光电检测技术精品-光电子发射探测器

1光电探测与信号处理第三章光电探测器华中科技大学2第三章光电探测器教学内容课内学时课外学时3.1光电子发射探测器(PE)3.2光电导探测器4h4h3.3光伏探测器3.3.1光伏效应及其特性曲线3.3.2几种典型光伏器件3.3.3光伏探测器的主要特性4h4h3.4热电探测器3.4.1基本原理3.4.2热电偶和热电堆3.4.3测辐射热计(Bolometers)3.4.4热释电器件4h4h3.5光电成像器件3.5.1像管3.5.2摄像管3.5.3CCD固体摄像器件(ChargeCoupledDevice)3.5.4CMOS图像传感器3.6各类光电探测器的性能及应用比较4h8h3光电发射器件是基于外光电效应的器件3.1光电子发射探测器(PE-PhotoEmission)4dynodeMicrochannelplates光电管光电倍增管像增强管5优点：灵敏度高、稳定性好、响应速度快和噪声小缺点：结构复杂，工作电压高，体积大光电发射器件的特点许多应用领域被性价比更高、体积小巧便于集成的半导体光电器件所替代，但在微弱光信号探测、快速光脉冲探测等方面仍占优势。63.1.1光电阴极3.1.2光电管、像增强管3.1.3光电倍增管一、光电倍增管组成及工作原理二、光电倍增管的主要特性参数三、光电倍增管的供电电路四、光电倍增管的应用五、小结73.1.1光电阴极将不同波长的各种辐射信号转化为电信号，均依赖光电阴极；光电阴极关系到光电器件的各项光电性能8一、光电阴极的主要参数1.灵敏度2.量子效率3.光谱响应4.暗电流91.灵敏度包括光谱灵敏度与积分灵敏度。（1)光谱灵敏度定义在单色（单一波长）辐射作用于光电阴极时，光电阴极输出电流Ik与单色辐射通量φe,λ之比为光电阴极的光谱灵敏度Se,λ。λe,Ke,ΦIS（µA/W或A/W）10（2）积分灵敏度定义：在某波长范围内的积分辐射作用于光电阴极时，光电阴极输出电流Ik与入射辐射通量φe之比。在可见光波长范围内的“白光”作用于光电阴极时，光电阴极电流Ik与入射光通量φv之比为光电阴极的白光灵敏度Sv。（mA/W或A/W）(mA/lm)0λe,KedΦIS780380λv,KdΦISV11２.量子效率定义在单色辐射作用于光电阴极时，光电阴极发射单位时间发射出去的光电子数Ne,λ,与入射的光子数之比为光电阴极的量子效率ηλ（或称量子产额）。即λp,λe,NN量子效率和光谱灵敏度是一个物理量的两种表示方法。它们之间的关系为λe,λe,λe,Kλ1240qhc/q/SShΦI123.光谱响应曲线光电发射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。4.暗电流光电发射阴极中少数处于较高能级的电子在室温下获得了热能产生热电子发射，形成暗电流。光电发射阴极的暗电流与材料的光电发射阈值有关。一般光电发射阴极的暗电流极低，其强度相当于10-16~10-18A/cm2的电流密度。13二、光电阴极材料1.单碱与多碱锑化物光阴极单碱：金属锑（Sb）与碱金属锂（Li）、钠（Na）、钾（K）、铷(Rb)、铯（Cs）中的一种化合，能形成具有稳定光电发射的发射体。最常用的是锑化铯(Cs3Sb)，其阴极灵敏度最高。长波限约为650nm，对红外不灵敏，广泛用于紫外和可见光区的光电探测器中。锑化铯阴极的峰值量子效率较高，一般高达20%～30%，比银氧铯光电阴极高30多倍。多碱：两种或三种碱金属与锑化合形成多碱锑化物光阴极。其量子效率峰值可高达30%。暗电流低，光谱响应范围宽。双碱阴极锑钾钠（Na2KSb），锑铯钾（K2CsSb）；三碱阴极锑钾钠铯（NaKSbCs）142.银氧铯与铋银氧铯光电阴极银氧铯(Ag-O-Cs)阴极是最早使用的实用光阴极。它的特点是对近红外辐射灵敏。制作过程是先在真空玻璃壳壁上涂上一层银膜再通入氧气，通过辉光放电使银表面氧化，对于半透明银膜由于基层电阻太高，不能用放电方法而用射频加热法形成氧化银膜，再引入铯蒸汽进行敏化处理，形成Ag-O-Cs薄膜。