1、第六章光電發射與光陰級斯托列托夫定律當入射光的頻率或頻譜成分不變時，光電發射體單位時間內發射出的光電子數或飽和光電流與入射光的強度成正比 ：光電(譜)靈敏度（單位： ） 光電發射的電子流密度分布正比于入射的輻射通量分布將輻射圖像轉換為光電子圖像一、光電發射的基本規律視頻演示愛因斯坦定律光電發射出來的光電子的最大初動能與入射光的頻率成正比，與入射光的強度無關 ：截止頻率(或紅限頻率) 當入射頻率低于 時，不論光強如何都不會產生光電發射 光電轉換的光譜響應范圍 臨界波長 二、 光電子發射的基本理論公認的光電發射理論模型三步過程模型(三階段理論)光電發射體內的電子被入射光子激發到高能態受激電子向表面

2、運動，在運動的過程中因碰撞而損失部分能量到達表面的受激電子克服表面電子親和勢而逸出（1）電子受激躍遷半經典的處理方法對入射的光輻射采用經典電磁場理論描述對電子的基態和受激態則采用量子力學方法描述(t)：受激躍遷的幾率速率(單位時間的幾率)A0：包含初相位在內的入射光的復振幅(k)：激發態的態密度分布函數：由動量所表示的微擾矩陣元與入射輻射強度|A0|2成正比與電子躍遷矩陣元成正比與激發態的態密度(k)成正比受激躍遷幾率(t)（2）受激電子向表面遷移過程光電發射體內電子受激后，在其壽命時間內要產生遷移運動能量損失散射自由電子散射晶格散射激子散射俄歇過程與體內束縛電子發生非彈性碰撞而產生次級電子空

3、穴對時，將損失更多的能量晶體缺陷、應力、晶粒邊界處產生的散射其它散射金屬中自由電子數量多，使受激電子在運動過程中受到很強的電子散射受激電子在運動較短的距離后就達到了電子的熱平衡只有靠近光電發射體表面處的受激電子才能遷移到表面激發電子的逸出深度小金屬的光電發射特性差（a）自由電子散射發生在金屬光電發射材料內的主要散射非間并的半導體在室溫狀態下，自由電子很少自由電子散射幾率顯著下降。自由電子散射可以忽略不計主要光電發射體都采用半導體材料金 屬半 導 體（b）晶格散射半導體光電發射材料中比較主要的一種散射晶體中晶格振動能量的改變是量子化的，改變量的大小為聲子當晶格振動對受激電子散射時，相互交換的是一

4、個聲子的能量受激電子每經過一次晶格散射會損失0. 0050.l e的能量，比自由電子散射的損失要小得多兩次晶格散射之間受激電子的平均自由程也較長受激電子可以遷移較長的距離而不損失過多的能量遷移到表面后，受激電子仍能具有克服表面電子親和勢的能量半導體光陰級受激電子的逸出深度大半導體光電發射材料優于金屬光電發射材料光電發射體積效應受激電子與價帶電子或其他束縛能級上的電子發生碰撞產生電離（c）束縛電子碰撞電離使受激電子損失較多的能量引起碰撞電離所需的能量為禁帶寬度的23倍閾值能量 Eth通過選擇適當的禁帶寬度使產生次級電子空穴對的閾值能量大于受激電子所具有最大能量如何避免？例如對于敏感于可見光譜域的

5、光電發射材料，要使波長350 nm以上的入射光子所激發的受激電子不產生次級電子空穴對，要求Eth3eV受激電子向表面遷移的幾率分析假定散射的幾率與受激電子所處的位置和能量大小無關受激電子產生于x處并能遷移到真空界面的幾率則受激電子產生深度每增加單位距離，遷移到表面的幾率減小倍令：令：平均逸出深度透 射 式 光 陰 極入 射 光光 電 子N0：入射的光子數：反射率：吸收系數：光陰極厚度xx截面處單位體積所吸收的光子速率則：x處dx間隔內所產生的受激電子速率全部受激電子能遷移到真空界面的總幾率通過x截面光子流密度產生于x處dx間隔內的受激電子遷移到真空界面的受激電子數目對陰極厚度積分積分得到遷移到

6、真空界面的全部受激電子數目故：每一個入射光子所激發的電子能夠遷移到真空界面的幾率透射式光陰極的最佳厚度透射式光陰極的最佳厚度（ 取最大值）一階導數等于0（3）電子逸出表面過程分析本征半導體的能帶圖遷移到表面的電子需要具有不小于EA的剩余能量才能夠逸出進入真空光電逸出功本征半導體在絕對零度時的長波閾(紅限)波長光電發射體內電子可由小于閾值波長的光子激發成為灼熱的電子，它經散射遷移到真空界面時，如具有克服電子親和勢EA的能量則可逸出表面，形成光電發射從價帶頂把電子激發到導帶并使之逸出表面的最低能量即價帶頂到真空能級之間的能量差受激電子逸出表面的條件受激電子逸出表面的幾率X方向的運動速度應滿足才能逸

