阴极电子学 重点归纳总结.pdf

1 0 绪论绪论 从能带理论浅谈电子发射从能带理论浅谈电子发射 阴极电子学 UESTC2013 1 第一种方式第一种方式 阴极电子学 UESTC2013 2 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 思 思 具体措施 具体措施 2 削弱阻碍电子逸出的力 削弱阻碍电子逸出的力 二 阴极类型二 阴极类型 1 增加电子能量增加电子能量 1 热电子发射 热电子发射 热阴极 第 热阴极 第1章章 第第4章 章 克服表面势垒而逸出 阴极 克服表面势垒而逸出 阴极加热加热T足够高部分电子获得足够能量足够高部分电子获得足够能量 阴极电子学 UESTC2013 3 光辐射光辐射物体体内电子吸收光量子后逸出物体体内电子吸收光量子后逸出 3 次级电子发射 次级电子发射 次级电子发射体 第 次级电子发射体 第7章 章 2 光电子发射 光电子发射 光电阴极 第 光电阴极 第6章 章 初始能量电子初始能量电子轰击物体体内电子获得能量逸出轰击物体体内电子获得能量逸出 2 降低阻碍电子逸出的力 降低阻碍电子逸出的力 4 场致发射 场致发射 场发射阴极 第 场发射阴极 第5章 章 固体表面施加强电场削弱势垒体内部分电子 通过 固体表面施加强电场削弱势垒体内部分电子 通过隧道效应隧道效应进入真空进入真空 阴极电子学 UESTC2013 4 量子隧穿示意图量子隧穿示意图 1 exp 1 kT EE Ef F EEF 则f E 0 1 T 0K时 第一章 热电子发射的理论基础第一章 热电子发射的理论基础F D分布分布 阴极电子学 UESTC2013 5 24 图1 10 费米分布函数 1 T1 0K 2 T2 300K 3 T3 1000K 4 T4 1500K E0 5 E EF 则f E 0 5 E EF 则f E 0K时 表面势垒高度表面势垒高度Wa 理想形状 阴极电子学 UESTC2013 6 24 真实形状 图1 13 金属表面模型及势垒形状 2 E Wa Wa 2 Xm X F e x a 外电场使逸出功下降 1 点横线 无外加电场的势垒 2 实线 有外加电场时叠加后的 势垒 相当于F x 的积分值 阴极电子学 UESTC2013 7 24 图图1 27 外加速电场作用下 电像力和势垒形状的变化外加速电场作用下 电像力和势垒形状的变化 电像力 F 0 F0 x F x e b b 外电场使电像力变化 1 虚线 无外加电场的F0 x 2 水平虚线 外电场的力FE x 3 实线 合力 F x 第一章 习题第一章 习题 课本习题 课本习题 2 7 8 9 10 11 补充第补充第3题题 阴极电子学 UESTC2013 8 24 3 若金属逸出功 若金属逸出功4 52ev 费米能级 费米能级EF为为8 95eV 1 金属中有一电子具有 金属中有一电子具有13 43ev的动能 求此电子能离开金 属表面的最大距离 的动能 求此电子能离开金 属表面的最大距离 2 求在离开最大距离处电子所受的镜像力 求在离开最大距离处电子所受的镜像力 第二章原子薄膜阴极第二章原子薄膜阴极 本章内容本章内容 敷钍钨阴极的热发射现象敷钍钨阴极的热发射现象 探寻原因 探寻原因 2 1节 节 2 2节 继续讨论 节 继续讨论 发射机理的探讨发射机理的探讨 阴极电子学 UESTC2013 蒸发与扩散的平衡 非正常肖特基效应与 斑点场 蒸发与扩散的平衡 非正常肖特基效应与 斑点场 实例说明实例说明 2 3节节 2 4节 略 应用 节 略 应用 引言引言 回顾纯金属阴极 回顾纯金属阴极 exp 2 0 kT ATj M M 0 j 钨 钨 4 52eV 纯金属阴极的缺点 