物理電子發(fā)射總結

1、一、熱電子發(fā)射1、金屬的熱電子發(fā)射公式零場發(fā)射電流密度其中：A是發(fā)射常數(shù)的理論值， R 是平均反射系數(shù)，小于0.02，與勢壘形狀有關?？梢娊饘俚臒犭娮影l(fā)射電流密度與溫度T和逸出功E是指數(shù)關系。2、半導體的熱電子發(fā)射公式其中逸出功式（1.43）為半導體的熱電子發(fā)射公式，也稱四分之五次方定律。發(fā)射系數(shù)：半導體熱電子發(fā)射電流密度與金屬有所不同，除了溫度T 的關系有差別外，還與雜質濃度ND有關。N型半導體的逸出功E比金屬小，在同樣溫度下，半導體有更大的電流發(fā)射密度。二、場致電子發(fā)射1、場致發(fā)射顯示器FED與CRT的相同點： 利用陰極電子經電場加速而轟擊熒光材料發(fā)光的主動發(fā)光型顯示器件。FED與CRT的

2、區(qū)別點：（1）CRT采用熱陰極，通過加熱陰極材料使其表面電子獲得克服表面勢壘的能量從而發(fā)射出來；而FED采用冷陰極，采用表面功函數(shù)較低、電子勢很小甚至為負值得材料，使之在外加電場作用下逸出。因此，F(xiàn)ED不但降低了功耗，而且可以瞬時發(fā)射電子。（2）CRT的熱陰極為點發(fā)射源或線發(fā)射源，需要通過偏轉磁場的作用，才能在顯示屏幕上進行掃描而產生顯示。因此，CRT難以實現(xiàn)平板化；而FED的冷陰極為面發(fā)射源，可以十分方便地實現(xiàn)平板化和矩陣驅動，無論重量還是體積都大大降低。（3）CRT的加速電場電壓通常在1330kV之間；而采用平板結構的FED一般加速電壓小于10kV。另一方面，CRT的消耗電流很小，因此其功

3、耗控制在可接受的范圍內；而FED的加速電壓較低，要達到與CRT相當?shù)亓炼?，必然需要較高的消耗電流。（4）陰陽極距離也是兩者的主要區(qū)別之一。CRT的陰陽極距離至少在1cm以上，大尺寸CRT甚至達到幾十厘米；而FED的陰陽極距離小于3mm。FED優(yōu)點：FED繼承了CRT的高亮度、高對比度、寬視角的優(yōu)勢，又兼有LCD、PDP的超薄外觀、高分辨率、功耗低特性，還很好地杜絕了CRT的電磁輻射和X射線輻射以及LCD的殘像感。 FED性能：(1）中大屏幕：1550(2)顏色自然逼真：CRT熒光粉(3)發(fā)光效率高：CRT熒光粉 (4)全數(shù)字電視：數(shù)字尋址(5)響應速度快：1ms (6)視角寬廣: 170

4、76; (7)用溫度范圍寬廣：4085 (8)功耗低：150W（40）FED用戶使用：（1）成本低廉：1.5CRT < FED < 0.4 LCD（2）環(huán)保：低輻射（3）輕薄便攜：810cm典型場發(fā)射顯示結構原理原理：在柵極和陰極之間有一個電壓差形成電場，使得微尖釋出電子，再經過陽極和陰極之間的高壓電場加速電子使之轟擊熒光粉而發(fā)光。FED三個基本工藝：真空工藝，微納加工工藝，光電子半導體工藝。FED技術難點：1.電子束發(fā)射技術。電子發(fā)射材料的起始電場越低越好；電子發(fā)射極密度需大于 106A/cm2；每個發(fā)射極需均勻發(fā)射電子；在高真空、高電壓下發(fā)射極維持穩(wěn)定性與壽命2. 支撐間隔材料

5、3. 真空密封技術4. 低壓熒光粉技術FED用途：儀器儀表的監(jiān)視器；手提式計算機顯示屏；壁掛電視；攝像機的取景器；電子照相機的顯示屏等娛樂用途；炮瞄定位顯示等軍事用途；汽車工業(yè)及航空工作中的導向系統(tǒng)監(jiān)視器等；FED面臨的問題：壽命不長，這是一個關鍵因素；由于玻殼和工藝問題, FED難于實現(xiàn)大屏幕化 ；陰極大面積發(fā)射的一致性不好；陰極發(fā)射的穩(wěn)定性需要繼續(xù)研究；結構復雜，支撐結構布局困難，真空封接還不完善。三、光電子發(fā)射1、金屬的光電子發(fā)射光照射到某些物質上，引起物質的電性質發(fā)生變化。這類光致電變的現(xiàn)象被人們統(tǒng)稱為光電效應。當一束光照射在樣品上時，它將部分被反射、部分透射，還有部分被吸收。如果樣品

