物理电子发射总结

1、一、热电子发射1、金属的热电子发射公式零场发射电流密度其中：A是发射常数的理论值， R 是平均反射系数，小于0.02，与势垒形状有关。可见金属的热电子发射电流密度与温度T和逸出功E是指数关系。2、半导体的热电子发射公式其中逸出功式（1.43）为半导体的热电子发射公式，也称四分之五次方定律。发射系数：半导体热电子发射电流密度与金属有所不同，除了温度T 的关系有差别外，还与杂质浓度ND有关。N型半导体的逸出功E比金属小，在同样温度下，半导体有更大的电流发射密度。二、场致电子发射1、场致发射显示器FED与CRT的相同点： 利用阴极电子经电场加速而轰击荧光材料发光的主动发光型显示器件。FED与CRT的

2、区别点：（1）CRT采用热阴极，通过加热阴极材料使其表面电子获得克服表面势垒的能量从而发射出来；而FED采用冷阴极，采用表面功函数较低、电子势很小甚至为负值得材料，使之在外加电场作用下逸出。因此，FED不但降低了功耗，而且可以瞬时发射电子。（2）CRT的热阴极为点发射源或线发射源，需要通过偏转磁场的作用，才能在显示屏幕上进行扫描而产生显示。因此，CRT难以实现平板化；而FED的冷阴极为面发射源，可以十分方便地实现平板化和矩阵驱动，无论重量还是体积都大大降低。（3）CRT的加速电场电压通常在1330kV之间；而采用平板结构的FED一般加速电压小于10kV。另一方面，CRT的消耗电流很小，因此其功

3、耗控制在可接受的范围内；而FED的加速电压较低，要达到与CRT相当地亮度，必然需要较高的消耗电流。（4）阴阳极距离也是两者的主要区别之一。CRT的阴阳极距离至少在1cm以上，大尺寸CRT甚至达到几十厘米；而FED的阴阳极距离小于3mm。FED优点：FED继承了CRT的高亮度、高对比度、宽视角的优势，又兼有LCD、PDP的超薄外观、高分辨率、功耗低特性，还很好地杜绝了CRT的电磁辐射和X射线辐射以及LCD的残像感。 FED性能：(1）中大屏幕：1550(2)颜色自然逼真：CRT荧光粉(3)发光效率高：CRT荧光粉 (4)全数字电视：数字寻址(5)响应速度快：1ms (6)视角宽广: 170 (7

4、)用温度范围宽广：4085 (8)功耗低：150W（40）FED用户使用：（1）成本低廉：1.5CRT FED 0.4 LCD（2）环保：低辐射（3）轻薄便携：810cm典型场发射显示结构原理原理：在栅极和阴极之间有一个电压差形成电场，使得微尖释出电子，再经过阳极和阴极之间的高压电场加速电子使之轰击荧光粉而发光。FED三个基本工艺：真空工艺，微纳加工工艺，光电子半导体工艺。FED技术难点：1.电子束发射技术。电子发射材料的起始电场越低越好；电子发射极密度需大于 106A/cm2；每个发射极需均匀发射电子；在高真空、高电压下发射极维持稳定性与寿命2. 支撑间隔材料3. 真空密封技术4. 低压荧光

5、粉技术FED用途：仪器仪表的监视器；手提式计算机显示屏；壁挂电视；摄像机的取景器；电子照相机的显示屏等娱乐用途；炮瞄定位显示等军事用途；汽车工业及航空工作中的导向系统监视器等；FED面临的问题：寿命不长，这是一个关键因素；由于玻壳和工艺问题, FED难于实现大屏幕化 ；阴极大面积发射的一致性不好；阴极发射的稳定性需要继续研究；结构复杂，支撑结构布局困难，真空封接还不完善。三、光电子发射1、金属的光电子发射光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化。这类光致电变的现象被人们统称为光电效应。当一束光照射在样品上时，它将部分被反射、部分透射，还有部分被吸收。如果样品是固体，吸收光子后，将产生：1)

6、激发新的载流子，增加了电导率，称为光电导效应； 2)使固体产生电动势，称为光伏效应；此前两种现象称为内光电效应。3)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，成为发射电子，此现象称为光电子发射，是外光电效应。发射出的电子称为光电子，光电子所形成的电流称为光电流。斯托列托夫定律：爱因斯坦定律：爱因斯坦定律说明：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。斯托列托夫定律说明：即光越强，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

7、逸出。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单色辐射功率的比值（A/W）2、相对光谱灵敏度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3、白光灵敏度或积分灵敏度（A/lm） 指阴极发射的光电流与2856K 标准光源照射到阴极上的光通量的比值4、量子产额（量子效率）阴极单位t发射的光电子数（Ne）与入射光子数（Np）之比单位：为nm，为A/W金属的光电发射电流密度：2、半导体的光电子发射半导体的各类光吸收：各类红阈波长：光电子逸出深度：光电子的逸出深度取决于电子向表面输运过程中的各种碰撞，如果碰撞过程中，光电子损失能量较多，往往不能从表面逸出，这时逸

8、出深度小，则 较大。半导体的表面态清洁表面上的原子与体内的原子不同，它的价键填充是不完全的，朝表面方向上的价键上缺少电子，因此当体内电子运动到表面时，有可能被束缚在这个空键上，所以表面对电子具有受主的性质。由于表面价键的不完整而在晶体表面出现的电子能量状况，称为表面态或表面能级。n型表面态的高掺P型半导体光电阴极优点：（1）有效电子亲和势小，受激电子容易逸出，量子产额高；（2）具有较大的热电子逸出功，暗发射较小；（3）有足够大的电导率，在支取光电流时不至于产生明显的压降。获得高量子产额光电阴极的措施：增加光吸收（1）选取合适的阴极厚度：透射式光电阴极需要考虑逸出深度，光谱特性； 降低反射率：（