7、出最大值0所決定的立體角內的電子才能逸出到達表面時能量為 E的電子逃逸幾率 受激電子能否逸出表面主要取決于電子親和勢受激電子能否逸出表面主要取決于電子親和勢半導體表面吸附有其他元素的分子、原子或離子，都可以形成束縛能級，稱之為表面態如果吸附層較厚，則在表層形成施主或受主能級，從而構成異質結表面處半導體的能帶的變化(彎曲)，因此改變了電子逸出表面的狀況，也就改變了電子逸出表面所需要的能量，即改變了它的光電逸出功半導體附有不同表面態的四種情況半導體附有表面態的能帶彎曲降低有效電子親和勢，有利于電子發射提高有效電子親和勢，不利于電子發射表面能帶不產生明顯彎曲(a) P型半導體附有N型表面態電子從導帶

8、底逸出表面所需的最小能量Eeff降低了P型半導體附有N型表面的匹配有利于電子逸出表面熱逸出功函數較大，熱電子發射較小，有利于降低光陰極的暗發射實用光陰極都采用這種結構三 負電子親和勢GaA s光陰極1963年提出以來，研究者用銫吸附在P型GaAs表面得到了零電子親和勢，其后又有人對GaAs表面以Cs和O2交替激活，得到了負電子親和勢特點：量子效率高、暗發射小、光電子能量分布和角分布集中積分靈敏度已經可以達到3000 A/lm以上，室溫下1.06 m波長處的量子效率也超過了9%目前，制成負電子親和勢的半導體材料有兩類：-族元素的化合物單晶半導體硅單晶半導體兩類都是通過吸附Cs、O表面層來形成負電

9、子親和勢負電子親和勢光陰極制作工藝負電子親和勢光電陰極的優點 (1)量子效率高 PEA：過熱電子發射過熱電子壽命短10-1410-15 s 1020 nm 逸出深度小NEA：所有受激電子都可參與發射非平衡電子壽命長長達10-8 s 可達1 m 逸出深度大（2）光譜響應延伸到紅外、光譜響應率均勻 NEA光電陰極的閾值波長 (3)熱電子發射小 負電子親和勢材料的禁帶寬度一般比較寬 熱電子發射較小，一般只有10-16A/cm2 (4)光電子的能量集中 四、 光電發射的極限電流密度 像管光陰極接受輻射進行圖像轉換時，所產生的光電發射電流密度將受到空間電荷效應的限制 維持光電發射要依賴于光陰極的真空界面

10、有向內的電場場強 電場是由電子光學系統提供的 光電發射將產生空間電荷（電子） 空間電荷所形成的附加場與電子光學系統的電場方向相反 如果忽略光電子的初速度，當光陰極面的法向場強為零時，光電發射就要受到抑制，這時像管的光電發射將呈飽和狀態。這一電流密度稱之為光電發射的極限電流密度。 直流工作時 平板二極管結構及極間電位分布1）直流工作情況在坐標 (x,0,0)點處取一微小體積 dV=dxdydz，穿過這一微小體積的電力線通量 E（x）：像管電子光學系統產生的軸向電場強度分布 如果電荷密度產生的附加軸向電場剛好等于E(x)，則達到極限工作狀態 ,根據高斯定理可得到 又：V(x)光電子的運動速度 dt

11、電場強度在一封閉曲面上的面積分等于封閉曲面所包圍的電荷量和與介電常數之比 故：又：故：邊界條件：X=0時：連續工作狀態下的光電發射極限電流密度關系式 光陰極的最大光電流密度與脈沖工作的時間成反比，與極間電位差呈正比 2）脈沖工作情況A：光陰極的有效發射面積L：二極管電極間距 U：極間電位差 ：脈沖的工作時間五、 典型實用光陰極對光陰級材料的要求（1）材料表面的反射系數較低 （2）電子親和勢盡可能低 （3）對于反射式光電陰極，半導體應該具有高的光吸收系數 （4）逸出深度應該盡可能地大，最好大于吸收深度 （5）禁帶寬度合適， 典型實用光陰極實用光陰極的種類很多，通常是以其敏感的光譜范圍來分類目前，

12、根據國際電子工業協會標準采用s系列序號來命名各種實用光陰極的光譜響應特性表7-3 S序號光陰極的主要性能見P143紫外及可見光敏感的光陰極的光譜響應特性可見光敏感的光陰極的光譜響應特性近紅外及可見光敏感的光陰極的光譜響應特性1）銀氧銫(Ag-O-Cs)光陰極（S-1）1929年最先發明的一種對近紅外光敏感的實用光陰極光譜響應范圍在300-1200 nm的波長區域響應曲線有兩個峰值：短波峰介于300-400 nm之間長波峰位于800 nm附近通過對已沉積好的薄Ag膜(最佳厚度為1020 nm)用輝光放電的方法氧化后再引Cs敏化制成的制備（2）銻銫(Sb-Cs)光陰極光譜響應在大部分可見光區和紫外