纯金属阴极的缺点 逸出功高 低 逸出功高 低 6 10mA W 阴极电子学 UESTC2013 原子薄膜阴极 原子薄膜阴极 逸出功低 逸出功低 2 6 3 0eV 增大 增大 40 100mA W 敷钍钨阴极具有高的原因 敷钍钨阴极具有高的原因 W表面形成一层钍原子薄膜表面形成一层钍原子薄膜 2 1 敷钍钨阴极的热发射现象敷钍钨阴极的热发射现象 T3 T2 T1 激活激活T激活激活 t j 稳稳 激活激活T激活激活 t j 稳 稳 阴极电子学 UESTC2013 T3 图图2 1 钍钨阴极激活温度 时间对发射的影响钍钨阴极激活温度 时间对发射的影响 T3T3 思考 为什么 思考 为什么 解释以下两个问题 解释以下两个问题 1 为什么为什么W表面形成表面形成Th原子薄膜后会使 原子薄膜后会使 j 2 2 发射机理的探讨发射机理的探讨 阴极电子学 UESTC2013 2 为什么出现图为什么出现图2 1的现象 在激活 的现象 在激活T范围内 范围内 j差异不大 在去激活差异不大 在去激活T下 下 j 3 m c n n 0 penc 阴极电子学 UESTC2013 m 0 7 m 图图 2 3 逸出功与覆盖度的关系逸出功与覆盖度的关系 最佳最佳 m min max jmax 2 3 蒸发与扩散的平衡蒸发与扩散的平衡 阴极电子学 UESTC2013 令 令 ns W内部的内部的Th原子浓度原子浓度 nc W表面的表面的Th原子浓度原子浓度 Qm 当当ns nc Th由内部向表面扩散克服阻力而做功由内部向表面扩散克服阻力而做功 扩散能扩散能 Qe Th从从W表面蒸发克服束缚力做功表面蒸发克服束缚力做功 蒸发能蒸发能 第三章氧化物阴极 本章内容本章内容 氧化物阴极的制备工艺 探寻原因 3 1节 氧化物阴极的结构 3 1节 阴极电子学 UESTC2013 3 2节 3 3节 3 4节 应用 发射模型的探讨 氧化物阴极的运用特性 氧化物阴极的改进型式 Lg iph h eV 阴极电子学 UESTC2013 1 2 3 4 5 ED1ED2 曲线1 激活前 光子能量3 8eV出现光电导最大值 相当于电子从价带跃迁到导 带所需能量 曲线2 激活后 光子能量减小后也呈现显著的光电导 可得两个能量为 1 4eV E01 和2 3eV E01 的阈值 相当于两个施主能级的能量 图3 3 氧化物阴极光吸收 光电导曲线 1 2 3 4 1 38mA 2 66mA 3 99mA 4 180mA 阴极电子学 UESTC2013 图3 6 氧化物阴极涂层内电阻率的分布 基金属 Ua I t a 特点 1 衰减符合指数规律 2 若脉冲重复频率小 脉冲前沿 幅度不变 阴极电子学 UESTC2013 Ia t b 图3 8 氧化物阴极的短时脉冲衰减 a 电压波形 b 电流波形 3 若脉冲重复频率高 脉冲前沿 幅度变小 4 i0 i T 715K T 700K 特点 1 慢衰减 2 电流下降速率与Tk有关 阴极电子学 UESTC2013 0 1 0 T min i T 625K 图3 9 氧化物阴极的脉冲发射电流衰减 T越大 下降越快 第四章 其他类型的热阴极 本章内容 4 1 储备式阴极4 1 储备式阴极 4 1 1 L阴极 4 1 2 钡钨阴极 4 1 3 储备式阴极的改进型式 4 1 1 L阴极 4 1 2 钡钨阴极 4 1 3 储备式阴极的改进型式 阴极电子学 UESTC2013 4 1 4 储备式阴极的蒸发4 1 4 储备式阴极的蒸发 4 2 六硼化镧阴极4 2 六硼化镧阴极 4 2 1 六硼化镧阴极的特性 4 2 2 六硼化镧阴极的制备与结构 4 2 1 六硼化镧阴极的特性 4 2 2 六硼化镧阴极的制备与结构 