光电阴极与光电倍增管.ppt
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1、知识回顾知识回顾1.1.光电二极管光电二极管分类分类符号符号接法接法光敏二极管符号光敏二极管符号光敏二极管接法光敏二极管接法 2.2.光电二极管跟普通二极管和光电池的区别光电二极管跟普通二极管和光电池的区别与普通二极管相比与普通二极管相比共同点:共同点:一个一个PNPN结,单向导电性结,单向导电性不同点:不同点:(1 1)受光面大,)受光面大,PNPN结面积更大,结面积更大,PNPN结深度较浅结深度较浅(2 2)表面有防反射的)表面有防反射的SiOSiO2 2保护层保护层(3 3)外加反偏置)外加反偏置与光电池相比与光电池相比共同点:共同点:均为均为PNPN结,利用光伏效应,结,利用光伏效应,
2、SiOSiO2 2保护膜保护膜不同点:不同点:(1 1)结面积比光电池的小,频率特性好)结面积比光电池的小,频率特性好;(2 2)光生电势与光电池相同,但电流比光电池小)光生电势与光电池相同,但电流比光电池小;(3 3)可在零偏压下工作,常在反偏置下工作。)可在零偏压下工作,常在反偏置下工作。3.3.光电三极管的电流关系及电连接方法光电三极管的电流关系及电连接方法根据共发射极电流关系有:根据共发射极电流关系有:IbIp Ic =Ie=(1+)Ib=(1+)Ip=(1+)ESE4.4.象限探测器象限探测器光电二极管光电二极管 由于由于I I层比层比PNPN结宽的多,光生电流增大结宽的多,光生电流
3、增大;由于耗尽层变宽,结电容变小;提高响应速度由于耗尽层变宽,结电容变小;提高响应速度;由于由于I I层电阻率很高,故能承受的电压增大层电阻率很高,故能承受的电压增大;OxA位置传感器位置传感器7 7雪崩光电二极管;雪崩光电二极管;第第3 3章章 光电阴极与光电倍增管光电阴极与光电倍增管 本章主要内容:本章主要内容:3.1 3.1 阴极与阴极电子学阴极与阴极电子学3.2 3.2 外光电效应外光电效应3.2 3.2 光电阴极光电阴极光电管和光电倍增管光电管和光电倍增管l阴极(阴极(CathodeCathode)电子器件中发射电子的一极(电子源)电子器件中发射电子的一极(电子源)l阴极电子学阴极电
4、子学 研究:研究:1 1)电子和离子从固体表面的发射过程)电子和离子从固体表面的发射过程 2 2)粒子)粒子 固体表面相互作用的物理过程固体表面相互作用的物理过程3.1 3.1 阴极与阴极电子学阴极与阴极电子学l 从能带理论浅谈电子发射从能带理论浅谈电子发射 【思考思考】如何使体内电子逸出?如何使体内电子逸出?第一种方式第一种方式第二种方式第二种方式使体内电子逸出的方法:使体内电子逸出的方法:1)增加电子能量)增加电子能量2)削弱阻碍电子逸出的力)削弱阻碍电子逸出的力阴极发射电子(第一种方式)阴极发射电子(第一种方式)阴极发射电子(第一种方式)阴极发射电子(第一种方式)1.1.增加电子能量增加
5、电子能量克服表面势垒而逸出克服表面势垒而逸出阴极阴极加热加热T T足够高足够高部分电子获得足够能量部分电子获得足够能量(1 1)热电子发射)热电子发射(热阴极)(热阴极)金属金属半导体半导体E=E0-EF阴极发射电子(第一种方式)阴极发射电子(第一种方式)阴极发射电子(第一种方式)阴极发射电子(第一种方式)1.1.增加电子能量增加电子能量克服表面势垒而逸出克服表面势垒而逸出阴极阴极加热加热T T足够高足够高部分电子获得足够能量部分电子获得足够能量(1 1)热电子发射)热电子发射(热阴极)(热阴极)光辐射光辐射 物体物体 体内电子吸收光量子后逸出体内电子吸收光量子后逸出(2 2)光电子发射)光电