13、區，長波閾值接近650 nm峰值光譜靈敏度處于藍光和紫外波段，峰值的量子效率接近20%首先在真空中向基板上蒸鍍純Sb膜制作工藝透射式光陰極：要求Sb膜厚度為白光透射比下降到初始值的約70 %蒸Sb后進行引Cs熱處理，使光電發射達最大即可CsSb層厚度約 30 nm 銻銫光陰極結構CsSb層的化學組成為Cs3Sb禁帶寬度為1.6 eV多余的受主Sb的濃度約有1020 /cm3，其能級位于價帶頂之上約0.5eV處Cs3Sb晶體是P型的銻銫光陰極表面能帶圖在表面態的能級上由于銫的正離子和負空間電荷區之間構成一個偶極層，從而導致沿偶極層的電位下降，促使電子親和勢下降光電發射主要來自價于帶中的受激電子，

14、屬于本征光電發射光譜響應在200600 nm范圍內很平坦（3）多堿光陰極雙堿(如Sb-K-Cs、Sb-Rb-Cs)、三堿(如Sb-K-Na-CS)和四堿(如Sb-K-Na-Rb-Cs)，統稱為多堿光陰極在可見光波段有很高的量子效率，峰值量子效率接近30%(Cs)Na2KSb的光吸收隨波長增加而減小，根據該特點可以通過調整光陰極的厚度來改善它的光譜響應特性增加光陰極的厚度，增加長波響應可以將光陰極的長波閾延伸到0.9m以上短波響應有所降低（4）紫外光陰極窗口材料近紫外窗口材料的光譜透射比曲線透射式日盲紫外光陰極的光譜響應“日盲”紫外光陰極紫外光陰極一般可分為400200 nm，200104nm和

15、104 nm以下三類地表的太陽光光譜透射式紫外光陰極的光譜響應工作于200104 nm中紫外波段的光陰極思考題光陰極的光電發射的可分為哪三步？光電發射電流密度與入射光強度的關系如何？光陰極的表面態如何影響光電發射的量子效率?從材料能帶結構角度分析如何才能得到高效率的光電發射光電發射飽和現象產生的原因是什么？七：次級電子發射現象 1、電子與物質的相互作用 二次電子 510nm 背散射電子 50200nm 特征X-射線 1001000nm 俄歇電子 510nm 吸收電子 1001000nm滴狀作用體積二次電子發射的特性曲線二次電子發射系數是初電子入射角和加速電位的函數，并且存在極值2） 二次電子發

16、射系數出射的電子數與入射的電子數之比值，也稱為二次電子倍增系數定性解釋入射電子入射到材料表面后，因散射、碰撞損失能量、改變運動方向行程末端（梨形區域）能量損失速度最快，產生的內次級電子數目最多電子能量低，入射深度小，但產生的內次級電子數目也少 電子能量高，入射深度大，產生的內次級電子數目也多，但距材料表面也遠 電子斜入射，使內次級電子產生深度變淺，容易從表面發射出來結論為獲得最大的二次電子發射系數，應取：（1）原電子入射角接近90，即取掠射電子。（2）原電子的加速電壓應取最佳值，過高或過低都將不利2 二次電子發射的物理過程 材料體內的電子被入射電子激發到高能態碰撞電離23Eg受激電子向表面運動

17、，在運動的過程中因碰撞而損失部分能量到達表面的受激電子克服表面電子親和勢而逸出三步驟模型真二次電子的發射過程 入射電子激發當原電子能量高即速度大時，原電子與其行程附近的原子作用時間短，所以束縛電子受到激發的可能小在全部行程里，大多數電子形成于行程的末端。原電子初能愈大，就有更多的內次級電子產生在表面下的深處內次級電子隨原電子行程的分布示意圖 原電子能量損失規律 惠丁頓定律 原電子的最大行程 原電子在單位路程上產生的內次級電于數目正比于它的能量損失率 內次級電子主要產生于原電子形成的末端八、半導體及絕緣體的次級電子發射 導電性不良，引起電荷積累1時表面積累正電荷表面電位升高1情況假定起始時靶表面

18、的電位和收集極電位相等 穩定后靶表面的電位上升到 有效次級發射系數=1 略高于收集極電位1情況（CO段）C起始時靶表面的電位穩定后靶表面的電位下降到陰極電位 有效次級發射系數=1 九、實用的次級電子發射材料 1）對次級電子發射材料的要求 (1)應當有足夠大的次級電子發射系數，尤其是在原電子能量較低的情況下(例如100eV左右)仍有相當大的值；(2)次級電子發射系數應當有高的穩定性，即不隨溫度、時間、真空狀況等因素有大的變化；(3)應當有足夠的發射能力；(4)不存在其他性質的發射(如熱發射、光電發射等)。2）實用的次級電子發射材料 （1）銻銫和銀氧銫發射體 二次發射系數大不能支取較大的電流密度 （2）合金發射體 穩定性高，可以支取較大的電流密度 常用鎂或鈹的合金，合金中的另一種材料是銀