压制式钨酸盐压制式钨酸盐Ba W阴极制备工艺阴极制备工艺 1 制备活性物质 BaCO3 SrCO3 WO3混合压块焙烧生成钨酸盐 Ba2Sr WO6 2 2 制备阴极 阴极成型 热处理 阴极电子学 UESTC2013 钨酸盐 ZrH2 W粉混合压制成型H2中烧结 1900 W粉烧结W海绵体 钨酸盐熔融均匀分布于W海绵体中 钨酸盐与ZrH2热分解生成自由Ba BaZrO3与Ba向表面扩散 浸渍式铝酸盐浸渍式铝酸盐Ba W阴极制备工艺阴极制备工艺 1 制备活性物质 BaCO3 Al2O3混合压制烧结生成铝酸盐 Ba3Al2O6 2 制备海绵W基体 阴极电子学 UESTC2013 3 浸盐 铝酸盐和粘结剂混合涂在W海绵体上H2炉中熔化 浸渍 W粉粒度分级压制成型H2或真空中烧结 海绵W 阴极电子学 UESTC2013 图4 5 覆膜浸渍钡钨阴极的组成 膜层特点 1 逸出功高于钨 2 不与钡形成金属间化合物 3 不与阴极活性物质发生反应 LaB6材料特性材料特性 逸出功低 逸出功低 2 4 3 2eV 熔点高 熔点高 2210 蒸发率低蒸发率低 硼原子 金属原子 阴极电子学 UESTC2013 蒸发率低蒸发率低 具有金属导电性具有金属导电性 机械强度高机械强度高 化学性质十分稳定 不与水 氧甚至也不与盐酸反应化学性质十分稳定 不与水 氧甚至也不与盐酸反应 不易中毒 室温下可反复暴露大气 可长期在大气中存储不易中毒 室温下可反复暴露大气 可长期在大气中存储 5 LaB6阴极的制备阴极的制备 冷压或热压LaB6粉多晶LaB6棒区域熔炼成单晶棒 加工成型 1 单晶LaB6阴极 阴极电子学 UESTC2013 加工成型 2 多晶LaB6阴极 1 LaB6粉末沉积 2 压制式 多晶LaB6粉冷压 热压高温烧结 各类热阴极特性的应用各类热阴极特性的应用 1 钨阴极 发射率小 但发射性能很稳定 钨阴极 发射率小 但发射性能很稳定 大功率发送管大功率发送管 电压高 真空度差的电子束加工和电子显微镜电压高 真空度差的电子束加工和电子显微镜 发射要求非常稳定的电子器件如电离真空计发射要求非常稳定的电子器件如电离真空计 2 Th W阴极 经碳化改进 阴极 经碳化改进 阴极电子学 UESTC2013 中 大功率管中 大功率管 电子束加工和电子显微镜电子束加工和电子显微镜 3 氧化物阴极 氧化物阴极 中小功率电子管中小功率电子管 4 储备式阴极 储备式阴极 超高频器件超高频器件 热阴极的发展方向热阴极的发展方向 1 提高发射电流密度 提高发射电流密度 降低逸出功降低逸出功 2 降低噪声 降低噪声 发射稳定发射稳定 阴极电子学 UESTC2013 发射稳定发射稳定 3 长寿命 长寿命 工艺问题工艺问题 热阴极的固有缺陷热阴极的固有缺陷 1 消耗的加热功率大 消耗的加热功率大 消耗电能大消耗电能大 热辐射损坏周围器件热辐射损坏周围器件 阴极电子学 UESTC2013 2 热惯性 热惯性 预热 冷却时间长预热 冷却时间长 第五章场致电子发射第五章场致电子发射 本章内容本章内容 什么是场致发射什么是场致发射 探寻原因 引言 探寻原因 引言 5 1 5 3节 建立模型 节 建立模型 发射机理的探讨发射机理的探讨 阴极电子学 UESTC2013 材料和工艺材料和工艺 实例说明 应用 实例说明 应用 5 4节 节 5 5节 应用 节 应用 场发射阴极优势场发射阴极优势 场发射阴极 冷阴极 场发射阴极 冷阴极 电流密度大 电流密度大 107A cm2 常温下工作常温下工作 热阴极热阴极 电流密度小 电流密度小 几百几百A cm2 工作温度工作温度 800 阴极电子学 UESTC2013 常温下工作常温下工作 启动速度快 瞬间启动启动速度快 瞬间启动 