什么是负电子亲和势光阴极?

[拼音]：fudianzi qinheshi guangyinji

[外文]：negative electron affinity photocathode

表面势垒低于导带底的光阴极（如GaAs:Cs-O)。表面势垒高于导带底的称为正电子亲和势光阴极(如Sb-K-Na-Cs)；表面势垒平于导带底的称为零电子亲和势光阴极（如GaAs:Cs）（图1）。

1963年美国 R. E.西蒙斯根据半导体能带理论提出负电子亲和势概念。1965年荷兰J.J.席尔和J.范拉制成GaAs:Gs光阴极。人们又制出其他Ⅲ-Ⅴ族化合物光阴极，如 InP，GaxIn1-xAs(0<x<1)，GayIn1-yPzAs1-z（0<y<1，0<z<1)等，统称为Ⅲ-Ⅴ族化合物负电子亲和势光阴极。

对负电子亲和势光阴极表面吸附的Cs-O层的解释，有异质结和偶极子两种模型（图2）。异质结模型认为，Cs-O表面层是一层体状的、具有N型半导体性质的Cs2O，它与P型Ⅲ-Ⅴ族化合物晶体（如掺Zn的GaSb）接触，形成异质结。此模型给出在表面吸附层内有一界面势垒（约 1.2电子伏）。根据偶极子模型，Cs-O层是很薄的Cs偶极子与Cs2O偶极子串联的双偶极子，其厚度约8埃。这与单原子尺度的实验是一致的。

光阴极分反射式和透射式两种。入射光的方向与电子发射的方向相反，称为反射式；入射光的方向与电子发射的方向相同，称为透射式。

透射式GaAs光阴极的灵敏度最高可达2毫安/流，量子效率(电子/光子)为27％，表面逸出几率为42％，λth为0.9微米。

实验证明，Eg<1.2电子伏（即λth>1微米）的 Ⅲ-Ⅴ族化合物的激活条件比较临界，难以获得最佳表面状态而且长波量子效率很低。这是由于Ⅲ- Ⅴ族化合物发射层与Cs-O表面吸附层形成的界面势垒所致。当发射层的Eg<1.2电子伏时，被激发到导带底相应能量的电子被这个界面势垒所“阻挡”而不能逸至真空。应用偏压辅助场则使被“阻挡”的电子获得附加的能量，越过这个界面势垒或利用隧道效应穿过这个界面势垒，在外电场的作用下发射至真空中，从而提高λth>1 微米的量子效率。为了进一步改善电子在晶体内的传输性能，以便得到最优化条件，可将入射光的吸收层与电子发射层分开，这就是转移电子负电子亲和势光阴极。实际上在同一个 Ⅲ-Ⅴ族化合物负电子亲和势光阴极中可同时使用偏压辅助场和转移电子的工艺。

透射式Ⅲ- Ⅴ族化合物负电子亲和势光阴极的光谱响应范围在一定的条件下是可以设计的，其λth受窗口玻璃或衬底的限制;而λth并决定于发射体的Eg。设计时须注意选择衬底、过渡层（突变或缓变）、发射层、窗口玻璃的光学性能（除发射层吸收入射光以外，其他各层对入射光应尽可能透过）、晶体性能（衬底与外延层的晶格要匹配）、热性能（各层的热膨胀系数要接近）和选择性腐蚀液。

反射式Ga0.23In0.77As光阴极的λth约为2.1微米。为使λth再向长波延长， 只有选择Eg比较小的三元或四元Ⅲ-Ⅴ族化合物，例如InPxAs1-x，GaxIn1-xSb，InPxSb1-x，GaxIn1-xAsyP1-y(以上


)，InPxAsySbz(x+y+z=1)。要实现这些Ⅲ-Ⅴ族化合物负电子亲和势光阴极，首先要解决多 层异质外延生长，其次要解决光阴极的冷却（因为λth越长，则热发射越大）。