4.1 光电发射阴极

光电发射阴极是光电发射器件的重要部件，它是吸收光子能量发射光电子的部件。其性能好坏直接影响整个光电发射器件的性能，为此，首先讨论用于制造光电阴极的典型光电发射材料。

4.1.1 光电发射阴极的主要特性参数

光电发射阴极的主要特性参数为灵敏度、量子效率、光谱响应和暗电流等。

1．灵敏度

光电发射阴极的灵敏度应包括光谱灵敏度与积分灵敏度两种。

（1）光谱灵敏度

在单色（单一波长）辐射作用于光电阴极时，光电阴极输出电流Ik与单色辐通量Φe, λ之比，称为光电阴极的光谱灵敏度Se, λ。即

Se,λ=Ik/Φe,λ

其量纲为μA/W或A/W。

（2）积分灵敏度

在某波长范围内的积分辐射作用于光电阴极时，光电阴极输出电流Ik与入射辐通量Φe之比，称为光电阴极的积分灵敏度Se。即

其量纲为mA/W或A/W。

在可见光波长范围内的“白光”作用于光电阴极时，光电阴极输出电流Ik与入射光通量Φv之比，称为光电阴极的白光灵敏度Sv。即

其量纲为mA/lm。

2．量子效率

在单色辐射作用于光电阴极时，光电发射阴极单位时间发射出去的光电子数Ne, λ与入射的光子数Np, λ之比，称为光电阴极的量子效率ηλ（或称量子产额）。即

显然，量子效率和光谱灵敏度是一个物理量的两种表示方法，它们之间存在着一定的关系：

式中，波长λ的度量单位为nm。

3．光谱响应

光电发射阴极的光谱响应特性用光谱响应特性曲线描述。光电发射阴极的光谱灵敏度或量子效率与入射辐射波长之间的关系曲线，称为光谱响应。

4．暗电流

光电发射阴极中少数处于较高能级的电子在室温下获得热能，产生热电子发射，形成暗电流。光电发射阴极的暗电流与材料的光电发射阈值有关。一般光电发射阴极的暗电流极低，其强度相当于10 -16～10 -18A·cm-2的电流密度。

∗4.1.2光电阴极材料

目前，按光电发射材料种类区分，光电阴极基本上有四类：单碱与多碱锑化物光电阴极、银氧铯和铋银氧铯光电阴极、紫外光电阴极、Ⅲ～Ⅴ族元素的光电阴极。图4-1所示为几种常用的光电发射阴极材料的光谱响应曲线。

1．单碱与多碱锑化物光电阴极

锑铯（Cs3Sb）光电阴极是最常用的、量子效率很高的光电阴极。它的制作方法非常简单：先在玻璃管的内壁上蒸镀一层厚约零点几纳米的锑膜，然后在一定温度（130℃、170℃）下通入铯蒸气，反应生成Cs3Sb化合物膜。如果再通入微量氧气，形成Cs3Sb（O）光电阴极，可进一步提高灵敏度和长波响应。

锑铯光电阴极的禁带宽度约1.6 eV，电子亲和势为0.45 eV，光电发射阈值Eth约为2 eV。表面氧化后阈值Eth略减小，阈值波长将向长波延伸，长波限约为650 nm，对红外不灵敏。锑铯阴极的峰值量子效率较高，一般可高达20% ～30%，比银氧铯光电阴极高30多倍。

两种或三种碱金属与锑化合形成多碱锑化物光电阴极。其量子效率峰值可高达30%，且暗电流低，光谱响应范围宽，在传统光电阴极中性能最佳。

Na2KSb光电阴极的光谱响应峰值波长在蓝光区，使用温度可高达150℃左右。K2CsSb光电阴极材料的光谱响应峰值在385 nm处，暗电流特别低。含有微量铯的Na2KSb（Cs）光电阴极的电子亲和势由1.0 eV左右降到0.55 eV左右，对红光敏感的阴极，甚至会降到0.25 ～0.30 eV。所以，它不仅有较高的蓝光响应，而且光谱响应会延伸至近红外区。通常含铯的光电阴极材料的使用温度不超过60℃，否则铯被蒸发，光谱灵敏度显著降低，甚至被破坏而无光谱灵敏度。

2．银氧铯与铋银氧铯光电阴极

银氧铯（Ag-O-Cs）阴极是最早使用的高效光电阴极。它的特点是对近红外辐射灵敏。制作过程是先在真空玻璃壳壁上涂上一层银膜再通入氧气，通过辉光放电使银表面氧化。对于半透明银膜，由于基层电阻太高，必须用射频加热法形成氧化银膜（不能用放电方法），再引入铯蒸气进行敏化处理，形成Ag-O-Cs薄膜。

从图4-1中可以看出，银氧铯光电阴极的相对光谱响应曲线有两个峰值，一个在350 nm处，一个在800 nm处。光谱范围为300～1200 nm。量子效率不高，峰值处约为0.5% ～1%。

银氧铯光电阴极的工作温度可高达100℃，但暗电流较大，且随温度变化较快。

铋银氧铯光电阴极的制作方法很多。在各种制法中，四种元素可以有各种不同的结合次序，如Bi-Ag-O-Cs, Bi-O-Ag-Cs, Ag-Bi-O-Cs等。

Bi-Ag-O-Cs光电阴极的量子效率大致为Cs3Sb光电阴极的一半，其优点是光谱响应与人眼相匹配。暗电流比Cs2Sb光电阴极大，但比Ag-O-Cs 光电阴极小。

表4-1列出几种常用光电阴极材料的特性参数，供选用时参考。