不受温度和辐射影响不受温度和辐射影响 体积小体积小 工作温度工作温度 800 预热时间长预热时间长 活性物质蒸发活性物质蒸发 笨重且效率低下笨重且效率低下 6 E E X X0 0 1 微粒性微粒性 曲线曲线a 零场热发射 零场热发射 理查生理查生 德施曼公式 偶电层 镜像力 势垒无限宽 德施曼公式 偶电层 镜像力 势垒无限宽 x0 a Ke2 4x WaWa E EF F 曲线曲线b 弱电场 弱电场 肖特基效应 势垒很宽 热发射大于隧道发射 肖特基效应 势垒很宽 热发射大于隧道发射 b 5 1 2 量子理论的定性说明量子理论的定性说明 阴极电子学 UESTC2013 510 0 X 埃埃 15 WaWa 2 波动性波动性 曲线C T曲线C Tk k低 电场强低 电场强 c Wa宽度为电子波长量级 隧道效应 隧穿电子数大于热发射 宽度为电子波长量级 隧道效应 隧穿电子数大于热发射 曲线曲线d 电场极强 电场极强 d J大大增加 可引起打火 成本高大大增加 可引起打火 成本高 1 T升高 曲线峰右移 表明高能升高 曲线峰右移 表明高能量量 电子数目增多电子数目增多 2 E较弱时 较弱时 T影响很大影响很大 3 E很强时 很强时 T影响较弱影响较弱 4 E增强时增强时右边的虚线向左边右边的虚线向左边 阴极电子学 UESTC2013 图图5 5 温度和场强对场致发射电子能量分布的影响温度和场强对场致发射电子能量分布的影响 4 E增强时增强时 右边的虚线向左边右边的虚线向左边 靠近 表明势垒高度降低靠近 表明势垒高度降低 5 E增强时 峰左移 表明低能 电子增多 增强时 峰左移 表明低能 电子增多 AE 忽略空间电荷效应 BD 空间电荷限制情形 ACD 考虑空间电荷影响情形 阴极电子学 UESTC2013 图图5 6 空间电荷效应对场致发射的影响空间电荷效应对场致发射的影响 ACD 考虑空间电荷影响情形 曲线 不考虑场渗透 式 曲线 不考虑场渗透 式 5 57 曲线 考虑场渗透 且渗透较深 式 曲线 考虑场渗透 且渗透较深 式 5 60 曲线曲线 考虑场渗透和存在表面态考虑场渗透和存在表面态 阴极电子学 UESTC2013 图图5 10 半导体的场致发射特性曲线半导体的场致发射特性曲线 曲线曲线 考虑场渗透和存在表面态考虑场渗透和存在表面态 式 式 5 61 X点点 表面态使势垒增加部分刚好 被抵消 表面态使势垒增加部分刚好 被抵消 1 单尖场致发射体单尖场致发射体 5 4 2 场致发射阴极的结构和工艺场致发射阴极的结构和工艺 用于表面分析仪器 电子束加工设备 用于表面分析仪器 电子束加工设备 2 多尖场致发射体多尖场致发射体 用于脉冲用于脉冲X光管光管 电 电子注管子注管 阴极电子学 UESTC2013 结构结构 用于脉冲用于脉冲 光管光管子注管子注管 3 微尖锥场致发射阵列阴极微尖锥场致发射阵列阴极 用于 用于FED 传感器 微波管 光源等 传感器 微波管 光源等 4 薄膜型冷阴极薄膜型冷阴极 用于 用于FED等 等 单尖场发射体的电化学腐蚀装置单尖场发射体的电化学腐蚀装置 1 阳极溶解阳极溶解 M金属 金属 Mn 溶液 溶液 ne 阳极溶解产物是水化的可溶性离子阳极溶解产物是水化的可溶性离子 阴极电子学 UESTC2013 2 阴极反应阴极反应 溶液中某种溶液中某种 或多种或多种 去极化剂在 阴极上被还原 去极化剂在 阴极上被还原 如 如 2H 2e H2 7 静态腐蚀成小圆棒静态腐蚀成小圆棒 单尖电化学刻蚀实验步骤单尖电化学刻蚀实验步骤 阴极电子学 UESTC2013 锥尖顶端包裹乙酸乙酯锥尖顶端包裹乙酸乙酯 动态腐蚀成尖动态腐蚀成尖 电解液 电解液 5 NaOH溶液溶液 静态腐蚀 静态腐蚀 