《光电成像原理》第4章+光阴极1-4节

第四章光阴极

工作原理——基于半导体外光电效应

特征参数——积分灵敏度、光谱灵敏度、量子效率、暗发射等

材料多晶型(如Ag－0－Cs、Sb－K－Na－Cs等)单晶型(如Ⅲ－Ⅴ族等)

光谱响应范围紫外可见近红外X射线光电发射机理正电子亲和势PEA(如碱锑光阴极)负电子亲和势NEA光阴极(如GaAs光阴极等)

§4.1

光阴极机理

§4.2

光阴极特性参数及其制约因素

§4.3

光阴极量子效率的一般表达式

§4.4

实用光阴极

第四章光阴极§4.1光阴极机理

光电发射的基本定律

光电发射的物理模型

半导体表面能级和能带弯曲

正电子亲和势（PEA）和负电子亲和势(NEA)

(1)斯托列托夫定律：

当入射光的频率及光谱不变时，光电发射饱和电流密度与入射光照度成正比。

光电发射的基本定律

(2)爱因斯坦定律：

光电子的最大动能与入射光的频率成正比，而与入射光的照度无关。

注意：ν0仅指T=0K时的红阈频率值。光电发射的物理模型

根据半导体能带理论，公认的理论模型是三步过程模型电子受激过程；电子输运过程；电子逸出过程；

第一步：体内电子与入射光子相互作用结果。由于光子以随机瞬间落到光敏面上随机空间上的，光电子受激过程是量子化的。是大量电子分立运动的动力学过程，具体描述用数理统计的方法。

第二步：随机过程。每一个受激电子在向表面迁移的过程中所经过的散射势场是不同的。要具体描述散射过程用数理统计方法。第三步：前两步结果的离散性，必然导致每个出射电子状态的差异。光电发射：大量电子分立的受激、散射和逸出的过程。由于电子本身的量子性和散射的随机性，造成了光电发射过程是—个离散随机过程。

半导体表面能级和能带弯曲

表面层和表面势

空间电荷层表面势VS<0，能带向上弯曲，造成电子的表面势垒；表面势VS>0，能带向下弯曲，造成空穴的表面势垒。

半导体的表面势VS

N型半导体，在表面形成多子的积累层。

P型半导体，在表面形成多子的耗尽层。

P型半导体，当Ei足够大时，表面可为反型。弱反型：E-

Ei

eVFEFE+

弱反型能带图

强反型：

强反型能带图E-EieVFEFE+

在热平衡条件下

表面电子亲和势EA表面电子亲和势是电子从固体内表面到达体外真空所需要最小能量。与表面层内能带弯曲情况无关。

表面吸附对半导体表面的影响

理想表面是指表面层中原子排列的对称性与体内原子完全相同，且表面上不附着任何原子或分子的半无限晶体表面（即晶体的自由表面）。理论分析表明，在表面外侧和内侧，电子的波函数都按指数关系衰减，这表明电子的分布几率在表面处最大，即电子被局限在表面附近。这种电子状态叫做表面态，对应的能级称为表面能级。理想表面产生表面能级的原因是塔姆（Tamm）首先提出，称为塔姆表面能级或塔姆能级。实际表面，在表面处还存在由于晶体缺陷或吸附原子等原因引起的表面态。这种表面态的特点是其数值（表面态密度）与表面经过的处理方法及所处的环境有关。表面态的存在，会影响半导体的能带使其在表面处弯曲，改变了它的光电逸出功。

表面态处于中性状态的费米能级EFS

P型半导体附有N型表面态

实用光阴极都采用这种结构。由于P型半导体的费米能级处于较低的价带附近，其热逸出功函数较大，热电子发射较小，有利于降低光阴极的暗发射。

N型半导体附有P型表面态

平衡时，表面的受主能级接受半导体内部的电子。形成内正外负的空间电荷区。附加电场使表层能带向上弯曲。

正电子亲和势和负电子亲和势

如果下降后的真空能级仍高于体内导带底电子能级，则正电子亲和势(PEA)；如果真空能级降低到比体内导带底电子能级还低，则构成负电子亲和势(NEA)。NEA砷化镓光阴极能带图负电子亲和势(NEA)