6、是固體，吸收光子后，將產生：1)激發(fā)新的載流子，增加了電導率，稱為光電導效應； 2)使固體產生電動勢，稱為光伏效應；此前兩種現(xiàn)象稱為內光電效應。3)固體中吸收了光子能量的電子，具有較大的動能，其中具有向表面運動動量的電子，克服表面勢壘，逸出到真空，成為發(fā)射電子，此現(xiàn)象稱為光電子發(fā)射，是外光電效應。發(fā)射出的電子稱為光電子，光電子所形成的電流稱為光電流。斯托列托夫定律：愛因斯坦定律：愛因斯坦定律說明：入射的光子頻率越高，每個光子的能量也越大，金屬中處于最高能級的電子在獲得該能量逸出后，自然具有最大動能，并且該動能與光強無關。斯托列托夫定律說明：即光越強，單位時間作用與陰極的光子數(shù)越多，自然會有更多

7、的電子被激發(fā)，更多的光電子從陰極逸出。光電陰極靈敏度的表示方法：1)絕對光譜靈敏度 指陰極發(fā)射的光電流與入射的單色輻射功率的比值（A/W）2、相對光譜靈敏度某波長的絕對光譜靈敏度與絕對光譜響應曲線上的最大值的比值3、白光靈敏度或積分靈敏度（A/lm） 指陰極發(fā)射的光電流與2856K 標準光源照射到陰極上的光通量的比值4、量子產額（量子效率）陰極單位t發(fā)射的光電子數(shù)（Ne）與入射光子數(shù)（Np）之比單位：為nm，為A/W金屬的光電發(fā)射電流密度：2、半導體的光電子發(fā)射半導體的各類光吸收：各類紅閾波長：光電子逸出深度：光電子的逸出深度取決于電子向表面輸運過程中的各種碰撞，如果碰撞過程中，光電子損失能量

8、較多，往往不能從表面逸出，這時逸出深度小，則 較大。半導體的表面態(tài)清潔表面上的原子與體內的原子不同，它的價鍵填充是不完全的，朝表面方向上的價鍵上缺少電子，因此當體內電子運動到表面時，有可能被束縛在這個空鍵上，所以表面對電子具有受主的性質。由于表面價鍵的不完整而在晶體表面出現(xiàn)的電子能量狀況，稱為表面態(tài)或表面能級。n型表面態(tài)的高摻P型半導體光電陰極優(yōu)點：（1）有效電子親和勢小，受激電子容易逸出，量子產額高；（2）具有較大的熱電子逸出功，暗發(fā)射較??；（3）有足夠大的電導率，在支取光電流時不至于產生明顯的壓降。獲得高量子產額光電陰極的措施：增加光吸收（1）選取合適的陰極厚度：透射式光電陰極需要考慮逸出

9、深度，光譜特性； 降低反射率：（2）利用反射光的相消干涉（3）利用全反射選擇合適的材料（1）選擇（+Eg）值小的材料，但不宜太小，太小導致高的熱電子發(fā)射；（2）對于（+Eg）值相同的材料， Eg/的值要大。（3）P型半導體，立方晶格結構。進行表面處理P型半導體表面上吸附一層容易形成正離子的單原子層，以產生有利的能帶彎曲。這種單原子層多是電離能小的堿金屬原子，以原子半徑最大的銫常用。降低表面電子親和勢同時，能帶彎寬度要窄，最大寬度不超過逸出深度。3、光電發(fā)射電子的角度和能量分布4、實用光電陰極實用光電陰極的主要參量積分靈敏度 ：203200A/lm；光譜靈敏度：0.01100mA/W；光譜響應范

10、圍：0.21.06m； 熱發(fā)射電流：10-1010-17A/cm2； 響應速度：10-910-17s；疲勞特性：在強光作用下，光電子發(fā)射能力隨時間衰減的現(xiàn)象；壽命：在無疲勞現(xiàn)象發(fā)生的光強下，保持原有發(fā)射能力的工作小時數(shù)，通常大于3000h。光電陰極的用途：變像管、攝像管、輻射探測器中的光電管和光電倍增管等實際應用中光電陰極要求：積分靈敏度和光電靈敏度高；光譜響應寬；無光照暗電流小；無光照疲乏現(xiàn)象，對溫度的穩(wěn)定性好；表面發(fā)射均勻(特別是大面積)；性能一致性好；通常結構：用一定方法在金屬或玻璃基底上形成一層較厚的半導體層，并在處理過程中，在半導體表面上生成一層堿金屬薄層。光陰極結構可用符號表示：基

11、底-基本半導體-覆蓋層。5、負電子親和勢光電陰極（GaAs光電陰極）NEA光電陰極在光電倍增管、攝像管、半導體器件、超晶格功能器件、高能物理、表面物理，特別是夜視技術等方面有著重要應用。 負電子親和勢：導帶底能級Ec高于表面真空能級E0有效電子親和勢：體內導帶底能級Ec與表面真空能級E0之差NEA光電陰極與PEA光電陰極相比優(yōu)點：（1）量子效率高；（2）光譜響應延伸到 紅外且光譜響應均勻；（3）熱電子發(fā)射??；（4）光電子能量分布集中。影響NEA光電陰極量子效率性能參量：電子表面逸出幾率P、電子擴散長度LD和吸收系數(shù)a，對于透射式陰極，還包括后界面復合速率Sv以及陰極厚度Te。NEA光電陰極制備