电压电压12V 时间 时间2min 动态腐蚀 动态腐蚀 钨尖锥的电化学腐蚀钨尖锥的电化学腐蚀 阴极电子学 UESTC2013 样品编号 动态腐蚀电压样品编号 动态腐蚀电压 V 动态腐蚀电流动态腐蚀电流 A 腐蚀时间腐蚀时间 s 1120 01 0 20178 2100 01 0 18280 380 01 0 17317 460 01 0 14458 540 01 0 12534 第六章光电子发射第六章光电子发射 本章内容本章内容 金属的光电子发射金属的光电子发射 6 2节节 半导体的光电子发射半导体的光电子发射 6 1节节 阴极电子学 UESTC2013 NEA光电阴极光电阴极 6 3节 节 6 4节节 实用光电阴极实用光电阴极 6 1 1 金属光电子发射的规律金属光电子发射的规律 1 斯托列托夫定律 光电发射第一定律 斯托列托夫定律 光电发射第一定律 当入射光的频率或频谱成分不变时 阴极单位当入射光的频率或频谱成分不变时 阴极单位t发射出的光电子数 目或饱和光电流与入射光的强度成正比 发射出的光电子数 目或饱和光电流与入射光的强度成正比 2 爱因斯坦定律 光电发射第二定律 爱因斯坦定律 光电发射第二定律 阴极电子学 UESTC2013 光电子的最大初动能只与入射光的频率成线性关系 而与入射光 的强度无关 光电子的最大初动能只与入射光的频率成线性关系 而与入射光 的强度无关 3 光谱特性曲线 光谱特性曲线 4 光电发射的瞬时性 光电发射的瞬时性 F 10 0 10 20 30 40 1 2 1 阴极电子学 UESTC2013 图图6 4 福勒函数曲线福勒函数曲线 2 光电子 电子 光 EC h 0 E0 1 光子被吸收 产生电子跃迁 光子被吸收 产生电子跃迁 2 受激电子向固体 受激电子向固体 真空界面处 运动 真空界面处 运动 阴极电子学 UESTC2013 空穴 真空 E EV Eg h 0 半导体 F 图图6 5 半导体光电子发射过程示意图半导体光电子发射过程示意图 3 电子越过表面势垒向真空逸出 电子越过表面势垒向真空逸出 8 1 R I0 I0R R 1 R I0exp tL 1 R 1 R I0exp tL L I0 入射光强入射光强 Ix 晶体内距离光入射面晶体内距离光入射面x处的光强处的光强 dIx 在在x dIx处光强因吸收而减弱的量处光强因吸收而减弱的量 阴极电子学 UESTC2013 图图6 6 光的反射 吸收和透射的说明图光的反射 吸收和透射的说明图 I0 1 R I0exp tL 0 x Xx dx 反射 界面 反射 界面 吸收 反射 界面 反射 界面 吸收 半导体的各类光吸收半导体的各类光吸收 1 本征吸收 本征吸收 价带电子价带电子吸收足够能量的光子后 吸收足够能量的光子后 跃迁入导带跃迁入导带 而在价带上留下 一个空穴 形成电子 而在价带上留下 一个空穴 形成电子 空穴对 这种由于电子的带际跃迁所形成的光 吸收叫本征吸收 空穴对 这种由于电子的带际跃迁所形成的光 吸收叫本征吸收 条件 条件 gi Ehh 0 阴极电子学 UESTC2013 2 激子吸收 当 激子吸收 当 价带电子价带电子受激发后跃出了价带 但受激发后跃出了价带 但还不足以进入导 带 还不足以进入导 带而成为自由电子 仍然受到空穴的库仑场作用 受激电子和空穴束 缚而结合在一起成为一个新系统 这个系统称为激子 这样的光吸收 称为激子吸收 而成为自由电子 仍然受到空穴的库仑场作用 受激电子和空穴束 缚而结合在一起成为一个新系统 这个系统称为激子 这样的光吸收 称为激子吸收 gi0 i0 3 自由载流子吸收 当入射光频率不够高时 不足以引起电子从带到带的跃迁 或形成激子时 仍然存在吸收 这是自由载流子在 