,第二章 光电探测器件,光辐射探测器,1、根据测量光信号大小，探测器能输出多大的电信号，即探测器的响应率大小。,2、探测器的光谱响应范围是否同测量光信号的相对光谱分布相一致。,3、对某种探测器，它能探测的极限功率是多少。,4、当测量调制或脉冲光信号时输出的电信号是否能正确反映入射光信号的波形。,5、当测量的光信号幅度变化时，探测器输出的信号幅度是否能线性的响应。,一、有关响应方面的特性参数,1响应度(或称为灵敏度),2光谱响应度,一、有关响应方面的特性参数,3积分响应度,总光通量,输出电流,一、有关响应方面的特性参数,4响应时间,一、有关响应方面的特性参数,5频率响应,二、有关噪声方面的特性参数,1热噪声,热噪声电压,热噪声电流,2散粒噪声,二、有关噪声方面的特性参数,3产生复合噪声,41/f噪声,三、衡量噪声的参数,1信噪比(SN),用分贝表示,2噪声等效功率(NEP),三、衡量噪声的参数,3探测率D与归一化探测率D*,4暗电流,光电检测器件在没有输入信号和背景辐射时所流过的电流(加电源时),四、其它参数,1.量子效率(),在某一特定波长上每秒钟内产生的光电子数与入射光量子数之比,每秒产生的光电子数,四、其它参数,2.线性度,3.工作温度,指光电探测器最佳工作状态时的温度,2.2 真空光电器件,1.光电阴极 2.真空光电管 3.光电倍增管,（一）光电阴极-光电发射材料,1.光阴极表面对光辐射的反射小而吸收大； 2.光电子在向表面运动中受到的能量散射损耗小 3.光阴极表面势垒低，电子逸出概率大。,主要参数,1、（光谱）灵敏度 2、量子效率 3、光谱响应 4、热电子发射,(一)常用的经典光电发射材料,1银氧铯(Ag-O-Cs)阴极 两个峰值:0.35m，0.8m处,2锑铯(CsSb)阴极,3多碱光电阴极,(1)锑钾钠阴极,(一)常用的经典光电发射材料,(2)锑钾钠铯阴极,4紫外光电阴极 碲化铯这种材料对太阳和地表辐射不敏感。在紫外区，它有有限宽的响应范围(100280nm)。长波限在290320nm。,对于金属情况，金属内光电子发射来源于费米能级EF附近。光电发射阈值定义为电子真空能级E0与EF之差，即：,由于金属对光辐射的反射强而吸收弱，加之金属中自由电子浓度大，光电子受到的能量散射损失自然大，因而光电发射效率很低。,半导体自由电子较少，且有禁带，费米能级EF一般都在禁带当中，且随掺杂和内外电场变化。,半导体电子逸出功定义为T=0K时真空能级与电子发射中心的能级之差，而电子发射中心的能级有的是价带顶，有的是杂质能级，有的是导带底，情况复杂，因此对于半导体很少用电子逸出功的概念。,由于电子逸出功不管从哪里算起，其中都包含有亲和势（真空能级与导带底之差），因此为了表示光电发射的难易，使用亲和势的概念比使用逸出功的概念更有实际意义。所以，对于半导体一般不用逸出功的概念，而用电子亲和势的概念。为了表示光电发射的能量阈值，许多资料都是按真空能级与价带顶之差（亲和势加上禁带宽度）来计算。,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E为：,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和势就是指的EAe， 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E 表示，于是体内光电子的有效电子亲和势变为：,由于E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。