电子发射与光电阴极

1、电子发射与光电阴极机电工程学院 李飙引言电子发射主要研究电子如何从固体中逸出进入真空的规律。如何从固体里获得大量电子，使它们存在于真空中，形成较理想的电子源，更有利于人类进行科研和实践生产（例如有了理想电子源，才能研制和生产出各类电真空器件，各类电子显微镜和电子谱仪等），是学习和研究电子发射的目的。固体里虽含有大量电子，但这些电子在常态下所具有的能量是不足以逸出物体的，要使它们释放出来，必须给予激励，赋予额外能量，或设法消除阻碍它们逸出的力作用。目前，利用外界能量可有效激发固体的电子使其发射的主要方式有：1、加热固体使其产生热电子发射。把物体加热到足够高的温度，物体内的电子能量也必将随着温度的

2、升高而增大，其中获得能量较多的那一部分电子就有可能克服抑制它们逸出的障碍由体内进入真空。这样得到的电子发射叫热电子发射。它是从外界赋予电子能量最简单，也是应用得最广泛的一种发射方式。2、在固体表面施加很强的电场，使其产生场致电子发射。在物体的表面外加很高电压，使其产生非常强(>105V/cm)的电场。体内的电子在场的作用下也能有效地消除表面的阻碍作用而透入真空。这种发射叫场致电子发射。场致发射不仅可以获得107A/cm2以上的发射电流密度，制成较理想的点状电子源，而且还可以用来做成电子、离子显微镜，扫描隧道显微镜等，可以作为研究固体表面状态和结构的有力手段。3、用高能电子轰击固体表面，使

3、其产生次级电子（离子）发射。用具有一定能量的电子（或离子），从外部轰击固体表面，将其动能赋予体内电子，使它们发射出来。这种发射方式叫次级发射。目前，次级电子发射已广泛应用天各种电真空器件。例如光电倍增管，微通道板等，同时也以该发射为基础逐步发展了一系列表面分析仪器，如俄歇电子谱仪、电子衍射仪等，有力地促进了表面科学的发展。4、用光辐射固体表面使其产生光电子发射。以光辐射的形式赋予固体内电子以能量，使其从体内逸出。这种发射叫光电子发射。它的发现比较早，对它的研究也比较多。在光电子发射方面不仅有许多重要的技术应用，例如光电变换器，电视发送管等，而且已经出现一门新兴学科光电子学。电子发射虽因外界能量

4、激励方式不同而有上述不同形式，并各具特点，但它们彼此之间既有密切的内在联系，又有明显的共性。表现在：其一，一切能发射出来的电子都是原来在固体里就具有较高能量，它们的逸出几率与在体内的运动和能量分布状态有关；其二，当它们发射出来时，固体施加于它们的作用力也都是相同的；其三，在逸出过程中，都必须经过固体表面，必然要受到表面状况、外来原子吸附和表面态的影响；其四，在实际应用中不论是哪一种发射形式，其最有效的发射体并不是金属而是半导体。特别是以-族化合物半导体材料为代表的负电子亲和势阴极的出现，更使电子发射原理与应用从内容到技术都有重大的飞跃。随着现代科学技术的发展，电子发射原理与应用已经和正在与其它

5、学科进行互相结合、互相渗透和互相促进，不断地造就着新的理论和新的应用成果，促使自身向更高的阶段发展。目前，向电子发射学科提出的要求是：在理论方面更深入研究各种发射机理，综合各种电子发射进一步发展发射理论；在应用方面研制出性能更优良的发射体，开发更新的发射应用领域和应用技术，为人类的进步作出新的贡献。一、电子发射现象的回顾及说明200多年以前，观察到摩擦带电现象；1883年，Edison 在真空灯泡中做了热电子发射实验；1887年，Hertz 发现光电子发射。此段时间为经典物理学发展完善时期，近代物理学还没有建立，所以说电子发射是一门较老的科学。衡量一门学科是否成熟的根据： 1、它的基本学科问题

