额定功耗内工作，其最高使光照使光敏电阻发热，使得在额定功耗内工作，其最高使用电压由其耗散功率所决定，而功耗功率又和其面积大小、用电压由其耗散功率所决定，而功耗功率又和其面积大小、散热情况有关。散热情况有关。1 1、优点：、优点：三、光敏电阻的特点三、光敏电阻的特点 灵敏度高，光电导增益大于灵敏度高，光电导增益大于1 1，工作电流大，无极性，工作电流大，无极性 之分；之分；光谱响应范围宽，尤其对红外有较高的灵敏度；光谱响应范围宽，尤其对红外有较高的灵敏度；所测光强范围宽，可测强光、弱光。所测光强范围宽，可测强光、弱光。强光下光电转换线性差；强光下光电转换线性差；光电导弛豫时间长；光电导弛豫时间长；受温度影响大；受温度影响大；由伏安特性知，设计负载时，应考虑额定功耗；由伏安特性知，设计负载时，应考虑额定功耗；进行动态设计时，应考虑光敏电阻的前历效应。进行动态设计时，应考虑光敏电阻的前历效应。2 2、不足：、不足：81光电导探测器分为光电导探测器分为单晶型单晶型和和多晶薄膜型多晶薄膜型。薄膜型薄膜型光电导探测器品种较少，常用的是光电导探测器品种较少，常用的是PbS和和PbSe。单晶型单晶型光电导探测器分为光电导探测器分为本征型本征型和和掺杂型掺杂型；本征型本征型有有InSb和和HgCdTe掺杂型有掺杂型有Ge:Hg五、几种典型的光电导探测器五、几种典型的光电导探测器814m13.6m1.55.8m15m216m82低造价、可见光辐射探测器；低造价、可见光辐射探测器；光电导增益比较高光电导增益比较高(103104)、响应时间比较长、响应时间比较长(大约大约50ms)（2）PbS：近红外辐射探测器：近红外辐射探测器（1）CdS和和CdSe波长响应范围在波长响应范围在13.4m，峰值响应波长为，峰值响应波长为2m内阻（暗阻）大约为内阻（暗阻）大约为1M、响应时间约、响应时间约200s83（3）锑化铟锑化铟InSb（4）碲镉汞）碲镉汞HgxCd1-xTe探测器探测器在在77k下，噪声性能大大改善；下，噪声性能大大改善；峰值响应波长为峰值响应波长为5m、响应时间短（大约响应时间短（大约10s）化化合合物物本本征征型型光光电电导导探探测测器器，它它是是由由HgTe和和CdTe两两种种材材料料混在一起的合金系统，其禁带宽度随组分混在一起的合金系统，其禁带宽度随组分x呈线性变化。呈线性变化。当当x=0.2时响应波长为时响应波长为814m,工作温度工作温度77k，用液氮致冷。，用液氮致冷。主要应用主要应用照相机自动测光照相机自动测光(Cameraautomationphotometry)光电光电控制控制(Photoelectriccontrol)室内光线室内光线控制控制(Indoorsunlightcontrol)报警器报警器(Annunciator)工业控制工业控制(Industrialcontrol)光控光控开关开关(Opticalcontrolswitch)光控光控灯灯(Opticalcontrollamp)电子电子玩具玩具(Electronictoy)光控音乐光控音乐I.C(OpticalcontrolmusicI.C)电子电子验钞机验钞机(Electronicproverbialvlitional)照相机电子快门照相机电子快门 自动曝光电路，景物光强自动曝光电路，景物光强光敏电阻光敏电阻 曝光时间曝光时间快门速度快门速度路灯自动点熄控制路灯自动点熄控制 硫化镉硫化镉