,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。,这就是NEA光阴极的基本原理。,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。,(二)负电子亲和势材料,突出特点： 高吸收低反射的光学性质，高量子效率 光谱能量分布集中（高斯分布），光谱响应平坦 积分响应率高 可见光、红外区能获得高灵敏度,光电管,真空光电管构造示意图,（三）光电倍增管(PMT),入射窗、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统和阳极,1.光电倍增管组成,光窗（Input window ) 光电阴极(Photo cathode) 电子光学系统 电子倍增系统(Dynodes) 阳极(Anode),1光窗,2光电阴极,光电阴极光谱响应曲线,反射式,透射式,最简单 常用的 性能最好,3电子光学系统,4倍增系统,倍增系统是由许多倍增极组成的综合体，每个倍增极都是由二次电子倍增材料构成，具有使一次电子倍增的能力。因此倍增系统是决定整管灵敏度最关键的部分。,倍增极材料和结构,各种倍增极的结构形式 a) 百叶窗式 b) 盒栅式 c) 直瓦片式 d) 圆瓦片式,百叶窗式 b) 盒栅式 c) 直瓦片式 d) 圆瓦片式,5阳极,2、光电倍增管分类,1.按进光方式： A侧窗式 B端窗式；,2.电极工作方式：A透射式 B反射式； 3.倍增极数目： A单极 B多极； 4.倍增极系统结构： A盒状 B圆笼式 C百叶窗式 D直线瓦片式； 5.光电阴极材料：CsSb、Ag-O-Cs、碱,1、灵敏度 2、放大倍数（增益） 3、暗电流 4、噪声 5、伏安特性 6、时间响应,3、PMT的主要特性参数,1.灵敏度,2.电流增益M,M = IA/IK =SA/SK,Mn,4、噪声,3、暗电流,5、伏安特性,6、时间响应,1、灵敏度,4.3 光电倍增管的基本特性,(2)阳极灵敏度,定义光电倍增管阳极输出电流Ia与入射光谱辐射通量之比为阳极的光谱灵敏度，并记为,若入射辐射为某一波段范围，则定义为阳极积分灵敏度,阳极光照灵敏度,2、电流放大倍数（增益）,4.3 光电倍增管的基本特性,光电倍增管阳极电流与阴极电流的比值，称为光电倍增管的电流放大倍数或称增益。,光电倍增管倍增极的二次电子发射系数与一次电子的加速电压UDD有关，当电压在几十至几百伏时，可表示为,C是常数，k值与倍增极的材料和结构有关。,2、电流放大倍数（增益）,4.3 光电倍增管的基本特性,例如，对于锑化铯倍增极,如果光电倍增管有N级倍增极，那么光电阴极发射的光电流经过各级倍增极倍增后，从阳极输出的电流为,对于氧化银镁合金倍增极,为电子光学系统的收集率； 和 分别是1，2n级倍增极的二次电子发射系数和电子收集率。,2、电流放大倍数（增益）,4.3 光电倍增管的基本特性,假定各倍增极的电子反射系数和电子收集率相等，则电流放大倍数为：,对于锑化铯倍增极材料,对银镁合金材料,3、暗电流,4.3 光电倍增管的基本特性,光电倍增管在无辐射作用下的阳极输出电流称为暗电流，记为ID。光电倍增管的暗电流值在正常应用的情况下是所有光电探测器件中暗电流最低的器件。,(1) 热电子发射,由于光电阴极材料的光电发射阈值较低，容易产生热电子发射，即使在室温下也会有一定的热电子发射，并被电子倍增系统倍增。降低光电倍增管的温度是减小热发射暗电流的有效方法。,3、暗电流,4.3 光电倍增管的基本特性,(2) 欧姆漏电,欧姆漏电主要指光电倍增管的电极之间玻璃漏电、管座漏电和灰尘漏电等。