银氧铯光电阴极的光谱响应有两个峰值，一个在350nm处，一个在800nm处。光谱范围在300nm到1200nm之间。量子效率不高，峰值处约0.5%～1%左右。银氧铯使用温度可达100℃，但暗电流较大，且随温度变化较快。15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，可以获得在整个可见光谱内有较均匀响应和高灵敏度的铋银氧铯光电阴极。铋银氧铯光电阴极制作方法很多，四种元素可以有不同的结合次序，如Bi-Ag-O-Cs,Bi-O-Ag-Cs,Ag-Bi-O-Cs等。量子效率可达10％，约为Cs3Sb光电阴极的一半，其优点是光谱响应与人眼相匹配。1617暗电流比较：Ag-O-CsBi-Ag-O-CsCs3Sb量子效率比较：Ag-O-CsBi-Ag-O-CsCs3Sb多碱灵敏度比较：Ag-O-CsBi-Ag-O-CsCs3Sb多碱183.紫外光电阴极通常来说，对可见光灵敏的光电阴极对紫外光也有较高的量子效率。有时，为了消除背景辐射的影响，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。这种阴极通常称为“日盲”（solarblind）型光电阴极。目前，比较实用的“日盲”型光电阴极有碲化铯(CsTe,c＝320nm)和碘化铯(CsI,c＝200nm)，日盲型光电倍增管是一种装置于空间卫星上进行紫外辐射探测，以及应用在原子分光光度计和核酸蛋白检测仪上进行紫外光谱检测的光电转换器件。194.负电子亲和势（NEA:NegativeElectro-affinity）光电阴极常规的光电阴极属于正电子亲和势(PEA)类型，即表面的真空能级位于导带之上。如果给半导体(Ⅲ-Ⅴ族)的表面作特殊处理，使表面区域能带弯曲，真空能级降低到导带之下，从而使有效的电子亲和势为负值，这种能带弯曲势必影响导带中电子逸出所需的能量，也就改变了光电逸出功。经过特殊处理的阴极称作负电子亲和势(NEA)光电阴极.20采用特殊工艺，例如在重掺杂P型硅表面涂一薄层CsO2，可形成NEA材料。NEA发射体和常规光电发射体的表面，电子状态是类似的，导带底上的电子能量都低于真空能级，其差值为Ea。但是，两者体内电子能量则不同。NEA发射体导带底的电子能量高于真空能级，而常规发射体电子亲和势仍是正的。NEA阴极的量子效率高于正电子亲和势阴极，可从其光电发射过程进行分析。价带中的电子吸收光子能量，跃迁到导带底以上，成为热电子（受激电子能量超过导带底的电子）。在向表面运动的过程中，由于碰撞散射而发生能量损失，故很快就落到导带底而变成冷电子（能量恰好等于导带底的电子）。热电子的平均寿命非常短，约10-14～10-12s。如果在这么短的时间内能够运动到真空界面，自然能逸出。但是热电子的逸出深度只有几十纳米，绝大部分电子来不及到达真空界面，就已经落到导带底变成冷电子了。冷电子的平均寿命比较长，约10-9～10-8s，其逸出深度可达1000纳米。因为体内冷电子能量仍高于真空能级，所以它们运动到真空界面时，可以很容易地逸出。因此NEA量子效率比常规发射体高得多。21特点：1.高吸收，低反射性质；2.高量子效率，50%~60%,长波到达9%;3.光谱响应可以达到1µm以上；4.冷电子发射光谱能量分布较集中，比较平坦5.暗电流小；6.在可见、红外区，能获得高响应度；7.工艺复杂，售价昂贵。乔建良；常本康；钱芸生等，负电子亲和势GaN光电阴极光谱响应特性研究，物理学报2010年05期22233.1.2光电管、像增强管24一、光电管光电管分为真空光电管和充气光电管。真空光电管主要由光电阴极和阳极两部分组成，因管内常被抽成真空而称为真空光电管。然而，有时为了使某种性能提高，在管壳内也充入某些低气压惰性气体形成充气型的光电管。无论真空型还是充气型均属于光电发射型器件，称为光电管。251、光电管的工作原理充气型光电管光生电子在电场的作用下运动，途中与惰性气体原子碰撞而电离，电离又产生新的电子，它与光电子一起都被阳极收集，形成数倍于真空型光电管的光电流。