自由载流子吸收 当入射光频率不够高时 不足以引起电子从带到带的跃迁 或形成激子时 仍然存在吸收 这是自由载流子在同一带内的 跃迁 同一带内的 跃迁所引起的所引起的 阴极电子学 UESTC2013 4 杂质吸收 束缚在 杂质吸收 束缚在杂质能级杂质能级上的电子引起光吸收跃迁到导带上的电子引起光吸收跃迁到导带 Eg O S 间接跃迁 接跃迁 阴极电子学 UESTC2013 图图6 8 直接跃迁和间接跃迁直接跃迁和间接跃迁 O k 间 直接 总结 总结 1 金属光电子发射金属光电子发射红阈频率 发射红阈波长红阈频率 发射红阈波长 2 半导体吸收半导体吸收红阈频率 吸收红阈波长红阈频率 吸收红阈波长 h 0 12400 0 阴极电子学 UESTC2013 3 半导体光电发射半导体光电发射红阈频率 发射红阈波长红阈频率 发射红阈波长 h l 0 l 12400 0 h Eg i 0 g i E 12400 0 对生成 散射对生成 散射 1 对生成 散射的定义 对生成 散射的定义 具有足够大能量的受激电子将价带中的电子激发到导带 形成二次电子 具有足够大能量的受激电子将价带中的电子激发到导带 形成二次电子 空穴对 同时原来的受激电子便失去空穴对 同时原来的受激电子便失去 Eg的能量的能量 阴极电子学 UESTC2013 2 对生成 散射的特点 对生成 散射的特点 1 平均自由程相当小 约 平均自由程相当小 约15 2 每次碰撞引起的能量损失非常大 每次碰撞引起的能量损失非常大 Eg 3 存在一个阈值能量 存在一个阈值能量Eth 它的值相当于价带顶而言 大小通 常等于 它的值相当于价带顶而言 大小通 常等于Eg的数倍 当受激电子能量的数倍 当受激电子能量 Eth时 不能产生对生成时 不能产生对生成 9 半导体光电阴极总结半导体光电阴极总结 1 高量子产额的可见光 紫外光用光电阴极都采用半导体材料 高量子产额的可见光 紫外光用光电阴极都采用半导体材料 2 化学组分中含有一种或多种碱金属 尤其是 化学组分中含有一种或多种碱金属 尤其是Cs 3 在含一种碱金属的光电阴极中 按 在含一种碱金属的光电阴极中 按Li Na K Rb Cs递减 递减 阴极电子学 UESTC2013 红阈波长递增 红阈波长递增 4 都属于 都属于P型半导体型半导体 光电阴极灵敏度的表示方法光电阴极灵敏度的表示方法 1 绝对光谱灵敏度 指阴极发射的光电流与入射的 绝对光谱灵敏度 指阴极发射的光电流与入射的单色单色辐射功率的比值 单位 辐射功率的比值 单位 A W l I r 1 阴极电子学 UESTC2013 2 相对光谱灵敏度 相对光谱灵敏度 某波长某波长的绝对光谱灵敏度与绝对光谱响应曲线上的最大值的比值的绝对光谱灵敏度与绝对光谱响应曲线上的最大值的比值 100 max r r r 绝对光谱响应曲线 绝对光谱响应曲线 r 3 白光灵敏度或积分灵敏度 白光灵敏度或积分灵敏度 A lm 指阴极发射的光电流与标准光源 色温 指阴极发射的光电流与标准光源 色温2859K的白炽灯泡 照 射到阴极上的光通量的比值 的白炽灯泡 照 射到阴极上的光通量的比值 标 l I r 阴极电子学 UESTC2013 4 量子产额 量子产额 阴极单位阴极单位t发射的光电子数 发射的光电子数 Ne 与入射光子数 与入射光子数 Np 之比 之比 100 1024 1 3 r N N Y p e 单位 为单位 为nm 为 为A W r 实用光电阴极总结实用光电阴极总结 Ag O Cs光电阴极对光电阴极对8000 以上的波长具有有效响应 Y 低 暗电流大 以上的波长具有有效响应 Y 低 暗电流大 对对5500 以上的波长 常用多碱光电阴极 以上的波长 常用多碱光电阴极 阴极电子学 