一种基于半导体致冷片的InGaAs光电阴极致冷装置的制作方法

本发明涉及的是一种基于半导体致冷片的InGaAs光电阴极致冷装置，可广泛应用于各种真空光电阴极的致冷。属于电真空光电探测技术领域。

背景技术：

真空光电探测器件是光电探测领域的一个重要分支，该类型器件可广泛应用于国防装备、航空航天、仪器仪表以及医疗设备等诸多领域，如紫外告警、激光雷达、微光夜视、电晕检测等。随着应用需求的不断提升，传统的二代碱化物光电阴极的灵敏度越来越满足不了实际需求，而随着半导体材料技术的发展，传统的二代阴极正在或即将被以氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)、镓砷磷(GaAsP)、铟镓砷(InGaAs)等为代表的三代负电子亲和势(NEA)高量子效率阴极所替代。

InGaAs是一种三元合金半导体材料，InGaAs阴极可通过调节In组分获得较GaAs光电阴极更宽的响应波段，从而获得0.6μm~1.7μm的响应，其工作波段范围可以完全覆盖可见光和夜天光能量。而InGaAs阴极通常需采用场助结构实现高量子效率。阈值波长的延伸，必须减小半导体光吸收层的带隙，带隙的减小及外加电场的作用，使场助InGaAs光电因的暗电流要比GaAs NEA光电阴极的暗电流大。

通过暗电流源的分析，可以发现场助InGaAs光电阴极的暗电流主要由“热空穴”的碰撞电离引起。反向偏压在半导体中产生的电场使电子获得较高能量的同时，也使得由肖特基势磊注入体内的空穴获得了较高的能量。这部分“热空穴”与晶格碰撞，电离出电子-空穴对。由于碰撞电离产生的电子在半导体导带中有较高的能量，因此这部分电子向真空的热发射构成了场助InGaAs光电阴极暗电流的重要分量。

因此，在InGaAs光电阴极实际使用中，非常有必要对其进行有效的致冷以显著降低其暗发射性能，尤其是在高温工作状态下，“热空穴”与晶格碰撞更厉害，暗发射也将大大提高。

技术实现要素：

本发明提出的是一种基于半导体致冷片的InGaAs光电阴极致冷装置，其目的是利用与光电阴极电气和导热连接的金属封接环通过半导体致冷片加风冷或水冷装置实现有效致冷，有效降低InGaAs阴极的热发射，扩大器件高温工作范围。

本发明的技术解决方案：一种基于半导体致冷片的InGaAs光电阴极致冷装置，利用InGaAs阴极与金属封接环的电气连接和导热特性，半导体致冷片通过金属散热片以及与之紧贴的金属封接环对InGaAs阴极进行有效致冷，而半导体致冷片热面的散热通过金属散热器和风扇或水循环装置进行。

本发明的优点：

在器件实际工作过程中，InGaAs阴极处热量可依次通过阴极金属封接环、金属散热片、半导体致冷片、金属散热器、风扇或水循环装置有效传导散出，一方面能显著降低器件常温工作时的暗发射水平，另一方面在高温工作环境下可显著抑制由于阴极暗发射提高而导致的器件整管暗电流的急剧增加，从而扩大器件高温工作范围。

附图说明

图1是 InGaAs光电阴极致冷装置结构示意图。

图2 是InGaAs光电阴极致冷装置实施例图。

图3是 InGaAs光电阴极与电极示意图。

图4 是金属散热片4截面图。

图5 是金属散热器6截面图。

具体实施方式

一种基于半导体致冷片的InGaAs光电阴极致冷装置，包括InGaAs阴极1、光窗玻璃2、金属封接环3、金属散热片4、半导体致冷片5、金属散热器6、风扇或水循环装置7、绝缘硅胶8，利用InGaAs阴极1与金属封接环3的电气连接和导热特性，半导体致冷片5通过金属散热片4以及与之紧贴的金属封接环3对InGaAs阴极1进行有效致冷，而半导体致冷片5热面的散热通过金属散热器6和风扇或水循环装置7进行。