9、2）利用反射光的相消干涉（3）利用全反射选择合适的材料（1）选择（+Eg）值小的材料，但不宜太小，太小导致高的热电子发射；（2）对于（+Eg）值相同的材料， Eg/的值要大。（3）P型半导体，立方晶格结构。进行表面处理P型半导体表面上吸附一层容易形成正离子的单原子层，以产生有利的能带弯曲。这种单原子层多是电离能小的碱金属原子，以原子半径最大的铯常用。降低表面电子亲和势同时，能带弯宽度要窄，最大宽度不超过逸出深度。3、光电发射电子的角度和能量分布4、实用光电阴极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； 热发射电

10、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。光电阴极的用途：变像管、摄像管、辐射探测器中的光电管和光电倍增管等实际应用中光电阴极要求：积分灵敏度和光电灵敏度高；光谱响应宽；无光照暗电流小；无光照疲乏现象，对温度的稳定性好；表面发射均匀(特别是大面积)；性能一致性好；通常结构：用一定方法在金属或玻璃基底上形成一层较厚的半导体层，并在处理过程中，在半导体表面上生成一层碱金属薄层。光阴极结构可用符号表示：基底-基本半导体-覆盖层。5、负电

11、子亲和势光电阴极（GaAs光电阴极）NEA光电阴极在光电倍增管、摄像管、半导体器件、超晶格功能器件、高能物理、表面物理，特别是夜视技术等方面有着重要应用。 负电子亲和势：导带底能级Ec高于表面真空能级E0有效电子亲和势：体内导带底能级Ec与表面真空能级E0之差NEA光电阴极与PEA光电阴极相比优点：（1）量子效率高；（2）光谱响应延伸到 红外且光谱响应均匀；（3）热电子发射小；（4）光电子能量分布集中。影响NEA光电阴极量子效率性能参量：电子表面逸出几率P、电子扩散长度LD和吸收系数a，对于透射式阴极，还包括后界面复合速率Sv以及阴极厚度Te。NEA光电阴极制备工艺：材料生长，表面净化，Cs-

12、O激活。四、光电子能谱1、电子能谱及其特点电子能谱：当用一定能量的微观粒子（光子、电子、离子等）作为探针作用于试样物质，入射粒子与样品中的原子发生相互作用，经历各种能量传递的物理效应后，所释放出的电子具有样品中原子的特征信息，也具有特征能量。通过对这些信息的解析，可获得样品中原子的各种信息，如元素种类和含量，化学价态等。收集、检测及记录和分析这些特征信号电子的能量分布和空间分布，就是电子能谱。XPS：采用能量位1000-1500eV的射线源，能激发内层电子。各种元素内层电子的结合能是又特征性的，因此可以用来鉴别化学元素。线宽0.8eVUPS：采用He (21.2eV)或He (40.8eV)作

13、激发源。与X射线相比能量较低，只能使原子的价电子电离，用于研究价电子和能带结构的特征。0.01eVAES：大都用电子做激发源，因为电子激发得到的俄歇电子能谱强度较大。0.5eV2、光电能谱基本原理基本原理是光电效应hv=Eb+Ek+Er =电子结合能+电子动能+原子反冲能量（可忽略）光电离：原子中电子得到光子能量成为自由电子，原子本身则成为激发态的离子。光电效应的几率可用光电截面表示，其值与电子所在壳层的平均半径，入射光子频率和受激原子的原子系数有关。电子结合能：3、X射线光电子能谱仪结构电子能谱仪一般由超高真空系统、激发源、电子能量分析仪、检测器和数据系统，及其他附件构成。超高真空系统（UH

14、V）：避免残余气体散射低能电子信号，表面分析技术本身的灵敏性所必需。4、XPS谱峰分析5、紫外光电子能谱1、扫描射线源；2、样品室；3、氩离子溅射枪；4、电子能量分析器；5、光学显微镜；6、五轴自动采样机械臂；7、超高真空系统样品室；8、C60溅射离子枪；9、紫外射线源；10、双阳极X射线源；11、电子枪五、次级电子发射1、引言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。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

15、成存储器件、记忆器件。利用次级电子观察物体的结构，做成了扫描电子显微镜（SEM）。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、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2、金属的次级电子发射次级发射系数：可以看成每个初电子所能轰击出来的次级电子的平均值，大小与材料的性质、初电子能量有关，是二者的函数。次级电子发射系数除与初电子能量eVp和入射角有关外，还与逸出功、表面状态、温度等因素有关。次级电子发射过程：1） 内次级电子的激发；包括原电

16、子能量损失，内次级电子在发射体内的空间分布、能量分布等。2）内次级电子向表面运动；包括各类碰撞引起的能量损失。3） 达到表面的内次级电子克服势垒逸出；(Vp)曲线的定性解释：开头，随Vp增加，一般初电子在物体中所激发的电子数增加，因而增大。随着Vp进一步增加，初电子穿入样品的深度增加，激发次级电子主要发生在样品的深层。大部分次级电子到达表面的路程增加，能量损失增大，逸出电子数减少。这样，(Vp)曲线会出现极大值。 3、半导体和绝缘体的次级电子发射当初次级电子轰击绝缘体时，由于发射次级电子而表面积累电荷，从而改变了表面电位，利用这一点，可以制作各种电荷存储器件（如存储管，摄像管等）。利用绝缘体的较高的次级发射系数，做成次级电子发射面（如玻璃、KCl、CsI、MgO等）。用于电子倍增器