Physics 版 (精华区)

发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Physics
标  题: 光电发射效应
发信站: 哈工大紫丁香 (2003年06月01日09:18:19 星期天), 站内信件


金属或半导体受光照时，如果入射的光子能量hν足够大，它和物质中的电子相互作用，
使电子从材料表面逸出的现象，也称为外光电效应。它是真空光电器件光电阴极的物理
基础。
1．光电发射第一定律——斯托列托夫定律：
    当照射到光阴极上的入射光频率或频谱成分不变时，饱和光电流（即单位时间内发
射的光电子数目）与入射光强度成正比：
         Ik=SkF0
Ik：光电流
Sk：光强
F0：该阴极对入射光线的灵敏度
2．光电发射第二定律——爱因斯坦定律
    光电子的最大动能与入射光的频率成正比，而与入射光强度无关：
Emax=(1/2)mυ2max=hν- hν0=hν- A
Emax：光电子的最大初动能。
h：普朗克常数。
ν0：产生光电发射的极限频率，频率阈值。
A：金属电子的逸出功（从材料表面逸出时所需的最低能量），单位eV，与材料有关的常
数，也称功函数。
    入射光子的能量至少要等于逸出功时，才能发生光电发射。
波长阈值：
         λ0=C/ν0≤hc/A=1.24(μm·eV)/A=1240/A(nm)
    当入射光波长大于λ0时，不论光强如何，以及照射时间多长，都不会有光电子产生
。要用红外光（λ>0.76μm）发射电子，必须寻求低于1.8eV的低能阈值材料。
光电发射的基本过程
    光电发射大致可分三个过程：
    1)光射入物体后，物体中的电子吸收光子能量，从基态跃迁到能量高于真空能级的
激发态。
    2)受激电子从受激地点出发，在向表面运动过程中免不了要同其它电子或晶格发生
碰撞，而失去一部分能量。
    3)达到表面的电子，如果仍有足够的能量足以克服表面势垒对电子的束缚（即逸出
功）时，即可从表面逸出。
可见好的光电发射材料应该是：（1）对光的吸收系数大，以便体内有较多的电子受到激
发；（2）受激电子最好是发生在表面附近，这样向表面运动过程中损失的能量少；（3
）材料的逸出功要小，使到达真空界面的电子能够比较容易地逸出；（4）另外，作为光
电阴极，其材料还要有一定的电导率，以便能够通过外电源来补充因光电发射所失去的
电子。
金属的光电发射
    金属反射掉大部分入射的可见光（反射系数达90%以上），吸收效率很低。光电子与
金属中大量的自由电子碰撞，在运动中丧失很多能量。只有很靠近表面的光电子，才有
可能到达表面并克服势垒逸出，即金属中光电子逸出深度很浅，只有几nm，而且金属逸
出功大多为大于3eV，对能量小于3eV（λ>410nm）的可见光来说，很难产生光电发射，
只有铯（2eV逸出功）对可见光最灵敏，故可用于光阴极。但纯金属铯量子效率很低，小
于0.1%，因在光电发射前两个阶段能量损耗太大。
半导体的光电发射
半导体光电逸出参量：
电子亲和势：导带底上的电子向真空逸出时所需的最低能量，数值上等于真空能级（真
空中静止电子能量）与导带底能级Ec之差。它有表面电子亲和势Ea与体内电子亲和势Ea
e之分。Ea是材料的参量，与掺杂、表面能带弯曲等因素无关。而Eae不是材料参量，可
随表面能带弯曲变化。
电子逸出功：电子逸出功是描述材料表面对电子束缚强弱的物理量，在数量上等于电子
逸出表面所需的最低能量，也可以说是光电发射的能量阈值。
    金属有大量的自由电子，没有禁带，费米能级以下基本上为电子所填满，费米能级
以上基本上是空的，表面能带受内外电场影响很小，EF只决定于材料。所以金属的电子
逸出功定义为T=0K时真空能级与EF之差，它是材料的参量，可以用来作为光电发射的能
量阈值。
    半导体自由电子较少，且有禁带，费米能级EF一般都在禁带当中，且随掺杂和内外
电场变化，所以真空能级与费米能级之差不是材料参量。半导体电子逸出功定义为T=0K
时真空能级与电子发射中心的能级之差，而电子发射中心的能级有的是价带顶，有的是
杂质能级，有的是导带底，情况复杂，因此对于半导体很少用电子逸出功的概念。由于
电子逸出功不管从哪里算起，其中都包含有亲和势（真空能级与导带底之差），因此为
了表示光电发射的难易，使用亲和势的概念比使用逸出功的概念更有实际意义。所以，
对于半导体一般不用逸出功的概念，而用电子亲和势的概念。为了表示光电发射的能量
阈值，许多资料都是按真空能级与价带顶之差（亲和势加上禁带宽度）来计算。

