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負電子親和勢光陰極

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表面勢壘低於導帶底的光陰極(如GaAs:Cs-O)。表面勢壘高於導帶底的稱為正電子親和勢光陰極(如Sb-K-Na-Cs);表面勢壘平於導帶底的稱為零電子親和勢光陰極

1 負電子親和勢光陰極 -負電子親和勢光陰極

 

2 負電子親和勢光陰極 -正文

  表面勢壘低於導帶底的光陰極(如GaAs:Cs-O)。表面勢壘高於導帶底的稱為正電子親和勢光陰極(如Sb-K-Na-Cs);表面勢壘平於導帶底的稱為零電子親和勢光陰極(如GaAs:Cs)(圖1)。

負電子親和勢光陰極負電子親和勢光陰極

  1963年美國 R. E.西蒙斯根據半導體能帶理論提出負電子親和勢概念。1965年荷蘭J.J.席爾和J.范拉製成GaAs:Gs光陰極。人們又制出其他Ⅲ-Ⅴ族化合物光陰極,如 InP,GaxIn1-xAs(0<x<1),GayIn1-yPzAs1-z(0<y<1,0<z<1)等,統稱為Ⅲ-Ⅴ族化合物負電子親和勢光陰極。

負電子親和勢光陰極負電子親和勢光陰極

  對負電子親和勢光陰極表面吸附的Cs-O層的解釋,有異質結和偶極子兩種模型(圖2)。異質結模型認為,Cs-O表面層是一層體狀的、具有N型半導體性質的Cs2O,它與P型Ⅲ-Ⅴ族化合物晶體(如摻Zn的GaSb)接觸,形成異質結。此模型給出在表面吸附層內有一界面勢壘(約 1.2電子伏)。根據偶極子模型,Cs-O層是很薄的Cs偶極子與Cs2O偶極子串聯的雙偶極子,其厚度約8埃。這與單原子尺度的實驗是一致的。
  光陰極分反射式和透射式兩種。入射光的方向與電子發射的方向相反,稱為反射式;入射光的方向與電子發射的方向相同,稱為透射式。
  透射式GaAs光陰極的靈敏度最高可達2毫安/流,量子效率(電子/光子)為27%,表面逸出幾率為42%,λth為0.9微米。
  實驗證明,Eg<1.2電子伏(即λth>1微米)的 Ⅲ-Ⅴ族化合物的激活條件比較臨界,難以獲得最佳表面狀態而且長波量子效率很低。這是由於Ⅲ- Ⅴ族化合物發射層與Cs-O表面吸附層形成的界面勢壘所致。當發射層的Eg<1.2電子伏時,被激發到導帶底相應能量的電子被這個界面勢壘所「阻擋」而不能逸至真空。應用偏壓輔助場則使被「阻擋」的電子獲得附加的能量,越過這個界面勢壘或利用隧道效應穿過這個界面勢壘,在外電場的作用下發射至真空中,從而提高λth>1 微米的量子效率。為了進一步改善電子在晶體內的傳輸性能,以便得到最優化條件,可將入射光的吸收層與電子發射層分開,這就是轉移電子負電子親和勢光陰極。實際上在同一個 Ⅲ-Ⅴ族化合物負電子親和勢光陰極中可同時使用偏壓輔助場和轉移電子的工藝。
  透射式Ⅲ- Ⅴ族化合物負電子親和勢光陰極的光譜響應範圍在一定的條件下是可以設計的,其λth受窗口玻璃或襯底的限制;而λth並決定於發射體的Eg。設計時須注意選擇襯底、過渡層(突變或緩變)、發射層、窗口玻璃的光學性能(除發射層吸收入射光以外,其他各層對入射光應儘可能透過)、晶體性能(襯底與外延層的晶格要匹配)、熱性能(各層的熱膨脹係數要接近)和選擇性腐蝕液。
  反射式Ga0.23In0.77As光陰極的λth約為2.1微米。為使λth再向長波延長, 只有選擇Eg比較小的三元或四元Ⅲ-Ⅴ族化合物,例如InPxAs1-x,GaxIn1-xSb,InPxSb1-x,GaxIn1-xAsyP1-y(以上負電子親和勢光陰極),InPxAsySbz(x+y+z=1)。要實現這些Ⅲ-Ⅴ族化合物負電子親和勢光陰極,首先要解決多 層異質外延生長,其次要解決光陰極的冷卻(因為λth越長,則熱發射越大)。

 

3 負電子親和勢光陰極 -配圖

 

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