6、是否完全被认识了，即其学科的基本理论问题是否解决了； 2、它的应用范围是否完全稳定，其功能材料和器件的主要指标是否已经达到最高水平，是否还具有新的应用领域。因问题1和2皆为目前尚在研究的内容，所以说电子发射是一门年轻的科学，电子发射也同时也是一门还在发展的学科。二、电子发射条件及类型要实现电子发射，一般要有两个条件： 1、真空环境：保证从固体发射出来的电子不致遭到其他气体分子的碰撞而返回阴极； 2、能量和电场：固体中的电子要摆脱固体的束缚，必须要获得能量。依据外界激发能量的不同，固体材料常见的电子发射有四种类型： 1、加热使电子从固体中发射出来热电子发射；2、用光照射固体，光子能量激发电子引起

7、发射光电发射；3、用一定能量的电子轰击固体而发射电子次级电子发射；4、加很强的电场，使固体表面势垒降低、变窄，而使电子发射出来场致电子发射。三、热电子发射1、定义：固体在热状态下发射电子的现象称为热电子发射。2、发现者：Edison观察到热电子发射现象，发明了白炽灯，并在白炽灯里加了一个电极，使其成为电子二极管。图1 热电子发射二极管3、热电子发射现象说明三个问题：材料受热时才能发射电子；电子荷负电；电子二极管具有单向导电特性。4、应用举例：5、展望：四、场致电子发射1、定义：在强电场作用下发射电子的现象称为场致电子发射。2、工作原理：场致电子发射不同于热电子发射，热电子发射是固体内部的电子获

8、得热能，被激发后具有较大的动能，高于表面势垒而逸出。而场致电子发射是由于外加强电场使固体的表面势垒高度降低，宽度变窄，致使固体内部的电子不需要另外增加能量，即不需要激发就可以穿透势垒逸出。3、强电场的作用：降低势垒高度；减小势垒宽度。4、应用举例：5、展望：五、光电子发射1、定义：当一束光照射在样品上时，它将部分被反射、部分被吸收。如果样品是固体，吸收光子后，将产生：其一为激发新的载流子，增加了电导率，称为光电导。有时使固体产生电动势，称为光生伏打效应。这两种现象并称为内光电效应。其二为固体中吸收了光子能量的电子，具有较大的动能，其中具有向表面运动动量的电子，克服表面势垒，逸出到真空，这个现象

9、称为光电子发射，又称为外光电效应。2、光电发射定律：斯托列托夫()定律： 在入射光的频率不变时，单位时间里发射的光电子数目（或饱和光电流）与入射光强成正比，可表示为： 爱因斯坦(Einstein)定律： 光电效应的光量子理论解释：Einstein定律的说明入射的光子频率越高，每个光子的能量也越大，金属中处于最高能级的电子在获得该能量逸出后，自然具有最大动能，并且该动能与光强无关。定律的说明光越强，单位时间作用与阴极的光子数越多，自然会有更多的电子被激发，更多的光电子从阴极逸出。3、半导体光电发射的三阶模型：半导体光电发射的三阶模型，即三个主要过程： 光电子激发。主要是本征激发，满带中价电子吸收

10、光子能量，进入导带，这种激发称为带际激发； 激发的光电子向表面运动，将发生各种弹性和非弹性碰撞； 光电子从表面逸出。4、实用光电阴极定义：利用材料的光电子发射特性，将光信号变成电信号的功能材料称为光电阴极。回顾：80年来人们发明了几种具有较高光电转换效率的光电发射体，称为实用光电阴极。实用光电阴极主要用于信号的光电转换，图像的光电变换和大电流的超短脉冲电子源等。这些应用要求光电阴极有高的积分灵敏度，宽的光谱响应特性，较小的暗电流，快的响应速度和稳定的光电子发射能力。实用光电阴极的主要参量 积分灵敏度：203200A/lm；光谱灵敏度：0.01100mA/W； 光谱响应范围：0.21.06m；热