6、子发射(光电阴极)(光电阴极)阴极发射电子(第一种方式)阴极发射电子(第一种方式)阴极发射电子(第一种方式)阴极发射电子(第一种方式)光辐射光辐射 物体物体 体内电子吸收光量子后逸出体内电子吸收光量子后逸出(2 2)光电子发射)光电子发射(光电阴极)(光电阴极)半导体光电子主要发射分三类:半导体光电子主要发射分三类:本征发射:价带电子本征发射:价带电子导带电子导带电子 h hEEC C-E-EV V杂质发射:杂质能级电子杂质发射:杂质能级电子导带电子导带电子 h h E Eg g自由载流子发射:自由载流子自由载流子发射:自由载流子导带电子导带电子 忽略不计忽略不计 半导体光电子主要发射分三步:
7、半导体光电子主要发射分三步:对光子的吸收对光子的吸收电子向表面运动电子向表面运动克服表面势垒而逸出克服表面势垒而逸出阴极发射电子(第一种方式)阴极发射电子(第一种方式)阴极发射电子(第一种方式)阴极发射电子(第一种方式)1.1.增加电子能量增加电子能量克服表面势垒而逸出克服表面势垒而逸出阴极阴极加热加热T T足够高足够高部分电子获得足够能量部分电子获得足够能量(1 1)热电子发射)热电子发射(热阴极)(热阴极)光辐射光辐射 物体物体 体内电子吸收光量子后逸出体内电子吸收光量子后逸出(2 2)光电子发射)光电子发射(光电阴极)(光电阴极)(3 3)次级电子发射)次级电子发射(次级电子发射体)(次
8、级电子发射体)初始能量电子初始能量电子 轰击物体轰击物体 体内电子获得能量逸出体内电子获得能量逸出2.2.降低阻碍电子逸出的力降低阻碍电子逸出的力(4 4)场致发射)场致发射(场发射阴极)(场发射阴极)固体表面施加强电场固体表面施加强电场 削弱势垒削弱势垒 体内部分电子体内部分电子通过通过隧道效应隧道效应进入真空进入真空量子隧穿示意图量子隧穿示意图IIIIII阴极发射电子(第二种方式)阴极发射电子(第二种方式)阴极发射电子(第二种方式)阴极发射电子(第二种方式)CRTCRT(Cathode Ray TubeCathode Ray Tube)和和 FED(Field Emission Displ
9、ay)阴极的应用举例阴极的应用举例阴极的应用举例阴极的应用举例阴极射线管(阴极射线管(CRT)CRT(CathodeRayTube)和和 FED(Field Emission Display)索尼索尼20102010 被视为继液晶、等离子、OLED之后的第四大平板显示技术场致发射显示器(场致发射显示器(FED)MoSiO2GlassMoSi场发射阵列制作过程场发射阵列制作过程 金属或半导体受光照时,如果入射的光子能量金属或半导体受光照时,如果入射的光子能量hh足够足够大,它和物质中的电子相互作用,使电子从材料表面逸出大,它和物质中的电子相互作用,使电子从材料表面逸出的现象,也称为外光电效应。它
10、是真空光电器件光电阴极的现象,也称为外光电效应。它是真空光电器件光电阴极的物理基础。的物理基础。3.2 3.2 外光电效应外光电效应 当照射到光阴极上的入射光频率或频谱当照射到光阴极上的入射光频率或频谱成分不变时,饱和光电流(即单位时间内发成分不变时,饱和光电流(即单位时间内发射的光电子数目)与入射光强度成正比:射的光电子数目)与入射光强度成正比:I Ik :光电流:光电流e e :光强:光强S Se :该阴极对入射光线的灵敏度:该阴极对入射光线的灵敏度u 光电发射第一定律光电发射第一定律斯托列托夫定律斯托列托夫定律u 光电发射第二定律光电发射第二定律爱因斯坦定律爱因斯坦定律 光电子的最大动能
11、与入射光的频率成正比,而与入、光电子的最大动能与入射光的频率成正比,而与入、射光强度无关:射光强度无关:Emax:光电子的最大初动能。:光电子的最大初动能。h:普朗克常数。普朗克常数。0:产生光电发射的极限频率,频率阈值。产生光电发射的极限频率,频率阈值。W:金属电子的逸出功(从材料表面逸出时所需的金属电子的逸出功(从材料表面逸出时所需的 最低最低 能量),单位能量),单位eV,与材料有关的常数,与材料有关的常数,也称功函数。也称功函数。Emax=(1/2)m2max=h-h0=h-W 入射光子的能量至少要等于逸出功时,才能发生入射光子的能量至少要等于逸出功时,才能发生光电发射。光电发射。波长