UESTC2013 全色响应常用多碱光电阴极全色响应常用多碱光电阴极 多碱光电阴极性能优良 Y高 暗电流小 成本高多碱光电阴极性能优良 Y高 暗电流小 成本高 6 4 1 NEA光电阴极的工作原理光电阴极的工作原理 E C EC E0 E0 eff 阴极电子学 UESTC2013 EF EV EF EV a b 图图6 30 正 负电子亲和势半导体能级图正 负电子亲和势半导体能级图 a PEA b NEA 0 电子 EF EC 数kT E0 EF EC eff E0 Eg 阴极电子学 UESTC2013 F EV 真空真空 F EV NEA光电阴极中 的逸出深度 PEA光电阴极中 的逸出深度 a b 10 A 4 10 A 2 图图6 31 两类半导体光电阴极的电子逸出过程两类半导体光电阴极的电子逸出过程 a NEA光电阴极 光电阴极 b PEA光电阴极光电阴极 10 Cs2O E E EC 1 EF 1 EV 1 C E Eg 1 0 EC 2 E0 EF EV 2 EC 1 1 1 2 Eg 2 Eg 1 E 0 eff 6 4 2 NEA光电阴极的表面模型光电阴极的表面模型 阴极电子学 UESTC2013 族化合物 族化合物 Cs2O a b EF 2 EV 2 EC 2 Eg 2 EV 1 图图6 32 NEA光电阴极的异质结模型光电阴极的异质结模型 a 形成异质结前 形成异质结前 b 形成异质结后形成异质结后 量子效率 普通 NEA阴极 普通 6 4 3 NEA光电阴极的量子效率光电阴极的量子效率 阴极电子学 UESTC2013 波长 普通 图图6 36 NEA光电阴极与普通光电阴极光谱响应曲线的比较光电阴极与普通光电阴极光谱响应曲线的比较 E n E E d 热化分布 在x d处 n E 不发射 a E C CE0 Eb EC 0 分布 在x 0处 越过势垒 隧道效应 Eg fEg 阴极电子学 UESTC2013 0 x d a EF EV b 图图6 38 考虑电子能量分布的能带图考虑电子能量分布的能带图 a 注入能带弯曲区之前 注入能带弯曲区之前 b 达到达到Cs Cs2O层界面处 层界面处 第七章次级电子发射第七章次级电子发射 本章内容本章内容 次级电子发射现象次级电子发射现象 金属 半导体 金属 半导体 7 2节节 次级电子发射理论次级电子发射理论 7 1节节 阴极电子学 UESTC2013 实用次级电子发射体实用次级电子发射体 7 3节 节 7 4节节 次级电子发射系数测量次级电子发射系数测量 自学 自学 引言引言 1 次级电子发射定义1 次级电子发射定义 具有一定能量的电子 离子 轰击物体表面 使物体中的电子 离子 发射出来 具有一定能量的电子 离子 轰击物体表面 使物体中的电子 离子 发射出来 原电子 原电子 轰击物体的电子 ip Np 轰击物体的电子 ip Np 次级电子次级电子 被轰击物体发射的电子被轰击物体发射的电子 is Nsis Ns 阴极电子学 UESTC2013 次级电子次级电子 被轰击物体发射的电子被轰击物体发射的电子 isis NsNs 2 类型2 类型 1 反射型1 反射型 e ep p轰击物体 被轰轰击物体 被轰表面表面发射电子发射电子 2 透射型 2 透射型 e ep p轰击物体 被轰轰击物体 被轰背面背面发射电子发射电子 3 电子轰击导电 3 电子轰击导电 e ep p轰击绝缘体 不发射电子 轰击区域内绝缘体 瞬时导电 停止轰击 恢复绝缘 轰击绝缘体 不发射电子 轰击区域内绝缘体 瞬时导电 停止轰击 恢复绝缘 3 应用3 应用 正面作用 正面作用 1 光电倍增管和电子倍增器 微弱电流放大 几百万倍 2 图像增强器 扫描电子显微镜 俄歇谱仪 