12、工藝：材料生長，表面凈化，Cs-O激活。四、光電子能譜1、電子能譜及其特點電子能譜：當用一定能量的微觀粒子（光子、電子、離子等）作為探針作用于試樣物質，入射粒子與樣品中的原子發(fā)生相互作用，經歷各種能量傳遞的物理效應后，所釋放出的電子具有樣品中原子的特征信息，也具有特征能量。通過對這些信息的解析，可獲得樣品中原子的各種信息，如元素種類和含量，化學價態(tài)等。收集、檢測及記錄和分析這些特征信號電子的能量分布和空間分布，就是電子能譜。XPS：采用能量位1000-1500eV的射線源，能激發(fā)內層電子。各種元素內層電子的結合能是又特征性的，因此可以用來鑒別化學元素。線寬0.8eVUPS：采用He (21.2

13、eV)或He (40.8eV)作激發(fā)源。與X射線相比能量較低，只能使原子的價電子電離，用于研究價電子和能帶結構的特征。0.01eVAES：大都用電子做激發(fā)源，因為電子激發(fā)得到的俄歇電子能譜強度較大。<0.5eV2、光電能譜基本原理基本原理是光電效應hv=Eb+Ek+Er =電子結合能+電子動能+原子反沖能量（可忽略）光電離：原子中電子得到光子能量成為自由電子，原子本身則成為激發(fā)態(tài)的離子。光電效應的幾率可用光電截面表示，其值與電子所在殼層的平均半徑，入射光子頻率和受激原子的原子系數(shù)有關。電子結合能：3、X射線光電子能譜儀結構電子能譜儀一般由超高真空系統(tǒng)、激發(fā)源、電子能量分析儀、檢測器和數(shù)據

14、系統(tǒng)，及其他附件構成。超高真空系統(tǒng)（UHV）：避免殘余氣體散射低能電子信號，表面分析技術本身的靈敏性所必需。4、XPS譜峰分析5、紫外光電子能譜1、掃描射線源；2、樣品室；3、氬離子濺射槍；4、電子能量分析器；5、光學顯微鏡；6、五軸自動采樣機械臂；7、超高真空系統(tǒng)樣品室；8、C60濺射離子槍；9、紫外射線源；10、雙陽極X射線源；11、電子槍五、次級電子發(fā)射1、引言在具有一定能量粒子（電子、離子、原子）轟擊下，從物體的表面發(fā)射電子的現(xiàn)象，稱為次級電子發(fā)射。通常研究最多的是電子轟擊物體時，從表面發(fā)射電子的現(xiàn)象，稱為次級電子發(fā)射，也叫二次電子發(fā)射。次級電子發(fā)射體用來作為電子倍增器的功能部件。對絕

15、緣體次級發(fā)射的研究，利用它的絕緣電特性做成存儲器件、記憶器件。利用次級電子觀察物體的結構，做成了掃描電子顯微鏡（SEM）。正面作用：（1）光電倍增管和電子倍增器（微弱電流放大：幾百萬倍）（2）圖像增強器：掃描電子顯微鏡、俄歇譜儀、負面作用：（1）柵控電子管： 柵極次級電子發(fā)射引起噪聲（2）高壓電子管： 次級電子引起絕緣零件擊穿（3）超高頻管： 次級電子引起共振現(xiàn)象2、金屬的次級電子發(fā)射次級發(fā)射系數(shù)：可以看成每個初電子所能轟擊出來的次級電子的平均值，大小與材料的性質、初電子能量有關，是二者的函數(shù)。次級電子發(fā)射系數(shù)除與初電子能量eVp和入射角有關外，還與逸出功、表面狀態(tài)、溫度等因素有關。次級電子發(fā)

16、射過程：1） 內次級電子的激發(fā)；包括原電子能量損失，內次級電子在發(fā)射體內的空間分布、能量分布等。2）內次級電子向表面運動；包括各類碰撞引起的能量損失。3） 達到表面的內次級電子克服勢壘逸出；(Vp)曲線的定性解釋：開頭，隨Vp增加，一般初電子在物體中所激發(fā)的電子數(shù)增加，因而增大。隨著Vp進一步增加，初電子穿入樣品的深度增加，激發(fā)次級電子主要發(fā)生在樣品的深層。大部分次級電子到達表面的路程增加，能量損失增大，逸出電子數(shù)減少。這樣，(Vp)曲線會出現(xiàn)極大值。 3、半導體和絕緣體的次級電子發(fā)射當初次級電子轟擊絕緣體時，由于發(fā)射次級電子而表面積累電荷，從而改變了表面電位，利用這一點，可以制作各種電荷存儲器件（如存儲管，攝像管等）。利用絕緣體的較高的次級發(fā)射系數(shù)，做成次級電子發(fā)射面（如玻璃、KCl、CsI、MgO等）。用于電子倍增器或成像器