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第四章 辐射图象的光电转换 4.1 光电发射的物理模型 4.2 电子受激跃迁的半经典分析 4.3 受激电子向表面迁移过程的分析 4.4 电子逸出表面过程的分析 处于绝对零度的本征半导体的能带如图4—l所示。 对于半导体，它的光电逸出功Φ0和热电子发射逸出功Φ是不同的。根据定义， T＝0K时 电子占据的最高能级是价带顶，它的光电逸出功Φ0是指从价带顶把电子激发到导带并使之逸出表面的最低能量，也就是价带顶到真空能级之间的能量差 4.5典型实用光阴极 4.5.1银氧铯(Ag-O-Cs)光阴极 4.5.2 锑铯(Sb-Cs)光阴极 4.5.3 多碱光阴极 4.5.4 负电子亲和势(NEA)光阴极 4.5.5 紫外(UV)光阴极 Φ0 = Eg +EA 其数值等于禁带宽度Eg与电子亲和势EA之和。由此可确定本征半导体在绝对零度时的长波阈(红限)波长 式中， A和c分别表示普朗克常数和真空中光速。 光电发射体内电子可由小于阈值彼长的光子激发成为灼热的电子，它经散射迁移到真空界面时，如具有克服电子亲和势的能量则可逸出。 银氧艳光阴极是1929年最先发明的一种对近红外光敏感的实用光阴极。它的光谱响应范围从300—1200nm的波长区域，其响应曲线有两个峰值：短波峰介于300-400nm之间，长波峰位于800nm附近。光谱响应特性曲线如图4-5所示。 于1936年研制出的锑铯光阴极，其光谱响应在大部分可见光区和紫外区，长波阈值接近650nm。峰值光谱灵敏度处于蓝光和紫外波段，峰值的量子效率接近20%。根据所用的窗材料的不同而有不同的光谱特性。在S系列中包括S-4、 S-5、 S-11、 S-13、 S-17和S-19等多种编号。 当锑与一种以上碱金属结合可获得比单碱锑铯光阴极更高的量子效率，其中有双碱的(如Sb—K—Cs、Sb—Rb—Cs)，三碱的 (如Sb—K—Na—Cs)和四碱的 (如Sb—K—Na—Rb—Cs)等，统称为多碱光阴极。这类光阴极在可见光波段有很高的量子效率，其峰值量子效率接近30％。 上面所述的光阴极都是表面具有正电子亲和势的多晶薄膜。多晶性和正电子亲和势是其两大特征。 在多晶膜晶粒内部因吸收光辐射而激发出的光电子，要穿过若干晶粒间界才能到达光阴极表面。 光电子在晶粒间界处可能遭到反射、散射或吸收，也可能同空穴复合，此外，晶粒内部靠近晶粒间界的地方因能带弯曲而产生的势垒区，使晶粒内部的平带区变窄，从而又使终态能量高的电子数目减少．所有这些均将降低光阴极的量子效率。 为了减少和消除多晶性给光阴极带来的不利影响，最好直接将光阴极制备成单晶薄膜。 正电子亲和势也是光阴极进一步提高量子效率和向长波方向扩展响应受到限制的另一个重要原因。 因为一切已经受到激发跃迁到导带的电子，在其损失掉一部分能量运动到发射表面时，还必须有足够的能量克服表面电子亲和势才能逸出，但若能设法使阴极获得近于零的甚至负的电子亲和势, 则即便是到达表面时已降到导带底的电子也可以发射出来。 负电子亲和势状态， 可以通过适当方法处理P型发射材料，使其功函数减到比材料本身的禁带宽度还小。负电子亲和势光阴极理论于1963年提出以来，研究者用铯吸附在P型GaAs表面得到了零电子亲和势，其后又有人对GaAs表面以Cs和()2交替激活，得到了负电子亲和势，通常用缩写NEA来表示负电子亲和势光阴极。 它以理论模型的概念新颖、发射体本身的量子效率高、暗发射小、光电子能量分布和角分布集中，扩展长波限的潜力大等特性，成为广泛研究的课题。 现在反射式的NEA光阴极的灵敏度已超过2000μA／lm，透射式阴极也达到了900 μA／lm ，室温下1.06 μm波长处的量子效率高达9%。 目前制成负电子亲和势的半导体材料有两类： 一是化学元素周期表中的Ⅲ族和Ⅴ族元素的化合物单晶半导体； 二是硅单晶半导体。两类都是通过吸附Cs、 O的表面层来形成负电子亲和势的。 异质结理论模型认为，GaAs层通过重掺杂构成P型半导体，它的表面先吸附单原子的Cs层，再吸附一层Cs2O层。Cs2O是一种N型半导体. 由此构成GaAs十Cs与Cs2O 两者相接触的异质结。 因为有空间电荷的存在，P型GaAs的界面处能带向下弯曲，N型Cs2O的界面处能带向上弯曲，如图4—8(a)所示。 偶极层模型与异质结模型不同，认为表面吸附的Cs和Cs2O层只是单原子及分子层。对于这样的薄层，应当用偶极层来解释。 Cs是一种电离能最低的金属，它的电离能约为1.4eV. 当Cs吸附在重掺杂的P型GaAs表面时，由于Cs的电离能小于GaAs的逸出功, Cs原子的价电子将转移到P型半导体的受主能级上，产生空间电荷区，使半导体表面能带向下弯曲如图4—8(b)所示。