或充气真空型光电管当入射光透过光窗照射到光电阴极面上时，光电子从阴极发射出去，在阴极和阳极之间的电场作用下作加速运动，被高电位的阳极收集，其光电流的大小主要由阴极灵敏度和入射辐射的强度决定。262、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，受光照时，可向外发射光电子。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。27优点：光电阴极面积大，灵敏度较高，一般积分灵敏度可达20～200μA/lm；暗电流小，最低可达10-14A；光电发射弛豫过程极短缺点：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3、光电管的特点28二、像增强管（像管）由安装在高真空管壳内的光电阴极、电子透镜（有静电聚焦和磁聚焦两种）和荧光屏三部分组成。它的工作原理是将投射在光阴极上的光学图像转变成电子像，电子透镜将电子像聚焦并加速投射到荧光屏上产生增强的像，然后用照相方法记录下来。主要用作夜视仪，目前已发展到第四代防止离子反馈损坏精致的光电阴极而镀的一层离子障膜29黑夜中专业警用海上巡逻緝私、搜捕犯人、軍事战争、渔船走私夜间工地装备。黑暗中想看什么都清楚可見。完全黑暗伸手不見五指中使用比肉眼还清晰。30采用像增强管的夜视仪的发展历史第一代微光夜视仪（1962年）光学纤维面板（一种由大量光导纤维组成的薄板阵列，每根纤维传导一个像素减少了光的散射，传导效果好，由于可以将纤维的末端排列成曲面，天然的避免了像差，大大提高了成像质量。）级联像增强技术（将多个上述结构的像增强管串联起来，将光线逐级放大。）第二代微光夜视仪（20世纪60年代）微通道MCP（连续型通道像增强器的原理是一根内壁涂有电子发射材料的细管子，在管子两端的电极上加上直流电压，当电子从管子一头射入时，便在管内来回碰撞，激发出越来越多的电子，这些电子被管壁的电压加速，并且碰撞出的几何级数增加的电子，使得管子末端出射的电子获得很高的增益。通道电子倍增器的电子增益与管壁内的电子发射材料有关，与通道的长径比有关，与电压有关，但与通道的大小无关，所以可以做的极小，将其并列起来组成阵列，就可以用来传递显示图象了。单根通道的直径一般为10-12微米，长500微米，一块通道板包含数百万根通道管，既数百万像素，可以使图象的亮度增加几千乃至上万倍。）第三代微光夜视仪（20世纪80年代）负电子亲和势光电阴极（采用负电子亲和势砷化镓光电阴极。由于高灵敏度负电子亲和势光电阴极制作难度大，所以目前该技术掌握在少数发达国家手中，一些国家只能依赖进口。第三代管为了防止离子反馈损坏精致的光电阴极，都镀有一层离子障膜。）第四代微光夜视仪（1998年，美国利顿公司LittonIndustriesInc.）无膜微通道板像增强器。新式的夜视仪还采用了自动门控电源和无晕成像技术。可以自动控制光电阴极电压，改善在环境光线过强或有照明的情况下的夜视效果。无晕成像可以极大的减少由电子在像增强管的光电阴极到板的空隙中散射而引起的光晕。313.1.3光电倍增管32一.光电倍增管组成及工作原理光电倍增管（PMT：Photo-multipliertube）是一种真空光电发射器件，主要由光窗、光电阴极、电子光学系统、倍增系统和阳极五个主要部分组成。331.工作原理：（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，离开表面发射到真空中;（3）光电子通过电场加速和电子光学系统聚焦入射到第一倍增级上，倍增级将发射出比入射电子数目更多的二次电子。入射电子经N级倍增极倍增后，光电子就放大N次；（4）经过倍增后的二次电子由阳极收集，形成阳极光电流。342.光电倍增管的基本组成（1）光窗侧窗型（side－on）:从侧面接收入射光。使用不透明光阴极（反射式光阴极）和环形聚焦型电子倍增极结构，这