光电探测技术原理—第四章

敏度极限，主要由光电阴极材料的截止波长 0 决定。
4.热电子发射 光电阴极中有少数电子的热能大于光电阴极逸出功，因 而产生热电子发射。室温下典型阴极每秒每平方厘米发 射二个数量级的电子，相当于10-16～10-17Acm-2的电流 密度。这些热发射电子会引起噪声，限制着传感器的灵 敏度极限。
光电探测技术原理—第四章
光电探测技术—第四章
李静
光电探测技术原理—第四章
真空光电器件
真空光电发射器件是基于外光电效应的光电探测器，包括 光电管和光电倍增管两类。具有极高的灵敏度、快速响应等特 点，它在探测微弱光信号及快速脉冲弱光信号等方面仍然是一 个重要的探测器件。因此广泛应用于航天、材料、生物、医学、 地质等领域都有相当大的应用。
锑钾钠铯阴极是三碱阴极中最有实用价值的一种， 它从紫外到近红外的光谱区都具有较高的量子效 率。
光电探测技术原理—第四章
五、紫外光电阴极
一般来说，对可见光灵敏度的光电阴极，对紫外光也 都具有较高的量子效率。但在某些应用中，为了消除 背景噪声的影响，要求光电阴极只对所探测的紫外辐 射信号灵敏，而对可见光无响应，这样阴极通常称为 “日盲”型光电阴极。
二、银氧铯（Ag-O-Cs）光电阴极
银氧铯阴极是最早出现的实用光电阴极。 目前，除了Ⅲ-Ⅴ族的光电阴极外，它仍 然是在近红外区具有使用价值的唯一阴极。
银氧铯阴极是以Ag为基底，氧化银为中 间层，上面再有一层带有过剩Cs原子及 Ag原子的氧化铯，而表面由Cs原子组成， 可用[Ag]-Cs2OAgCs-Cs的符号表示，如图 a所示。
光电探测技术原理—第四章
图a分别表示p型Si和n型Cs2O两种材料的能带图。
本来p型Si的发射临界值是 Ed1 EA1 Eg1 ，电 子受光激发进入导电带后需克服亲和势才能逸出出
表面。现在由于表面存在n型薄层，使耗尽区的电位
下降，表面电位降低Ed。光电子在表面附近受到耗
尽区内建电场的作用，从Si的导电带底部漂移到表
光电发射阴极是光电发射器件的重要部件，它是 吸收光子能量发射光电子的部件。它的性能直接影响 着整个光电发射器件的性能，为此，首先讨论用于制 造光电阴极的典型光电发射材料。
光电探测技术原.灵敏度
(1)光照灵敏度
▪ 表示光电阴极在一定的白光照射下，阴极光电流与入射的光通量之 比。光照灵敏度也称为白光灵敏度或积分灵敏度，单位为uA/lm。
光电探测技术原理—第四章
真空光电器件结构及常见类型
结构：均包括光电阴极、阳极、真空玻璃壳 分类：
成像型 非成像型
常见器件：
光电管
真空光电管
充气光电管 光电倍增管
光电探测技术原理—第四章
4.1 光电阴极
在光电管、光电倍增管、变象管、象增加器和一 些摄像管等光电器件中，使不同波长的各种辐射信号 转换为电信号，均依靠光电阴极。因而光电阴极关系 到光电器件的各项光电性能。
面Cs2O的导带底部。此时，电子只需克服EA2就能逸 出出表面。对于p型Si的光电子需克服的有效亲和势
将近红外区具有高灵敏度的Ag-O-Cs阴极和蓝光区具 有高灵敏度的Bi-Cs-O阴极相结合，可获得在整个可 见光谱范围内具有较均匀响应和高灵敏度的 Bi-Ag-O-Cs光电阴极。该阴极的量子效率达10%，但 长波限只有750nm。
光电探测技术原理—第四章
三、单碱锑化物光电阴极
金属锑与碱金属锂、纳、钾、铷、铯中的一种 化合，都能形成具有稳定光电发射的发射体。 其中，以CsSb阴极的灵敏度最高，是最具有使 用价值的光电发射材料，广泛用于紫外和可见 光区的光电探测器中。
常用的有锑化铯和碘化铯两种。
光电探测技术原理—第四章
六、负电子亲和势光电阴极
现以Si-CsO光电阴极为例加以说明，它是在p型Si的 基质材料上涂一层极薄的金属Cs，经特殊处理而形成 n型Cs2O 。表面为n型的材料有丰富的自由电子，基 底为p型材料有丰富的空穴，它们相互扩散形成表面 电荷局部耗尽。与p-n结情况类似，耗尽区的电位下 降E，造成能带弯曲，如图b所示。
Ag-O-Cs光电阴极的光谱响应曲线如图b 所示。它的长波灵敏度延伸至红外1.2um， 并且有两个峰值，近红外800nm处有一主 峰，另一主峰处于紫外350nm。
光电探测技术原理—第四章
Ag-O-Cs光电阴极的灵敏度较低。光照灵敏度约为 30uA/lm，辐照灵敏度为3mA/W，量子效率在峰值波长 处也只有1%，它的热电子发射密度在室温下超过任何 其它实用阴极，约为10-11~10-14A/cm2。此外，当阴极 长期受光照后，会产生严重的疲劳现象，且疲劳特性 与光照度。光照波长等都有密切关系，疲劳后光谱响 应曲线也会发生变化，因此它的应用受到很大限制。
2.量子效率
Q() Ne () N p ()
量子效率和光谱灵敏度是一个物理量的两种表示方法。它们 之间的关系：
Q () Ie (( ))//q h vS ( q )h cS () 1 2 4 0
▪ 式中λ单位为nm；S(λ)为光谱灵敏度，单位为A/W。
光电探测技术原理—第四章
3.光谱响应曲线 光电阴极的光谱灵敏度或量子效率与入射辐射波长的关 系曲线，称为光谱响应曲线。真空光电组件中的长波灵
(2)色光灵敏度
▪ 就是局部光谱区域的积分灵敏度。它表示在某些特定的波长区，通 常用特性已知的滤光片插入光路，然后测得的光电流与未插入滤光 片时阴极所受光照的光通量之比。
光电探测技术原理—第四章
(3)光谱灵敏度 表示一定波长的单色辐射照到光电阴极上， 阴极光电流与入射的单色辐射通量之比，单 位为mA/W或A/W。
锑铯阴极的典型光谱响应曲线
光电探测技术原理—第四章
四、多碱锑化物光电阴极
当锑和几种碱金属形成化合物时，具有更高的响 应率，其中有双碱、三碱和四碱等，统称为多碱 锑化物光电阴极。
锑纳钾阴极是双碱阴极中的一种，它的光谱响应 与锑铯阴极相近，在峰值波长0.4um处的量子效率 达25%，其典型光照灵敏度可到50uA/lm。它的特 点是耐高温，工作温度可达到175℃，而一般含铯 阴极的工作温度不能超过60 ℃，因此锑钾钠阴极 可用于石油探测等特殊场合。