§4.2光阴极特性参数及其制约因素

光阴极的光谱响应范围：

短波限：

光阴极窗口材料的短波吸收限；

长波限：

禁带宽度和表面位垒降低的程度(PEA）光谱灵敏度NEA平行于λ轴的直线。PEA有一峰值响应波长存在，是由光吸收光谱和Ee>Eg+EA

之电子不同的逸出真空概率分布共同决定的。

光子吸收损失

光阴极光谱响应范围的有限性：为了拓宽光阴极的光谱范围，考虑并改进其输入窗、基底的光谱透过率和光敏层的禁带宽度。光阴极的量子效率不同材料50％透过率短波截止波长

材料LiF晶体紫外蓝宝石熔石英紫外玻璃7056玻璃GaAlAs基底光纤面板GaP基底λS

0.120.160.180.250.30.50.390.9

界面反射损失：根据光学理论可知，

根据光学薄膜理论，增透折射率n和厚度d分别为：

光能的不完全吸收：

电子传输损失

产生的散射：自由电子散射；晶格散射；激子散射等。次级电子—空穴对产生，损失更多的能量。

自由电子散射—金属光电发射材料的主要散射。

晶格散射—半导体光电发射中主要的一种散射。

一次晶格散射损失约0.01ev的能量，碰撞一次的平均距离为20～100,受激光电子能量一般在导带底以上几个ev,可迁移较长距离而不损失过多的能量。束缚电子碰撞电离—使受激电子损失较多的能量。

引起碰撞电离的能量为禁带宽度的2～3倍，称为产生次级电子—空穴对的阈值能量。其它散射—晶体缺陷产生的散射；晶体中应力产生的散射；在晶粒边界处产生的散射。

表面位垒损失

表面位垒损失是延伸长波响应、提高灵敏度的最大问题。

长波限

镜像力，光阴极材料中的正电荷对受激电子吸引力；表面偶极层作用力，它阻挡电子逸出体外；原子核对逸出电子的束缚力。

存在的原因：§4.3

光阴极量子效率的一般表达式透射型光阴极量子效率

假设散射的几率与受激电子所处的位置和能量大小无关

在光阴极体内x处的光照度（光子流密度）

吸收率

dx光电子流密度

透射式光阴极

总光电子流密度

透射型光阴极的量子效率

选择光电发射材料时，尽量使光吸收系数值等于电子的有效逸出深度的倒数，可保证在任何厚度时都满足量子效率为最大条件，对光电发射有利。

反射型的量子效率

讨论：

1、要获得高的量子效率，应选用和尽可能大的材料。

2、对于透射型，厚度T要适当，保证项尽可能大，一般选择

3、光阴极的量子效率都与表面概率P0成正比。

§4.4

实用光阴极主要技术特点：

高的积分灵敏度；宽的光谱响应范围；小的暗电流；快的响应速度。

主要有：Ag－O－Cs光阴极、碱锑化合物光阴极、紫外光阴极和Ⅲ--Ⅴ族半导体负电子亲和势光阴极等。

一、银氧铯光阴极(Ag－O－Cs)（S－1)

1929年发明

1934年研制1、特性

积分灵敏度

30～60

μA/lm响应长波限

1.1

μm峰值波长

0.35，0.8

μm量子效率

1

％暗发射电流密度

10-12

A/cm2缺点：室温下，热电子发射较大，典型值10-11～10-14A/cm2；容易疲乏。相关因素：光强、光波长、阳极电压、温度。2、工艺和结构：在10-6Pa真空环境下

4Ag+O2→2Ag2OAg2O+2Cs－－－－－－－2Ag+Cs2O

120～180℃

透明玻璃窗/Ag-O-Cs薄膜，主要成分：Cs2O中含Cs杂质和Ag粒子。结构表示：

〔Ag〕－－Cs2O，Ag，Cs－－Cs

3、机理

半导体理论模型：光电发射来自掺有Cs和Ag等杂质原子的n型半导体Cs2O的中间层。表面铯原子起降低逸出功的作用。结论：

长波阈值附近的光电发射由Cs的杂质能级决定。

短波峰值附近的光电发射由Ag的杂质能级决定。

问题:Ag含量与Cs2O属同一数量级，看成杂质原子不合适。电子显微镜观察,发现层中有大银颗粒和银胶粒存在。

蒸过量银并没显著增加短波响应，长波响应改善。固溶胶理论：Ag-O-Cs阴极是由大量银胶粒和银颗粒分散埋藏在Cs2O半导体中构成的。银胶粒被Cs2O层包围，其界面势垒是由金属与半导体接触而形成的。因为胶粒很小，胶粒界面处的电场很强，致使胶粒与半导体层之间的势垒很窄。胶粒内的光电子由隧道效应很容易进入周围的半导体层。

实用光阴极半导体Cs2O

胶粒（Ag）

Ev

Ec

E0

真空EF

Eb

Cs2O的作用降低逸出功；波长大于1100nm的光电发射，认为是来自Cs2O中的Cs杂质能带以及表面吸附铯的贡献，表面吸附铯降低有效电子亲和势。基本结论：长波响应由埋藏在Cs2O中的小银胶粒贡献的；短波响应由被Cs2O覆盖的银颗粒贡献的；积分灵敏度

