第二章光电探测器2

§2.4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光电检测器件光子器件热电器件真空器件固体器件光电管光电倍增管真空摄像管变像管像增强管光敏电阻光电池光电二极管光电三极管雪崩光电管电荷耦合器件CCD热电偶/热电堆热辐射计/热敏电阻热释电探测器二、光电检测器件的特点光子器件热电器件响应波长有选择性，一般有截止波长，超过该波长，器件无响应。响应波长无选择性，对可见光到远红外的各种波长的辐射同样敏感响应快，吸收辐射产生信号需要的时间短，一般为纳秒到几百微秒响应慢，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90%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，即金属中光电子逸出深度很浅，只有几nm；金属逸出功大多为大于3eV，对能量小于3eV（λ410nm）的可见光来说，很难产生光电发射，只有铯（2eV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0.1%，在光电发射前两个阶段能量损耗太大。1)吸收光电子。当吸收的光子能量大于EA时激发的电子才有可能逸出表面，而低于EA的那些电子则成为导带中的非平衡电子，对光电导有贡献。半导体的光电子发射过程：本征发射、杂质发射、自由载流子发射2)光电子向表面运动。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，而失去一部分能量。3)克服表面势能逸出。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。gAEEEvEcE(a)本征半导体gEAEFE本征半导体T=0K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：•逸出功：AgWEE•逸出功：AWE逸出功vEcEW(b)N型半导体gEAEaEFE0EvEcEW(a)本征半导体gEAEFE0E半导体的光电逸出功由两部分组成：一部分是电子从发射中心激发到导带所需的最低能量；另一部分是电子从导带底逸出所需的最低能量（即电子亲和势）。•对半导体材料，体内光电子发射来源于价带EV附近，因此表面处的光电发射阈值Eφ为：0cgAgEEEEEEEvEFEcEAeEgE0(b)理想半导体Eφ电子亲和势：真空能级与导带底之差•电子亲和势：导带底上的电子向真空逸出时所需的最低能量，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Ec之差。它有表面电子亲和势Ea与体内电子亲和势Eae之分。Ea是材料的参量，与掺杂、表面能带弯曲等因素无关。而Eae不是材料参量，可随表面能带弯曲变化。电子亲和势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EAe，半导体材料的光电发射阈值变为：EEEAAeAegEEE♠实际的半导体能级，在半导体表面附近要发生弯曲，这时EA定义为E0与表面处导带底EC之差。♠考虑到导带在表面处的弯曲量用ΔE表示，于是体内光电子的有效电子亲合势变为：由于ΔE的量值可以人为控制，EAe值可以人为地加以改变。如果EAe0，就称为正电子亲和势光阴极，亦称经典光阴极，目前广泛用的光阴极就属此类。Eg正电子亲和势EAeECEFEvE0EφΔEEAeECEVEAeEEAEE0EEF（a）正电子亲和势EFEECVEAEE0e（b）负电子亲和势正电子亲和势：表面真空能级位于导带底之上负电子亲和势：表面特殊处理后表面区域能带弯曲，真空能级降至导带底之下，有效电子亲和势为负值。•半导体材料光阴极又分为正电子亲和势(PEA，亦称经典光阴极)和负电子亲和势(NEA阴极)两种类型。•NEA光阴极是当前性能最好的光阴极。•如果EAe0，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，因为没有表面势垒的阻挡，所以都能有效地逸出表面。EFEECVEE0e负电子亲和势EAeEA这就是NEA光阴极的基本原理♠1.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；一光电阴极良好的光阴极材料的标准：♠2.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；♠3.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；♣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。•1934年研制的第一支红外变象管就采用这种阴极。•它是红外波段唯一可用的经典光电发射材料，长波限可达1.2um•但是——量子效率极低，暗电流大；常用的光电发射材料1、银氧铯（Ag—O—Cs)阴极******碱金属与锑（Sb）、铅（Pb）、铋（Bi）、铊（Tl）等生成的金属化合物具有极其宝贵的光电发射性能，其中，锑铯(CsSb)阴极广泛用于紫外和可见光区的光电探测器中。******量子效率高:在蓝光区峰值量子效率可达30%，比Ag-O-Cs高30倍。******在可见区，积分响应度达70-150uA/lm;长波限为0.7um左右，可延伸；对红光、红外不灵敏。单碱锑化物光电阴极锑化物光电阴极光谱响应曲线SbKCsCsSbNaKSbCs1001010.70.9lmmS(lmA/W)0.30.5•——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：双碱、三碱、四碱等，统称多碱）多碱光电阴极•锑钾钠（NaKSb）——响应度50－100uA/lm,在0.4um处，量子效率为25%,其典型光照灵敏度可达50μA/lm。