12、阈值:波长阈值:hWhc/W0EA2=E0-EC20体内:体内:P型型表面:表面:N型型表面表面电子,电子,能级能级Ec1入射光子入射光子体内体内电子,能级电子,能级Ec1表面逸出电子表面逸出电子E0-Ec1 0体内体内有效有效电子亲和势电子亲和势:EAe=E0-EC10EA2=E0-EC20EAe=E0-EC10NEA的最大优点:的最大优点:量子效率比常规发射体高得多量子效率比常规发射体高得多 光电发射过程分析:光电发射过程分析:热电子热电子受激电子能量受激电子能量超过导带底的电子超过导带底的电子 冷电子冷电子能量恰好等于能量恰好等于导带底的电子导带底的电子 NEANEA量子效率比常规发射体
13、高得多!量子效率比常规发射体高得多!2.2.负电子亲和势阴极负电子亲和势阴极NEA的优点:的优点:量子效率比常规发射体高得多量子效率比常规发射体高得多 1 1、量子效率高、量子效率高2 2、阈值波长延伸到红外区、阈值波长延伸到红外区3 3、由于、由于“冷冷”电子发射,能量分电子发射,能量分散小,在成象器件中分辨率极高散小,在成象器件中分辨率极高4 4、延伸的光谱区内其灵敏度均匀、延伸的光谱区内其灵敏度均匀2.2.负电子亲和势阴极负电子亲和势阴极 当负电子亲和势光电阴极受当负电子亲和势光电阴极受光照时,被激发的的电子在光照时,被激发的的电子在导带内很快热化导带内很快热化(约约1010-12-12
14、s)s)并并落入导带底落入导带底(寿命达寿命达1010-9-9s)s)。热化电子很容易扩散到能带热化电子很容易扩散到能带弯曲的表面,然后发射出去,弯曲的表面,然后发射出去,所发射光电子的能量基本上所发射光电子的能量基本上都等于导带底的能量。都等于导带底的能量。知识回顾知识回顾1.1.阴极,使阴极发射电子的方式?阴极,使阴极发射电子的方式?电子器件中发射电子的一极(电子源)电子器件中发射电子的一极(电子源)知识回顾知识回顾1.1.阴极,使阴极发射电子的方式?阴极,使阴极发射电子的方式?2.2.光电阴极光电阴极 能够产生光电发射效应的物体称为光电发射体能够产生光电发射效应的物体称为光电发射体(1)
15、Ag-O-Cs:可见和近红外响应:可见和近红外响应,0.42%(2)单碱锑化合物单碱锑化合物(PEA):紫外和可见光区,:紫外和可见光区,20%-30%(3)多碱锑化合物多碱锑化合物(PEA):紫外和可见光区:紫外和可见光区+红外,红外,20%(4)紫外光电阴极材料:日盲型,紫外光电阴极材料:日盲型,碲化铯,碘化铯碲化铯,碘化铯C C(5)负电子亲合能材料负电子亲合能材料(NEA)3.3.作为光电阴极材料,金属和半导体材料的优缺点?作为光电阴极材料,金属和半导体材料的优缺点?反射系数大、吸收系反射系数大、吸收系数小、碰撞损失能量数小、碰撞损失能量大、逸出功大适大、逸出功大适应对紫外灵敏的光电应
16、对紫外灵敏的光电探测器。探测器。光吸收系数大得多,散光吸收系数大得多,散射能量损失小,量子效射能量损失小,量子效率比金属大得多光率比金属大得多光谱响应:可见光和近红谱响应:可见光和近红外波段。外波段。金属:金属:半导体:半导体:知识回顾知识回顾4.4.负电子亲和势材料,特点?负电子亲和势材料,特点?知识回顾知识回顾4.4.负电子亲和势材料,特点?负电子亲和势材料,特点?1 1、量子效率高、量子效率高2 2、阈值波长延伸到红外区、阈值波长延伸到红外区3 3、由于、由于“冷冷”电子发射,能量分电子发射,能量分散小,在成象器件中分辨率极高散小,在成象器件中分辨率极高4 4、延伸的光谱区内其灵敏度均匀
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