光電材料與器件課件第六章

第六章光電發(fā)射與光陰級①斯托列托夫定律當(dāng)入射光的頻率或頻譜成分不變時，光電發(fā)射體單位時間內(nèi)發(fā)射出的光電子數(shù)或飽和光電流與入射光的強(qiáng)度成正比

：光電(譜)靈敏度（單位：）光電發(fā)射的電子流密度分布正比于入射的輻射通量分布將輻射圖像轉(zhuǎn)換為光電子圖像一、光電發(fā)射的基本規(guī)律視頻演示②愛因斯坦定律光電發(fā)射出來的光電子的最大初動能與入射光的頻率成正比，與入射光的強(qiáng)度無關(guān)

：截止頻率(或紅限頻率)當(dāng)入射頻率低于時，不論光強(qiáng)如何都不會產(chǎn)生光電發(fā)射

光電轉(zhuǎn)換的光譜響應(yīng)范圍臨界波長二、光電子發(fā)射的基本理論公認(rèn)的光電發(fā)射理論模型——三步過程模型(三階段理論)①光電發(fā)射體內(nèi)的電子被入射光子激發(fā)到高能態(tài)②受激電子向表面運動，在運動的過程中因碰撞而損失部分能量③到達(dá)表面的受激電子克服表面電子親和勢而逸出（1）電子受激躍遷半經(jīng)典的處理方法對入射的光輻射采用經(jīng)典電磁場理論描述對電子的基態(tài)和受激態(tài)則采用量子力學(xué)方法描述λ(t)：受激躍遷的幾率速率(單位時間的幾率)A0：包含初相位在內(nèi)的入射光的復(fù)振幅ρ(ωk)：激發(fā)態(tài)的態(tài)密度分布函數(shù)<Φk|P|Φb>：由動量所表示的微擾矩陣元與入射輻射強(qiáng)度|A0|2成正比與基態(tài)Φb到激發(fā)態(tài)Φk的電子躍遷矩陣元<Φk|P|Φb>成正比與基態(tài)和激發(fā)態(tài)的態(tài)密度ρ(ωk)成正比受激躍遷的幾率速率λ(t)（2）受激電子向表面遷移過程光電發(fā)射體內(nèi)電子受激后，在其壽命時間內(nèi)要產(chǎn)生遷移運動能量損失散射自由電子散射晶格散射激子散射俄歇過程與體內(nèi)束縛電子發(fā)生非彈性碰撞而產(chǎn)生次級電子—空穴對時，將損失更多的能量晶體缺陷、應(yīng)力、晶粒邊界處產(chǎn)生的散射其它散射金屬中自由電子數(shù)量多，使受激電子在運動過程中受到很強(qiáng)的電子散射受激電子在運動較短的距離后就達(dá)到了電子的熱平衡只有靠近光電發(fā)射體表面處的受激電子才能遷移到表面激發(fā)電子的逸出深度小金屬的光電發(fā)射特性差（a）自由電子散射發(fā)生在金屬光電發(fā)射材料內(nèi)的主要散射非簡并的半導(dǎo)體在室溫狀態(tài)下，自由電子很少自由電子散射幾率顯著下降，自由電子散射可以忽略不計。主要光電發(fā)射體都采用半導(dǎo)體材料金屬半導(dǎo)體受激電子每經(jīng)過一次晶格散射會損失0.005~0.1eV的能量，自由電子散射的能量通常為幾個eV；電子-聲子散射幾率與溫度有關(guān)，而電子-電子散射幾率與溫度無關(guān)，強(qiáng)烈地依賴于電子能量兩次晶格散射之間的受激電子的平均自由程也較自由電子散射長（b）晶格散射半導(dǎo)體光電發(fā)射材料中比較主要的一種散射晶體中晶格振動能量的改變是量子化的，改變量的大小為聲子當(dāng)晶格振動對受激電子散射時，相互交換的是一個聲子的能量受激電子每經(jīng)過一次晶格散射會損失0.005~0.leⅤ的能量，比自由電子散射的損失要小得多兩次晶格散射之間受激電子的平均自由程也較長受激電子可以遷移較長的距離而不損失過多的能量遷移到表面后，受激電子仍能具有克服表面電子親和勢的能量半導(dǎo)體光陰級受激電子的逸出深度大半導(dǎo)體光電發(fā)射材料優(yōu)于金屬光電發(fā)射材料光電發(fā)射體積效應(yīng)受激電子與價帶電子或其他束縛能級上的電子發(fā)生碰撞產(chǎn)生電離（c）束縛電子碰撞電離使受激電子損失較多的能量引起碰撞電離所需的能量為禁帶寬度的2~3倍閾值能量Eth通過選擇適當(dāng)?shù)慕麕挾仁巩a(chǎn)生次級電子—空穴對的閾值能量大于受激電子所具有最大能量如何避免？？？