物理電子發(fā)射總結(jié)

1、一、熱電子發(fā)射1、金屬的熱電子發(fā)射公式零場(chǎng)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(shì)壘形狀有關(guān)?？梢?jiàn)金屬的熱電子發(fā)射電流密度與溫度T和逸出功E是指數(shù)關(guān)系。2、半導(dǎo)體的熱電子發(fā)射公式其中逸出功式（1.43）為半導(dǎo)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(dǎo)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(guān)系有差別外，還與雜質(zhì)濃度ND有關(guān)。N型半導(dǎo)體的逸出功E比金屬小，在同樣溫度下，半導(dǎo)體有更大的電流發(fā)射密度。二、場(chǎng)致電子發(fā)射1、場(chǎng)致發(fā)射顯示器FED與CRT的相同點(diǎn)： 利用陰極電子經(jīng)電場(chǎng)加速而轟擊熒光材料發(fā)光的主動(dòng)發(fā)光型顯示器件。FED與CRT的

2、區(qū)別點(diǎn)：（1）CRT采用熱陰極，通過(guò)加熱陰極材料使其表面電子獲得克服表面勢(shì)壘的能量從而發(fā)射出來(lái)；而FED采用冷陰極，采用表面功函數(shù)較低、電子勢(shì)很小甚至為負(fù)值得材料，使之在外加電場(chǎng)作用下逸出。因此，F(xiàn)ED不但降低了功耗，而且可以瞬時(shí)發(fā)射電子。（2）CRT的熱陰極為點(diǎn)發(fā)射源或線發(fā)射源，需要通過(guò)偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用，才能在顯示屏幕上進(jìn)行掃描而產(chǎn)生顯示。因此，CRT難以實(shí)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(shí)現(xiàn)平板化和矩陣驅(qū)動(dòng)，無(wú)論重量還是體積都大大降低。（3）CRT的加速電場(chǎng)電壓通常在1330kV之間；而采用平板結(jié)構(gòu)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(nèi)；而FED的加速電壓較低，要達(dá)到與CRT相當(dāng)?shù)亓炼龋厝恍枰^高的消耗電流。（4）陰陽(yáng)極距離也是兩者的主要區(qū)別之一。CRT的陰陽(yáng)極距離至少在1cm以上，大尺寸CRT甚至達(dá)到幾十厘米；而FED的陰陽(yáng)極距離小于3mm。FED優(yōu)點(diǎn)：FED繼承了CRT的高亮度、高對(duì)比度、寬視角的優(yōu)勢(shì)，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(yīng)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(chǎng)發(fā)射顯示結(jié)構(gòu)原理原理：在柵極和陰極之間有一個(gè)電壓差形成電場(chǎng)，使得微尖釋出電子，再經(jīng)過(guò)陽(yáng)極和陰極之間的高壓電場(chǎng)加速電子使之轟擊熒光粉而發(fā)光。FED三個(gè)基本工藝：真空工藝，微納加工工藝，光電子半導(dǎo)體工藝。FED技術(shù)難點(diǎn)：1.電子束發(fā)射技術(shù)。電子發(fā)射材料的起始電場(chǎng)越低越好；電子發(fā)射極密度需大于 106A/cm2；每個(gè)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(shù)4. 低壓熒光粉技術(shù)FED用途：儀器儀表的監(jiān)視器；手提式計(jì)算機(jī)顯示屏；壁掛電視；攝像機(jī)的取景器；電子照相機(jī)的顯示屏等娛樂(lè)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(dǎo)向系統(tǒng)監(jiān)視器等；FED面臨的問(wèn)題：壽命不長(zhǎng)，這是一個(gè)關(guān)鍵因素；由于玻殼和工藝問(wèn)題, FED難于實(shí)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，支撐結(jié)構(gòu)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(zhì)上，引起物質(zhì)的電性質(zhì)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(yīng)。當(dāng)一束光照射在樣品上時(shí)，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(chǎn)生：1)激發(fā)新的載流子，增加了電導(dǎo)率，稱為光電導(dǎo)效應(yīng)； 2)使固體產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，稱為光伏效應(yīng)；此前兩種現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。3)固體中吸收了光子能量的電子，具有較大的動(dòng)能，其中具有向表面運(yùn)動(dòng)動(dòng)量的電子，克服表面勢(shì)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(yīng)。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(ài)因斯坦定律：愛(ài)因斯坦定律說(shuō)明：入射的光子頻率越高，每個(gè)光子的能量也越大，金屬中處于最高能級(jí)的電子在獲得該能量逸出后，自然具有最大動(dòng)能，并且該動(dòng)能與光強(qiáng)無(wú)關(guān)。斯托列托夫定律說(shuō)明：即光越強(qiáng)，單位時(shí)間作用與陰極的光子數(shù)越多，自然會(huì)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(duì)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(duì)光譜靈敏度某波長(zhǎng)的絕對(duì)光譜靈敏度與絕對(duì)光譜響應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)光源照射到陰極上的光通量的比值4、量子產(chǎn)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(dǎo)體的光電子發(fā)射半導(dǎo)體的各類光吸收：各類紅閾波長(zhǎng)：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(yùn)過(guò)程中的各種碰撞，如果碰撞過(guò)程中，光電子損失能量

