(2) 推导了透射式阴极反射率公式；改进了常用的阴极制备监测方法，通过多信息量测 试来分析制备工艺中阴极各参数的变化。

(3) 简述了增透膜对提高阴极量子效率的作用，计算了适用于锑钾铯阴极的增透膜的折 射率和膜厚，并给出了一些合适的增透膜材料。

(4) 分析了本文理论模型存在的缺陷，并给出了改进措施。

2 半导体的光电子发射

本科毕业设计说明书 第 5 页

2。1 半导体光电子发射物理过程

一般情况下，锑碱类光电阴极的制备常常依赖经验判断，直到 1958 年 W。E。Spicer 提出了 半导体中光电子发射的模型才揭示了半导体阴极量子效率与半导体各参数之间的关系[11]，该 模型将光电子发射分为 3 个步骤，如图 2。1 所示：(1)入射光子被阴极吸收，电子由价带向导 带跃迁。(2)受激电子向阴极-真空界面运动，运动过程受到晶格散射作用。(3)电子克服表面 势垒逸出到真空中成为光电子。

分析光电子发射的 3 个过程，如要提高半导体阴极的量子效率，必须设法提高阴极光吸 收能力以激发更多电子到更高的能级；减小电子向阴极-真空界面运动的距离；降低表面势垒， 使更多电子可以逸出到真空中成为光电子。上述模型比较直观，缺点是只能定性分析提高量 子产额的方法，但无法给出在制备工艺中具有指导意义的参数，如光电阴极的最佳厚度。本 章第三节将详细分析透射式锑钾铯光电阴极量子效率公式，并据此计算其最佳膜厚。

图 2。1 半导体光电子发射过程示意图

2。2 提高量子效率的措施

从半导体光电子发射的过程看，要提高半导体阴极量子效率，可以从如下几个方面做：

2。2。1 增加光吸收能力

半导体光电阴极的膜厚会影响其灵敏度，原因在于阴极吸收入射光的能力与其厚度有 关。若阴极厚度过小，则对入射光的吸收能力弱，只有很小部分电子可以在价带导带间跃迁，

光电子产生的几率就小，因而无法获得高的量子产额；若阴极厚度过大，虽然提高了光吸收 能力，但受激电子向阴极-真空界面运动的距离也相应增加了，势必造成一部分受激电子无法 逸出到真空中，同样会制约阴极量子产额的提高。因此阴极厚度是综合考虑价带电子跃迁和 导带电子扩散后做出的一种优化选择，需要事先利用量子效率公式计算出最佳厚度并在制备 过程中精确控制。

此外利用增透膜的概念，使阴极上下表面的反射光干涉相消以增加透射光，也可以提高 阴极的光吸收能力。由光干涉理论可知，当薄膜上下表面反射光的光程差为半波长的整数倍 时，即 2nkdk=0。5mλ（m 是整数，通常取 1，nk 是阴极的折射率，λ是入射光波长），发生干涉 相消，透射光将增强。由于锑钾铯阴极对可见光敏感，其膜厚通常只有几十纳米，仅仅依靠 膜本身产生干涉相消需要膜有较大的厚度，因此可以在衬底与阴极之间镀一层透明的介质膜[5]文献综述

（如氧化锰），使衬底-介质界面的反射光与介质-阴极界面的反射光干涉相消以起到增加透射 光的作用，如图 2。2 所示。

图 2。2 增透膜示意图

2。2。2   进行表面处理

当真空能级低于阴极导带能级时，电子亲和势为负值。负电子亲和势光电阴极的优势在 于电子逸出到真空中不需要克服表面电子亲和势。借助这一概念，半导体阴极可以通过表面 处理来降低有效电子亲和势，即在 P 型半导体表面制作一 N 型层[12]，以产生有利的能带弯曲， 使受激电子都能逸出到真空中，从而提高其量子产额，有研究表明锑钾铯阴极制备工艺中使 用锑铯交替活化的一个作用就是在阴极表面形成一 N 型薄层，如图 2。3 所示。铯、钠、铷等 一族元素是常用的 N 型层材料。但在制作过程中必须使能带弯曲区的宽度要窄，否则若超过 受激电子最大逸出深度，量子产额会受到影响，为此 P 型材料需要强 P 型，这样可以减小能 带弯曲区的宽度[5]。