第4章
光电发射器件
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第4章 光电发射器件 Photoemissive Device
光电发射器件是基于外光电效应的器件 真空光电器件
光电管 光电倍增管 像增强管
特点：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 应用:微弱辐射的探测和快速弱辐射脉冲信息捕捉等
Φv,λ d
mA/lm
即光电阴极输出电流Ik与可见光波长范围内入射辐射通 量φe之比。白光灵敏度
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2.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
N e, λ N p, λ
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光电管
光电倍增管 像增强管
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具有外光电效应的材料 －－光电子发射体
光电子发射器中的光电子发射体 －－又称为光电阴极
光电阴极是完成光电转换的重要部件，其性能 好坏直接影响整个光电发射器件的性能！！！
பைடு நூலகம்
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4.1光电发射阴极
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。常将半导体光电发射材料， 涂于玻壳内壁，构成光电发射阴极，而阳极是金属环或金 属网，在其对面。
式中Eφ是光阴极材料的功函数。该式说明了理想情况 下光阴极材料能否产生光电发射的条件实际上，光电子从 光阴极内部逸出表面经过三个过程： 1)光阴极内部电子吸收光子能量，被激发到真空能级以上 的高能量状态； 2) 这些高能量的光电子在向表面运动过程中，受到其它 电子碰撞，散射而失去一部分能量； 3)光电子到达表面时还要克服表面势垒才能最后逸出。
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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。一般暗电流极低，其强度相当于
10-16~10-18Acm-2的电流密度。
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4.1.2 光电阴极材料
四类光电阴极：单碱与多碱锑化物光电阴极、银氧铯与铋 银氧铯光电阴极、紫外光电阴极、负电子亲和势光电阴极
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3、银氧铯(Ag-O-Cs)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。
IK µ A/W或A/W Φe,λ
即单色（单一波长）辐射时，光电阴极输出电流Ik与单色 辐射通量φe,λ之比。 Ik 2) 积分灵敏度：Se mA/W或A/W。 0 Φe,λ d 即光电阴极输出电流Ik与某波长范围内入射辐射通量φe 之比。 3) 色灵敏度： SV
Ik

780
380
10 η =1%
量子效率不高，两个峰值处 约0.5%～1%左右。银氧铯使用 温度可达100℃，但暗电流较大， 热电子发射密度在室温下超过 任何其它实用阴极，约为1011~10-14A/cm2。长期受光照后， 会产生严重的疲劳现象
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S( )(mA/W)
1
η =0.1%
0.2 0.4
0.8 1.0 1.2 (mm) 光谱响应曲线
4.1.1 光电发射阴极的主要参数
光电发射阴极的主要特性参数有： 1.灵敏度——输出电流对光照的敏感程度 2.量子效率——照射光子数与发射电子数关系 3.光谱响应——灵敏度等与入射辐射波长的关系 4.暗电流——光照时由热电子发射产生的电流
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1. 灵敏度
1) 光谱灵敏度： S e,
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因此，一个良好的光阴极应该满足三个条件：
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。
许多金属和半导体材料虽然都能产生光电效应， 但依据上述原则，金属和半导体材料相比光电发射 效率要低得多。
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1. 单碱锑化物光电阴极
单碱锑化物：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。
100 SbKCs CsSb S ()( m A/ W) 10 NaKSbCs
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。
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
Se,λ hc 1240 Se,λ Ik / q λ Φe,λ / h q
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3. 光谱响应
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。 1.24 C (μm) 光阴极光谱响应的截止波长： E (eV)
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0.3
0.5 0.7 (m m)
0.9
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2、多碱锑化物光电阴极
多碱锑化合：两种以上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（NaKSb Cs）
锑钾钠(NaKSb)阴极的光谱响应与锑铯阴极相近，光照灵敏度可达 50μA/lm。最大特点是耐高温，工作温度可达175℃，而一般含铯阴 极的工作温度不能超过60℃，因此可用于石油勘探等特殊场合。它 的热电子发射很小，室温下约10-17～10-18A/cm2，光电疲劳效应也小， 因此也常用于光子计数技术中。 锑钾钠铯(NaKSbCs)阴极是三碱阴极中最有实用价值的一种，光照 灵敏度为150μA/lm。它从紫外到近红外的光谱区都具有较高的量 子效率。热电子发射约10-14～10-16A/cm2，而且工作稳定性好，疲 劳效应很微小。