8、較多，往往不能從表面逸出，這時(shí)逸出深度小，則 較大。半導(dǎo)體的表面態(tài)清潔表面上的原子與體內(nèi)的原子不同，它的價(jià)鍵填充是不完全的，朝表面方向上的價(jià)鍵上缺少電子，因此當(dāng)體內(nèi)電子運(yùn)動(dòng)到表面時(shí)，有可能被束縛在這個(gè)空鍵上，所以表面對(duì)電子具有受主的性質(zhì)。由于表面價(jià)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(jí)。n型表面態(tài)的高摻P型半導(dǎo)體光電陰極優(yōu)點(diǎn)：（1）有效電子親和勢(shì)小，受激電子容易逸出，量子產(chǎn)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(dǎo)率，在支取光電流時(shí)不至于產(chǎn)生明顯的壓降。獲得高量子產(chǎn)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(dǎo)致高的熱電子發(fā)射；（2）對(duì)于（+Eg）值相同的材料， Eg/的值要大。（3）P型半導(dǎo)體，立方晶格結(jié)構(gòu)。進(jìn)行表面處理P型半導(dǎo)體表面上吸附一層容易形成正離子的單原子層，以產(chǎn)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(shì)同時(shí)，能帶彎寬度要窄，最大寬度不超過(guò)逸出深度。3、光電發(fā)射電子的角度和能量分布4、實(shí)用光電陰極實(shí)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(yīng)范

10、圍：0.21.06m； 熱發(fā)射電流：10-1010-17A/cm2； 響應(yīng)速度：10-910-17s；疲勞特性：在強(qiáng)光作用下，光電子發(fā)射能力隨時(shí)間衰減的現(xiàn)象；壽命：在無(wú)疲勞現(xiàn)象發(fā)生的光強(qiáng)下，保持原有發(fā)射能力的工作小時(shí)數(shù)，通常大于3000h。光電陰極的用途：變像管、攝像管、輻射探測(cè)器中的光電管和光電倍增管等實(shí)際應(yīng)用中光電陰極要求：積分靈敏度和光電靈敏度高；光譜響應(yīng)寬；無(wú)光照暗電流小；無(wú)光照疲乏現(xiàn)象，對(duì)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(jié)構(gòu)：用一定方法在金屬或玻璃基底上形成一層較厚的半導(dǎo)體層，并在處理過(guò)程中，在半導(dǎo)體表面上生成一層堿金屬薄層。光陰極結(jié)構(gòu)可用符號(hào)表示：基