11、发射电流：10-1010-17A/cm2； 响应速度：10-910-17s； 疲劳特性：在强光作用下，光电子发射能力随时间衰减的现象； 寿命：在无疲劳现象发生的光强下，保持原有发射能力的工作小时数。通常大于3000h。银氧铯（Ag-O-Cs）光电阴极 这是最早发明的一种实用光电阴极，是1929年由Köller首先做出来的。Köller是德国人，很受希特勒器重，他研制的红外变像管首先在坦克驾驶方面获得应用。在晚上对苏联突然袭击，眼睛的红外阈值为7600Å，用大于7600Å的光照射物体，发现目标。第二次世界大战结束后，美国“请”他去，继续红外领域的研究，到1

12、974年回国出了一本书，对红外光有研究。碱金属锑化物光电阴极锑与碱金属族中的任何一个或几个元素（Li,Na,K,Rb,Cs）化合都具有较好的光电发射能力,它们在实用光电阴极中占有很重要的地位。目前，被广泛的应用在各种光电器件中。这里介绍重要的几种：锑铯（CsSb）阴极 1937年Görlich发明了Cs3Sb光电阴极，通常它是被制备在玻璃基底上的250Å左右的多晶薄膜，它的积分灵敏度为30-70µA/lm。氧化以后，可以达到80-150µA/lm。它的量子产额较大，可达25-30%，具有较小的暗电流，约为10 -17A/cm2。 Cs3Sb是单碱化合物，

13、属于锑的单碱化合物尚有Li3Sb , Na3Sb , K3Sb, Rb3Sb,但除了Cs3Sb外，其他均不是好的发射体。 双碱化合物 实用的锑的双碱阴极有Na2KSb, K2CsSb , Rb2CsSb, 其中Na2KSb是Sommer（1958）偶然发现的；K2CsSb是中国科学院电子研究所（1959）首先制成。1963年Sommer报道制成了相同的阴极，并且认为这种阴极可以氧敏化；Rb2CsSb则由Kane V（1962）等首先描述。它们都是较好的光电发射体，在实际器件中得到应用。多碱光电阴极 1955年，Sommer发明了锑钾钠铯（Cs）Na2KSb光电阴极。这种光电阴极有很高的积分灵敏

14、度，约300-800µA/lm。其峰值在4300-7000Å之间，光电阈值接近1 µm。它的暗电流也很小，约为10-16A/cm。 由于制造工艺的不同，可以制得不同的光谱响应，因此出现几种不同的光电阴极：S20, S20VR , S25 , Varo， NewS25 ，LEP。 这些光电阴极请参考«多碱光电阴极» 负电子亲和势（Negative Electron Affinity,NEA）光电阴极Scheer等人于1965首先制得了-族负电子亲和势光电阴极。 GaAs-Cs2O负电子亲和势光电阴极，反射型的积分灵敏度已达3200µA/

15、lm，半透明的也达到3200µA/lm。图2. NEA的光谱特性-族光电阴极是在超高真空中，在P型半导体表面制备的Cs-O层，使其表面有效电子亲和势变为负值。 图3.NEA的能级图六、次级电子发射1、定义：在具有一定能量粒子（电子、离子、原子）轰击下，从物体的表面发射电子的现象，称为次级电子发射。通常研究最多的是电子轰击物体时，从物体表面发射电子的现象，称为次级电子发射，也叫二次电子发射。轰击物体的电子，称为一次电子，通常一次电子有确定的能量。从样品表面发射的二次电子，在数量上，能量上，都与一次电子不同。在数量上可多于或少于一次电子，在能量上有一定分布，其中包括一次电子的弹性散射电子

16、，非弹性散射电子，真二次电子，俄歇电子等。有时伴随次级电子发射，还有其他复杂的现象，例如X射线辐射，产生荧光等，给出大量材料结构和成分的信息。 2、回顾：次级电子发射现象是1899年Compbell首先发现的，后来在电真空器件中，次级电子发射体用来作为电子倍增器的功能部件。对绝缘体次级发射的研究，利用它的绝缘电特性，做成存储器件、记忆器件。 从本世纪60年代开始，利用次级电子观察物体的结构，做成了扫描电子显微镜（SEM）。 3、应用次级电子作为电子倍增器，存储记忆元件，电子能谱仪等得到广泛的应用。这里只简单介绍在电子倍增器方面的应用。作为电子倍增的次级发射体，主要用于电子倍增器中，在加速电场的作