耐高温（175℃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。•锑钾钠铯（NaKSbCs）——峰值响应波长0.42um，响应度150uA/lm，长波限为0.85um。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。•近几年，经过特殊处理的NaKSbCs阴极，其光谱响应的长波限可扩展到930nm，峰值波长也从0.42nm延伸至0.6nm，光照灵敏度提高到400μA/lm。负电子亲和势光电阴极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。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，从而使有效的电子亲和势为负值，经这种特殊处理的阴极称作负电子亲和势光电阴极(NEA)。•Si-Cs2O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，p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。•与p-n结情况类似，耗尽区的电位下降Ed，造成能带弯曲，如图所示。EAeEA2EdEv2Ev1EFEc1Ec2E0EF﹢﹢﹢﹢﹢﹣﹣﹣﹣﹣表面耗尽区Ev1EFEC1E0Eg1EA1EV2EFEC2EA2Cs2OSiEAeEA2EdEv2Ev1EFEc1Ec2E0EF﹢﹢﹢﹢﹢﹣﹣﹣﹣﹣表面耗尽区Ev1EFEC1E0Eg1EA1EV2EFEC2EA2Cs2OSi本来p型Si的发射阈值是EA1，电子受光激发进入导带后需克服亲和势Ed1=EA1+Eg1才能逸出表面。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的导带底部漂移到表面Cs2O的导带底部。此时，电子只需克服EA2就能逸出表面。对于p型Si的光电子需克服的有效亲和势为：由于能级弯曲，，这样就形成了负电子亲和势。dAAeEEE22AdEE•(1)量子效率高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，无需克服表面势垒就可以较容易地逸出表面.)nm(12400AgEEl)nm(12400gEl♥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：•(2)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：•负电子亲和势光电阴极的阈值波长为：0l•(3)热电子发射小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禁带宽度一般比较宽，所以在没有强电场作用的情况下，热电子发射较小，一般只有10-16A/cm2。•(4)光电子的能量集中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。♣GaAs、InGaAs、GaAsP等。其量子效率比经典Ag-O-Cs光电阴极要高10－100倍，而且在较宽的光谱范围内光谱响应曲线较为平坦。实用的负电子亲和势光电阴极材料GaAsAg-O-Cs501010.91.1lmm量子效率(%)0.50.750.50.1光电倍增管PMT(Photo-multiplierTube)1、光电倍增管•利用外光电效应和二次电子发射相结合，即——把微弱的光输入转化为光电子，并使光电子获得倍增的一种光电探测器件。光电倍增管一、光电倍增管组成及工作原理1.光电倍增管组成——光窗（Inputwindow)——光电阴极(Photocathode)——电子光学系统——电子倍增系统(Dynodes)——阳极(Anode)2.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一种光电探测器件。其光电转换分为光电发射和电子倍增两个过程。、、、、K1D2D3D4DA原理图♣光窗分侧窗式和端窗式两种，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，波长越短吸收越多，所以倍增管光谱特性的短波阈值决定于光窗材料。光电倍增管具体结构1.光窗——把光电发射体(多是化合物半导体材料)镀在金属或透明材料（玻璃或石英玻璃）上就制成光电阴极。它接收入射光，向外发射光电子。——所以倍增管光谱特性的长波阈值决定于光电阴极材料，同时对整管灵敏度也起着决定性作用。•2.光电阴极(Photocathode)1.光电阴极的结构形式侧窗式端窗式KK侧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一个倍增极上，也就是使下一级的收集率接近于1；2.使前一级各部分发射出来的电子，落到后一级上所经历的时间尽可能相同，即渡越时间离散最小。•3.电子光学系统•——指光电阴极至第一倍增极之间的区域。•电子光学系统在结构上主要由聚焦电极和偏转电极组成。•对电子光学系统的要求倍增系统：由各倍增极构成的综合系统，各倍增极都是由二次电子发射体构成。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。•4.倍增系统（Dynodes）要求：二次电子发射系数要大倍增极分类：非聚焦型——只加速聚焦型——加速聚焦a)百叶窗式b)盒栅式c)直瓦片式d)圆瓦片式各种倍增极的结构形式倍增系统分类——百叶窗式1D2D3D4D5D6D7D8D9DA10DK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——盒栅式K1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11DA因其相对简单和一致的倍增极结构而被广