11、底-基本半導(dǎo)體-覆蓋層。5、負(fù)電子親和勢(shì)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(dǎo)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(shù)等方面有著重要應(yīng)用。 負(fù)電子親和勢(shì)：導(dǎo)帶底能級(jí)Ec高于表面真空能級(jí)E0有效電子親和勢(shì)：體內(nèi)導(dǎo)帶底能級(jí)Ec與表面真空能級(jí)E0之差NEA光電陰極與PEA光電陰極相比優(yōu)點(diǎn)：（1）量子效率高；（2）光譜響應(yīng)延伸到 紅外且光譜響應(yīng)均勻；（3）熱電子發(fā)射小；（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(kuò)散長(zhǎng)度LD和吸收系數(shù)a，對(duì)于透射式陰極，還包括后界面復(fù)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(zhǎng)，表面凈化，Cs-O激活。四、光電子能譜1、電子能譜及其特點(diǎn)電子能譜：當(dāng)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(zhì)，入射粒子與樣品中的原子發(fā)生相互作用，經(jīng)歷各種能量傳遞的物理效應(yīng)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(guò)對(duì)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(xué)價(jià)態(tài)等。收集、檢測(cè)及記錄和分析這些特征信號(hào)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(nèi)層電子。各種元素內(nèi)層電子的結(jié)合能是又特征性的，因此可以用來(lái)鑒別化學(xué)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(jià)電子電離，用于研究?jī)r(jià)電子和能帶結(jié)構(gòu)的特征。0.01eVAES：大都用電子做激發(fā)源，因?yàn)殡娮蛹ぐl(fā)得到的俄歇電子能譜強(qiáng)度較大。<0.5eV2、光電能譜基本原理基本原理是光電效應(yīng)hv=Eb+Ek+Er =電子結(jié)合能+電子動(dòng)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(yīng)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(guān)。電子結(jié)合能：3、X射線光電子能譜儀結(jié)構(gòu)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(cè)器和數(shù)據(jù)

14、系統(tǒng)，及其他附件構(gòu)成。超高真空系統(tǒng)（UHV）：避免殘余氣體散射低能電子信號(hào)，表面分析技術(shù)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(xué)顯微鏡；6、五軸自動(dòng)采樣機(jī)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(yáng)極X射線源；11、電子槍五、次級(jí)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(jí)電子發(fā)射。通常研究最多的是電子轟擊物體時(shí)，從表面發(fā)射電子的現(xiàn)象，稱為次級(jí)電子發(fā)射，也叫二次電子發(fā)射。次級(jí)電子發(fā)射體用來(lái)作為電子倍增器的功能部件。對(duì)絕

15、緣體次級(jí)發(fā)射的研究，利用它的絕緣電特性做成存儲(chǔ)器件、記憶器件。利用次級(jí)電子觀察物體的結(jié)構(gòu)，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(wàn)倍）（2）圖像增強(qiáng)器：掃描電子顯微鏡、俄歇譜儀、負(fù)面作用：（1）柵控電子管： 柵極次級(jí)電子發(fā)射引起噪聲（2）高壓電子管： 次級(jí)電子引起絕緣零件擊穿（3）超高頻管： 次級(jí)電子引起共振現(xiàn)象2、金屬的次級(jí)電子發(fā)射次級(jí)發(fā)射系數(shù)：可以看成每個(gè)初電子所能轟擊出來(lái)的次級(jí)電子的平均值，大小與材料的性質(zhì)、初電子能量有關(guān)，是二者的函數(shù)。次級(jí)電子發(fā)射系數(shù)除與初電子能量eVp和入射角有關(guān)外，還與逸出功、表面狀態(tài)、溫度等因素有關(guān)。次級(jí)電子發(fā)

16、射過(guò)程：1） 內(nèi)次級(jí)電子的激發(fā)；包括原電子能量損失，內(nèi)次級(jí)電子在發(fā)射體內(nèi)的空間分布、能量分布等。2）內(nèi)次級(jí)電子向表面運(yùn)動(dòng)；包括各類碰撞引起的能量損失。3） 達(dá)到表面的內(nèi)次級(jí)電子克服勢(shì)壘逸出；(Vp)曲線的定性解釋：開(kāi)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(jìn)一步增加，初電子穿入樣品的深度增加，激發(fā)次級(jí)電子主要發(fā)生在樣品的深層。大部分次級(jí)電子到達(dá)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(huì)出現(xiàn)極大值。 3、半導(dǎo)體和絕緣體的次級(jí)電子發(fā)射當(dāng)初次級(jí)電子轟擊絕緣體時(shí)，由于發(fā)射次級(jí)電子而表面積累電荷，從而改變了表面電位，利用這一點(diǎn)，可以制作各種電荷存儲(chǔ)器件（如存儲(chǔ)管，攝像管等）。利用絕緣體的較高的次級(jí)發(fā)射系數(shù)，做成次級(jí)電子發(fā)射面（如玻璃、KCl、CsI、MgO等）。用于電子倍增器或成像器