例如對于敏感于可見光譜域的光電發(fā)射材料，要使波長350nm以上的入射光子所激發(fā)的受激電子不產(chǎn)生次級電子—空穴對，要求Eth>3eV閾值能量受激電子向表面遷移的幾率分析假定散射的幾率與受激電子所處的位置和能量大小無關(guān)則受激電子產(chǎn)生深度每增加單位距離，遷移到表面的幾率減小α倍令：令：平均逸出深度受激電子產(chǎn)生于x處并能遷移到真空界面的幾率透射式光陰極的最佳厚度在選擇光電發(fā)射材料時，應(yīng)盡量使之光吸收系數(shù)α值等于電子的有效逸出深度L的倒數(shù)。這樣就可以保證在任何厚度σ時都可以滿足上式。受激電子向真空界面遷移的幾率隨α及有效逸出深度L的增加而提高。透射式光陰極入射光光電子N0：入射的光子數(shù)ρ：反射率α：吸收系數(shù)σ：光陰極厚度xx截面處單位體積所吸收的光子速率則：x處dx間隔內(nèi)所產(chǎn)生的受激電子速率全部受激電子能遷移到真空界面的總幾率通過x截面光子流密度產(chǎn)生于x處dx間隔內(nèi)的受激電子遷移到真空界面的受激電子數(shù)目對陰極厚度積分積分得到遷移到真空界面的全部受激電子數(shù)目故：每一個入射光子所激發(fā)的電子能夠遷移到真空界面的幾率透射式光陰極的最佳厚度（取最大值）一階導(dǎo)數(shù)等于0（3）電子逸出表面過程分析本征半導(dǎo)體的能帶圖遷移到表面的電子需要具有不小于EA的剩余能量才能夠逸出進(jìn)入真空光電逸出功本征半導(dǎo)體在絕對零度時的長波閾(紅限)波長光電發(fā)射體內(nèi)電子可由小于閾值波長的光子激發(fā)成為灼熱的電子，它經(jīng)散射遷移到真空界面時，如具有克服電子親和勢EA的能量則可逸出表面，形成光電發(fā)射從價帶頂把電子激發(fā)到導(dǎo)帶并使之逸出表面的最低能量即價帶頂?shù)秸婵漳芗壷g的能量差受激電子逸出表面的條件受激電子逸出表面的幾率X方向的運動速度應(yīng)滿足才能逸出最大θ值θ0所決定的立體角內(nèi)的電子才能逸出到達(dá)表面時能量為E的電子逃逸幾率受激電子能否逸出表面主要取決于電子親和勢受激電子能否逸出表面主要取決于電子親和勢半導(dǎo)體表面吸附有其他元素的分子、原子或離子，都可以形成束縛能級，稱之為表面態(tài)如果吸附層較厚，則在表層形成施主或受主能級，從而構(gòu)成異質(zhì)結(jié)表面處半導(dǎo)體的能帶的變化(彎曲)，因此改變了電子逸出表面的狀況，也就改變了電子逸出表面所需要的能量，即改變了它的光電逸出功半導(dǎo)體附有不同表面態(tài)的四種情況半導(dǎo)體附有表面態(tài)的能帶彎曲降低有效電子親和勢，有利于電子發(fā)射提高有效電子親和勢，不利于電子發(fā)射表面能帶不產(chǎn)生明顯彎曲(a)P型半導(dǎo)體附有N型表面態(tài)電子從導(dǎo)帶底逸出表面所需的最小能量Eeff降低了P型半導(dǎo)體附有N型表面的匹配有利于電子逸出表面熱逸出功函數(shù)較大，熱電子發(fā)射較小，有利于降低光陰極的暗發(fā)射實用光陰極都采用這種結(jié)構(gòu)三負(fù)電子親和勢

GaAs光陰極1963年提出以來，研究者用銫吸附在P型GaAs表面得到了零電子親和勢，其后又有人對GaAs表面以Cs和O2交替激活，得到了負(fù)電子親和勢特點：量子效率高、暗發(fā)射小、光電子能量分布和角分布集中、擴(kuò)展長波限的潛力大積分靈敏度已經(jīng)可以達(dá)到3000μA/lm以上，室溫下1.06μm波長處的量子效率也超過了9%目前，制成負(fù)電子親和勢的半導(dǎo)體材料有兩類：Ⅲ-Ⅴ族元素的化合物單晶半導(dǎo)體硅單晶半導(dǎo)體兩類都是通過吸附Cs、O表面層來形成負(fù)電子親和勢負(fù)電子親和勢光陰極制作工藝負(fù)電子親和勢光電陰極的優(yōu)點(1)量子效率高PEA：過熱電子發(fā)射過熱電子壽命短