1 光电倍增管和电子倍增器 微弱电流放大 几百万倍 2 图像增强器 扫描电子显微镜 俄歇谱仪 阴极电子学 UESTC2013 负面作用 负面作用 1 栅控电子管 栅极次级电子发射引起噪声 2 高压电子管 次级电子引起绝缘零件击穿 3 超高频管 次级电子引起共振现象 1 栅控电子管 栅极次级电子发射引起噪声 2 高压电子管 次级电子引起绝缘零件击穿 3 超高频管 次级电子引起共振现象 11 经典 力学 经典 力学 实验值实验值 阴极电子学 UESTC2013 Ep小小 被激发的电子总数少被激发的电子总数少 小 小 Ep 被激发的电子多数在内部产生被激发的电子多数在内部产生 逸出几率 逸出几率 Ep大大 被激发的电子总数多被激发的电子总数多 大 大 理论解释 理论解释 7 2 1 次级电子发射的物理过程次级电子发射的物理过程 内次级电子浓度 阴极电子学 UESTC2013 特点 特点 1 分布不均匀分布不均匀 2 x Ns x 终端时终端时 Ns max 3 x 一定程度 即 一定程度 即x x0 激发几率 激发几率 0 图图7 15 内次级电子浓度沿着原电子行程的分布内次级电子浓度沿着原电子行程的分布 原电子行程 x 4 与实验对比 与实验对比 1 经典力学 经典力学 n 2 2 实验确定 实验确定 n 1 35 图 图7 2 实线实线 P165 2 1 85 0 92 p mpm E F E 阴极电子学 UESTC2013 经典 力学 经典 力学 实验值实验值 1 快峰快峰 E Ep附近 能量大 附近 能量大 特点 特点 Ep改变 快峰位置相应改变 这部分电子是从发射体表面势垒反 射回来的 和与表面晶格原子作弹 性碰撞而反射回来的原电子 或叫 弹性峰 改变 快峰位置相应改变 这部分电子是从发射体表面势垒反 射回来的 和与表面晶格原子作弹 性碰撞而反射回来的原电子 或叫 弹性峰 2 慢峰 慢峰 0 50eV 真次级电子峰 真次级电子峰 特点 特点 Ep变化 曲线形状 位置 不变 真次级电子 峰的半高宽 金属 变化 曲线形状 位置 不变 真次级电子 峰的半高宽 金属10eV 绝缘体 绝缘体 1 5 2 0eV 3 快 慢峰之间部分 快 慢峰之间部分 慢峰慢峰 N E 真次级电子背散射电子 弹性散 射电子 俄歇电子 特征损失电子 真次级电子背散射电子 弹性散 射电子 俄歇电子 特征损失电子 快峰快峰 绝大部分绝大部分 百分 之几 百分 之几 慢峰慢峰 阴极电子学 UESTC2013 1 背散射电子 原电子经非弹性 碰撞后 又从发射体发射出来的电 子 背散射电子 原电子经非弹性 碰撞后 又从发射体发射出来的电 子 特点 特点 能量损失大小与碰撞次数有 关 能量损失大小与碰撞次数有 关 2 特征损失电子 靠近快峰 特征损失电子 靠近快峰 特点 特点 与快峰的距离保持常数 能 量损失小 取决于发射体的性质 与快峰的距离保持常数 能 量损失小 取决于发射体的性质 图图7 16 次级电子的能量分布次级电子的能量分布 Ep 50eV 0 特征损失 研究的重要性 揭示 和认识原电子与晶格原子或自由电 子的相互作用 特征损失 研究的重要性 揭示 和认识原电子与晶格原子或自由电 子的相互作用 1 合金次级发射体合金次级发射体 优点 优点 大 性能稳定 可暴露于大气 大 性能稳定 可暴露于大气 结构 结构 活性成分 活性成分 1 4 基体基体 基体材料基体材料AgAlCuNi 二 材料二 材料 阴极电子学 UESTC2013 基体材料基体材料 Ag Al Cu Ni 活性成分 活性成分 Mg Be 制备 制备 活化处理活化处理 Be Mg向表面扩散向表面扩散 氧化氧化 薄 稳 定的氧化膜 薄 稳 定的氧化膜 常用 常用