欧姆漏电通常比较稳定，对噪声的贡献小。在低电压工作时，欧姆漏电成为暗电流的主要部分。,光电倍增管中高速运动的电子会使管中的残余气体电离，产生正离子和光子，它们也将被倍增，形成暗电流。这种效应在工作电压高时特别严重，使倍增管工作不稳定。降低工作电压会减小残余气体放电产生的暗电流。,(3) 残余气体放电,3、暗电流,4.3 光电倍增管的基本特性,(4)场致发射,光电倍增管的工作电压高时还会引起管内电极尖端或棱角的场强太高产生的场致发射暗电流。显然降低工作电压场致发射暗电流也将下降。,当部分电子偏离正常轨迹打到管壁上时会出现玻璃壳放电或玻璃荧光现象，引起暗电流脉冲。为了消除这种形式的暗电流脉冲，可使管子工作在高阳极电压和阴极接地的供电方式，在玻壳外涂敷一层导电层和阴极相连。,(5)玻璃壳放电和玻璃荧光,4、噪声,4.3 光电倍增管的基本特性,光电倍增管噪声主要由散粒噪声和负载电阻的热噪声组成。,(1)负载电阻的热噪声:主要来自负载电阻或运算放大器的反馈电阻和运算放大器的输入阻抗。,4、噪声,4.3 光电倍增管的基本特性,(2)散粒噪声:由阴极暗电流Id，背景辐射电流Ib以及信号电流Is的散粒效应所引起的。,散粒噪声电流将被逐级放大，并在每一级都产生自身的散粒噪声。如第1级输出的散粒噪声电流为,4、噪声,4.3 光电倍增管的基本特性,(2)散粒噪声:,第2级输出的散粒噪声电流为,第n级倍增极输出的散粒噪声电流为,设各倍增极的发射系数都等于，则倍增管末倍增极输出的散粒噪声电流为,4、噪声,4.3 光电倍增管的基本特性,(2)散粒噪声:,通常在36之间， 接近于1，则光电倍增管输出的散粒噪声电流简化为,总噪声电流为,4、噪声,4.3 光电倍增管的基本特性,(2)散粒噪声:,在设计光电倍增管电路时，总是力图使负载电阻的热噪声远小于散粒噪声,设光电倍增管的增益G=104，阴极暗电流Idk=10-14A，在室温300K情况下，只要阳极负载电阻Ra满足下式，计算电路的噪声时就可以只考虑散粒噪声。,5、伏安特性,4.3 光电倍增管的基本特性,(1)阴极伏安特性,当入射光电倍增管阴极面上的光通量一定时，阴极电流Ik与阴极和第一倍增极之间电压(简称为阴极电压Uk)的关系曲线称为阴极伏安特性,当阴极电压较小时阴极电流Ik随Uk的增大而增加，直到Uk大于一定值(几十伏特)后，阴极电流Ik才趋向饱和，且与入射光通量成线性关系。,5、伏安特性,4.3 光电倍增管的基本特性,(2)阳极伏安特性,当入射到光电倍增管上的光通量一定时，阳极电流Ia与阳极和末级倍增极之间电压(简称为阳极电压Ua)的关系曲线称为阳极伏安特性。,当阳极电压增大到一定程度后，被增大的电子流已经能够完全被阳极所收集，阳极电流Ia与入射到阴极面上的光通量成线性关系而与阳极电压的变化无关。,6、线性,4.3 光电倍增管的基本特性,(1) 内因，即空间电荷、光电阴极的电阻率、聚焦或收集效率等的变化，(2) 外因，光电倍增管输出信号电流在负载电阻上的压降对末级倍增极电压产生负反馈和电压的再分配都可能破坏输出信号的线性。,光电倍增管的线性一般由它的阳极伏安特性表示，它是光电测量系统中的一个重要指标。线性不仅与光电倍增管的内部结构有关，还与供电电路及信号输出电路等因素有关。,7、疲劳与衰老,4.3 光电倍增管的基本特性,光电倍增管在正常使用的情况下，随着工作时间的积累，灵敏度也会逐渐下降，且不能恢复，这中现象称为衰老。,在较强辐射作用下倍增管灵敏度下降的现象称为疲劳。这是暂时的现象，待管子避光存放一段时间后，灵敏度将会部分或全部恢复过来。,4、PMT的供电电路,1)电源电压稳定性的要求,2)电