10-14~10-15s逸出深度小

10~20nm

NEA：所有受激電子都可參與發(fā)射非平衡電子壽命長達(dá)10-8s逸出深度大

可達(dá)1μm

（2）光譜響應(yīng)延伸到紅外、光譜響應(yīng)率均勻NEA光電陰極的閾值波長(3)熱電子發(fā)射小與光譜響應(yīng)范圍類似的正電子親和勢材料相比，負(fù)電子親和勢材料的禁帶寬度一般比較寬，熱電子發(fā)射較小，一般只有10-16A/cm2

(4)光電子的能量集中，見右圖

四、光電發(fā)射的極限電流密度維持光電發(fā)射要依賴于光陰極的真空界面有向內(nèi)的電場場強(qiáng)電場是由電子光學(xué)系統(tǒng)提供的光電發(fā)射將產(chǎn)生空間電荷（電子）空間電荷所形成的附加場與電子光學(xué)系統(tǒng)的電場方向相反像管光陰極接受輻射進(jìn)行圖像轉(zhuǎn)換時，所產(chǎn)生的光電發(fā)射電流密度將受到空間電荷效應(yīng)的限制

如果忽略光電子的初速度，當(dāng)光陰極面的法向場強(qiáng)為零時，光電發(fā)射就要受到抑制，這時像管的光電發(fā)射將呈飽和狀態(tài)。這一電流密度稱之為光電發(fā)射的極限電流密度。

直流工作時平板二極管結(jié)構(gòu)及極間電位分布1）直流工作情況在坐標(biāo)(x,0,0)點處取一微小體積dV=dxdydz，穿過這一微小體積的電力線通量E（x）：像管電子光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的軸向電場強(qiáng)度分布如果電荷密度產(chǎn)生的附加軸向電場剛好等于E(x)，則達(dá)到極限工作狀態(tài),根據(jù)高斯定理可得到又：V(x)光電子的運動速度dt電場強(qiáng)度在一封閉曲面上的面積分等于封閉曲面所包圍的電荷量和與介電常數(shù)之比故：又：故：邊界條件：X=0時：連續(xù)工作狀態(tài)下的光電發(fā)射極限電流密度關(guān)系式?光陰極的最大光電流密度與脈沖工作的時間成反比，與極間電位差呈正比2）脈沖工作情況A：光陰極的有效發(fā)射面積L：二極管電極間距U：極間電位差τ：脈沖的工作時間五、典型實用光陰極對光陰級材料的要求（1）材料表面的反射系數(shù)較低（2）電子親和勢盡可能低（3）對于反射式光電陰極，半導(dǎo)體應(yīng)該具有高的光吸收系數(shù)（4）逃逸深度應(yīng)該盡可能地大，最好大于吸收深度。逃逸深度與電子平均自由程有關(guān)，而吸收深度說明了需要多深才可以差不多吸收干凈。