表面能带弯曲：
    半导体无界时，能带结构是平直的，有界时表面处破坏了晶格排列周期性（势场）
而且表面易氧化及被杂质污染，因而在禁带中引入附加能级（表面能级），由于表面能
级的存在，在表面处引起能带弯曲。表面能带弯曲，对于体内的光电子发射是有影响的
。因为表面电子亲和势Ea是材料的参量，它不随表面能带弯曲而变化。而体内电子亲和
势则要随着表面能带弯曲而增减。
对于N型半导体，施主能级上的电子跃迁到表面能级时，半导体表面将产生一个负的空间
电荷区。而距离表面稍远一点的体内则分布有等量正的体电荷，因此表面能带向上弯。
向上弯的程度，可用表面势垒eUs表示，e为电子电荷，Us为表面势，在数值上等于体内
与表面的电势差。对于N型半导体来说，因表面能带向上弯，体内的电子亲和势Eae要比
表面能带不发生弯曲时增加一个势垒高度eUs，使得体内光电子发射变得更困难。

    对于P型半导体，情况正好相反。表面能级中能量高于受主能级的电子有的要跃迁到
受主能级上，于是半导体表面即产生一个正的空间电荷区，距离表面稍远一点的体内则
分布有等量的负电荷，因此表面能带向下弯。特别是P型半导体表面吸附有带正电性的原
子（例如铯原子）或N型材料的时候，表面上偶电层正电性在外，能带弯曲就更厉害。能
带弯曲的程度也用表面势垒eUs表示。表面能带向下弯，使得体内电子亲和势比能带不发
生弯曲时减少一个势垒高度eUs。这样，这种表面能带弯曲对于体内的光电子发射十分有
利。
    因此，现在各种实用光电阴极几乎全是用P型半导体材料为衬底，然后在它的表面上
再涂上带正电性的金属或N型材料而制成的。这样，就能得到向下弯曲的表面能带，减小
逸出功。如果再能使带弯曲足够小（带曲区宽度为z），以至比材料吸收系数的倒数还小
得多（z≤1/a）时，则可以使光电子发射的主要部位来自于体内。这时，量子效率要比
单纯能带弯曲大得多。另外，强P型半导体的费米能级十分靠近于价带，这可使热电子发
射（暗电流）较小。
实用光电阴极：分为常规光电阴极、负电子亲和势阴极两大类。
常规光电阴极：用于常用真空光电器件中。
用特殊工艺，例如在重掺杂P型硅表面涂一薄层CsO2，可形成NEA材料。负电子亲和势是
指体内的有效电子亲和势，而不是指表面电子亲和势。NEA发射体和常规光电发射体的表
面，电子状态是类似的，导带底上的电子能量都低于真空能级，其差值为Ea。但是，两
者体内电子能量则不同。NEA发射体导带底的电子能量高于真空能级，而常规发射体电子
亲和势仍是正的。
    NEA阴极的量子效率高于正电子亲和势阴极，可从其光电发射过程进行分析。价带中
的电子吸收光子能量，跃迁到导带底以上，成为热电子（受激电子能量超过导带底的电
子）。在向表面运动的过程中，由于碰撞散射而发生能量损失，故很快就落到导带底而
变成冷电子（能量恰好等于导带底的电子）。热电子的平均寿命非常短，约 10-14～10
-12s。如果在这么短的时间内能够运动到真空界面，自然能逸出。但是热电子的逸出深
度只有几十纳米，绝大部分电子来不及到达真空界面，就已经落到导带底变成冷电子了
。冷电子的平均寿命比较长，约 10-9～10-8s，其逸出深度可达1000纳米。因为体内冷
电子能量仍高于真空能级，所以它们运动到真空界面时，可以很容易地逸出。因此NEA量
子效率比常规发射体高得多。
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