70～80

μA/lm响应长波限

0.7

μm光谱响应

可见光、紫外量子效率

20～30

％暗发射电流密度

10-17

A/cm2二、锑铯(Sb－Cs)光阴极（1936年）1、特性特点：氧敏化；积分灵敏度可提高1.5-2倍，向长波方向移动，长波阈值达0.8～0.9μm。

基底对锑铯光阴极性能有较大影响。

2、组成与机理

稳定组成Cs3Sb,，轻度过量Sb，有最佳光电发射。光学性质的研究，光吸收谱与光谱响应曲线相似，吸收系数高达105～106cm-1量级，本征吸收的特征。x射线衍射确定是立方对称，晶格常数为9.15A。霍尔效应的测量可判定是P型半导体。

光吸收的长波阈值可估算禁带宽度Eg=1.6ev,

光电发射的长波阈值可定出Eg+EA的值。Eg+EA＝2.05ev

EA=0.45evλath=1.24/Eg

λeth=1.24/Eg+EA

Cs的电离能小于Cs3Sb的热逸出功，Cs原子的价电子转移到Cs3Sb半导体的受主能级上，在半导体内形成了负的空间电荷区使表面处能带向下弯曲，在表面上由Cs的正离子和负空间电荷区之间构成一个偶极层，导致沿着偶极层的电位下降，使电子亲和势EA降为EA(ture)

。

EA(ture)φ0＝1.4eV

E0

EAEF

EA(eff)=0.4eV

E-

E+

Eg=1.0eV

空受主满受主正离子表面区Cs单原子层的作用三、多碱光阴极1955年萨默（Sommer）

（1）灵敏度高;

（2）热发射电流很小（<10-16);

（3）可见光范围内的光谱灵敏度十分均匀。1、组成灵敏度最高时，钠与钾的比例是2：1。X射线衍射，结构是体心立方对称型。特点：2、特性光谱特性：

S-20量子效率最大40％，长波阈值8700A，峰值4200A。光吸收特性：

S-20光吸收系数随波长的增大而减小，调整阴极层厚度改变光谱响应。导电性和热发射：

电导率随温度变化关系呈现半导体的特性。

室温下的热发射电流较小，约为10-16Ａ/cm2。

疲劳效应：

〔Cs〕Na2KSb阴极的疲劳效应较小。

3、机理光吸收的长波阈值推出禁带宽度Eg=1.0ev，光电发射的长波阈值推出电子亲和势。Na2KSb的EA=1.0ev，〔Cs〕Na2KSb的EA=0.55ev。S-20中铯的作用降低了表面电子亲和势；精确测量表明，Cs附加使晶格有微小的膨胀，从Na2KSb晶格常数7.727±0.003Ａ变到〔Cs〕Na2KSb的7.745±0.004Ａ，Cs的作用并非仅是表面效应，还存在体积效应。

1965年(J.JScheer)希尔四、负电子亲和势（NEA）光阴极1、NEA光阴极的特性：高灵敏度（800～1200μA/lm）高的量子效率（>40%）暗发射小（<10-14A/cm2）光电子能量角分布集中扩展长波限的潜力大。3、结构

透射式光阴极：窗口玻璃／Si3N4／A1GaAs/GaAs：Cs2O

2、半导体材料有两类：

Ⅲ－Ⅴ族化合物单晶半导体；硅单晶半导体（Si）4、机理两种理论模型：异质结理论模型、偶极层理论模型。GaAs:Cs光电阴极的零电子亲和势

掺有锌杂质的GaAs是Ｐ型半导体，它的禁带宽度Eg=1.4ev，逸出功φ＝4.7ev。

Cs电离能Iad＝1.4ev，小于GaAs的逸出功（4.7ev），Cs中电子向半导体受主上转移，表面能带向下弯曲。当导带边弯曲到价带顶附近时（△E=Eg），表面势满足强反型条件。

强反型层出现后，电子的转移只增加表面反型层的电子数，对势垒高度影响很小，能带不再向下弯曲，弯曲量△E=Eg

。

以后新吸附铯的电子转移到表面附近的导带边缘，半导体表面呈负电性，与因欠缺电子而呈正电性的Cs形成偶极层，达到热平衡状态为止，表面逸出功φ与Cs的电离能Iad一致。

EA

φ

Ec

Eg

EV

EF

受主能级

Iad

EA

Ec

Eg

EV

EF

受主能级

Iad

φ

Ec

Eg

EV

EF

受主能级

Iad＝φ′

△E=Eg

GaAs:Cs光电阴极的零电子亲和势的形成GaAs:Cs2O

NEA光阴极