所述半导体致冷片5的冷面应紧贴金属散热片4，热面应紧贴金属散热器6，而且半导体致冷片5与金属散热片4之间、以及半导体致冷片5与金属散热器6之间涂覆导热硅酯，以确保良好的导热功能。

若金属封接环3真空外部的接触面积大则可以省略金属散热片4与半导体致冷片5直接紧贴。

InGaAs阴极1与金属封接环3的电气连接和导热特性是通过光窗玻璃1外边缘金属电极实现，该电极材料为镍、铬、铜、金。

所述的金属散热片4和金属散热器6需采用导热性能良好的铜或铝金属材料制作，为了有效确保半导体致冷片5的工作效率，它们的外围直径应大于光电阴极光窗玻璃2和半导体致冷片5的外径。

所述的金属散热片4、半导体致冷片5、金属散热器6均需设计成中孔结构，而风扇或水循环装置7的安装也应避开阴极有效区域，以确保探测器正常工作时光信号能正常入射光电阴极。

所述的金属散热片4、半导体致冷片5、金属散热器6连接处内外围需涂覆≥2mm厚的绝缘硅胶8，以防止半导体致冷片5凝水造成金属封接环3和金属散热片4上的高压与金属散热器6上低压之间打火。

所述的半导体致冷片5允许多块级联以增强制冷能力，级联时半导体致冷片5的冷面需通过导热硅酯紧贴相邻半导体致冷片5的热面。

下面结合附图进一步描述本发明的技术方案：

对照附图，一种基于半导体致冷片的InGaAs光电阴极致冷装置，其结构包括InGaAs阴极1、光窗玻璃2、金属封接环3、金属散热片4、半导体致冷片5、金属散热器6、风扇或水循环装置7、绝缘硅胶8。其中，金属散热片4直接与金属封接环3紧贴，半导体致冷片5则通过导热硅酯分别用冷面连接金属散热片4、热面连接金属散热器6，风扇或水循环装置7则安装在金属散热器6上，金属散热片4、半导体致冷片5和金属散热器6连接处内外围涂覆≥2mm厚的绝缘硅胶8，以防止半导体致冷片5凝水所导致的高压打火现象。

金属散热片4、半导体致冷片5、金属散热器6需设计成中空结构，而风扇或水循环装置7的安装也应避开阴极有效区域，以确保探测器正常工作时光信号能正常入射光电阴极。InGaAs阴极与金属封接环的电气连接和导热特性是通过光窗玻璃外边缘铬金电极实现，如图3所示。

实施例，如图2所示，以Φ10mm有效直径的InGaAs阴极光电倍增管致冷装置：

（1）按照光窗玻璃2和金属封接环3的尺寸加工金属散热片4，其外径Φ32mm，中孔内径Φ10mm，以确保光信号能正常入射Φ10mm的阴极有效面。台阶以紧配合方式分别卡住光窗玻璃2和金属封接环3的外径，高度（不包括台阶）2~5mm。具体结构如图3所示，所用材料为导热性能良好的紫铜；

（2）加工铝质散热器，尺寸：36×36×36mm，采用肋片结构以扩大散热面积，齿高33mm，齿厚1.7mm，齿间距2mm，中孔Φ10mm，以确保光信号能正常入射Φ10mm的阴极有效面。采购内径Φ10mm，外径Φ26mm，厚度3.6mm的环行致冷片，并在两端面涂覆导热硅酯后将其冷面紧贴金属散热片4，热面紧贴金属散热器6；

（3）在金属散热器6侧边缘安装高送风量风扇7，通过风扇7四周螺丝将其固定在金属散热器6上；

（4）在金属散热片4、半导体致冷片5和金属散热器6连接处内外围涂覆≥2mm厚的绝缘硅胶8，以防止半导体致冷片5凝水所导致的高压打火现象。

致冷装置正常工作时，分别为半导体致冷片5和风扇7提供电源。其中，半导体致冷片5最大工作电压5.78V，最大工作电流3A，风扇7额定工作电压12V，电流0.1A。开展相关温度试验表明，在常温状态下，该装置的工作能使光电阴极暗发射降低至少一个量级；在50℃高温状态下，该装置能使光电阴极暗发射维持在常温水平。