逃逸深度>吸收深度，則逃逸幾率可達(dá)極大值。（5）禁帶寬度合適，

典型實用光陰極實用光陰極的種類很多，通常是以其敏感的光譜范圍來分類目前，根據(jù)國際電子工業(yè)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)采用s系列序號來命名各種實用光陰極的光譜響應(yīng)特性表7-3S序號光陰極的主要性能見P143紫外及可見光敏感的光陰極的光譜響應(yīng)特性可見光敏感的光陰極的光譜響應(yīng)特性近紅外及可見光敏感的光陰極的光譜響應(yīng)特性1）銀氧銫(Ag-O-Cs)光陰極（S-1）1929年最先發(fā)明的一種對近紅外光敏感的實用光陰極光譜響應(yīng)范圍在300-1200nm的波長區(qū)域響應(yīng)曲線有兩個峰值：短波峰介于300-400nm之間長波峰位于800nm附近通過對已沉積好的薄Ag膜(最佳厚度為10~20nm)用輝光放電的方法氧化后再引Cs敏化制成的制備（2）銻銫(Sb-Cs)光陰極光譜響應(yīng)在大部分可見光區(qū)和紫外區(qū)，長波閾值接近650nm峰值光譜靈敏度處于藍(lán)光和紫外波段，峰值的量子效率接近20%首先在真空中向基板上蒸鍍純Sb膜制作工藝透射式光陰極：要求Sb膜厚度為白光透射比下降到初始值的約70%蒸Sb后進(jìn)行引Cs熱處理，使光電發(fā)射達(dá)最大即可CsSb層厚度約30nm銻銫光陰極結(jié)構(gòu)CsSb層的化學(xué)組成為Cs3Sb禁帶寬度為1.6eV多余的受主Sb的濃度約有1020/cm3，其能級位于價帶頂之上約0.5eV處Cs3Sb晶體是P型的銻銫光陰極表面能帶圖在表面態(tài)的能級上由于銫的正離子和負(fù)空間電荷區(qū)之間構(gòu)成一個偶極層，從而導(dǎo)致沿偶極層的電位下降，促使電子親和勢下降光電發(fā)射主要來自價于帶中的受激電子，屬于本征光電發(fā)射光譜響應(yīng)在200~600nm范圍內(nèi)很平坦（3）多堿光陰極雙堿(如Sb-K-Cs、Sb-Rb-Cs)、三堿(如Sb-K-Na-CS)和四堿(如Sb-K-Na-Rb-Cs)，統(tǒng)稱為多堿光陰極在可見光波段有很高的量子效率，峰值量子效率接近30%(Cs)Na2KSb的光吸收隨波長增加而減小，根據(jù)該特點可以通過調(diào)整光陰極的厚度來改善它的光譜響應(yīng)特性增加長波響應(yīng)：為了增加長波響應(yīng)，可以在有效逸出深度允許的范圍內(nèi)增加光陰極的厚度，這就有效的利用了長波光子的吸收距離，可以將光陰極的長波閾延伸到0.9μm以上但是短波響應(yīng)有所降低（4）紫外光陰極窗口材料近紫外窗口材料的光譜透射比曲線透射式日盲紫外光陰極的光譜響應(yīng)“日盲”紫外光陰極紫外光陰極一般可分為400~200nm，200~104nm和104nm以下三類地表的太陽光光譜透射式紫外光陰極的光譜響應(yīng)工作于200~104nm中紫外波段的光陰極思考題光陰極的光電發(fā)射的可分為哪三步？光電發(fā)射電流密度與入射光強(qiáng)度的關(guān)系如何？光陰極的表面態(tài)如何影響光電發(fā)射的量子效率?從材料能帶結(jié)構(gòu)角度分析如何才能得到高效率的光電發(fā)射光電發(fā)射飽和現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是什么？七：次級電子發(fā)射現(xiàn)象1、電子與物質(zhì)的相互作用二次電子5—10nm背散射電子50—200nm特征X-射線100—1000nm俄歇電子5—10nm吸收電子100—1000nm滴狀作用體積二次電子發(fā)射的特性曲線二次電子發(fā)射系數(shù)是初電子入射角和加速電位的函數(shù)，并且存在極值2）二次電子發(fā)射系數(shù)δ出射的電子數(shù)與入射的電子數(shù)之比值，也稱為二次電子倍增系數(shù)定性解釋入射電子入射到材料表面后，因散射、碰撞損失能量、改變運動方向行程末端（梨形區(qū)域）能量損失速度最快，產(chǎn)生的內(nèi)次級電子數(shù)目最多電子能量低，入射深度小，但產(chǎn)生的內(nèi)次級電子數(shù)目也少電子能量高，入射深度大，產(chǎn)生的內(nèi)次級電子數(shù)目也多，但距材料表面也遠(yuǎn)電子斜入射，使內(nèi)次級電子產(chǎn)生深度變淺，容易從表面發(fā)射出來2二次電子發(fā)射的物理過程①材料體內(nèi)的電子被入射電子激發(fā)到高能態(tài)碰撞電離2~3Eg②受激電子向表面運動，在運動的過程中因碰撞而損失部分能量③到達(dá)表面的受激電子克服表面電子親和勢而逸出三步驟模型真二次電子的發(fā)射過程結(jié)論:為獲得最大的二次電子發(fā)射系數(shù)，應(yīng)?。海?）原電子入射角接近90°，即取掠射電子。（2）原電子的加速電壓應(yīng)取最佳值，過高或過低都將不利①入射電子激發(fā)當(dāng)原電子能量高即速度大時，原電子與其行程附近的原子作用時間短，所以束縛電子受到激發(fā)的可能小。在全部行程里，大多數(shù)電子形成于行程的末端。原電子初能愈大，就有更多的內(nèi)次級電子產(chǎn)生在表面下的深處內(nèi)次級電子隨原電子行程的分布示意圖原電子能量損失規(guī)律惠丁頓定律原電子的最大行程原電子在單位路程上產(chǎn)生的內(nèi)次級電于數(shù)目正比于它的能量損失率內(nèi)次級電子主要產(chǎn)生于原電子形成的末端八、半導(dǎo)體及絕緣體的次級電子發(fā)射導(dǎo)電性不良，引起電荷積累δ>1時表面積累正電荷表面電位升高δ<1時