高二次电子发射系数的负电子亲和势半导体的二次电子发射

论文总字数：24158字

目 录

1. 前言 1

1.1二次电子发射及其应用 1

1.2二次电子发射系数的测量 3

1.2.1单电子束脉冲法 3

1.2.2双电子束脉冲法 4

1.3NEA半导体的二次电子发射系数及其应用 5

2.SEE的主要过程和原电子射程 6

2.1.主要过程 6

2.2.原电子射程 6

3.NEA半导体的δ 7

4.高δ的NEA半导体中的SEE参数 8

5.高δ的NEA硅 11

6.δ_10keV=295和δ_20keV=400的NEA GaAs 12

7.δ_10keV=290和δ_20keV=540的NEA GaAs 13

8.δ_10keV=314.32和δ_16keV=450.24的NEA GaAs 14

9.NEA Al_0.2Ga_0.8As 15

10.结果和讨论 16

11. 结论 18

参考文献： 18

致谢 21

高二次电子发射系数的负电子亲和势半导体的二次电子发射

蒲畬

, China

Abstract: Based on primary range R, relationships among parameters of δ and the processes and characteristics of secondary electron emission (SEE) from negative electron affinity (NEA) semiconductors of high δ, the universal formulae for 10-100 keV and 0.1-10 keV δ and formula for δ_m and 1/α from NEA semiconductors of high δ were deduced, respectively; where δ is secondary electron yield; where δ_m and 1/α are maximum δ and mean escape depth of secondary electron, respectively. According to characteristics of SEE from NEA semiconductors of high δ, R, the universal formulae for δ from NEA semiconductors and experimental data, special formulae for 0.1-100 keV δ from several NEA semiconductors of high δ were deduced and proved to be true experimentally, respectively; The results were analyzed. It can be concluded that the universal formulae for 10-100 keV and 0.1-10 keV δ from NEA semiconductors of high δ were proved experimentally, and that the formula for δm and 1/α of NEA semiconductors of high δ can be used to calculated δ_m and 1/α, respectively.

Key words: negative electron affinity semiconductors; high secondary electron yield; maximum secondary electron yield; mean escape depth of secondary electron.

1.前言

1.1二次电子发射及其应用

当拥有一定速度或者能量的电子轰击物体的表面的时候，会引起电子从被轰击的物体的表面发射出来的现象，这种现象被称之为二次电子发射。^[1,2,3]坎贝尔（Campbell）于1899年就发现了二次电子发射的现象。^[1]之后人们对各种物质的二次电子发射的应用、特性和机理进行了深入研究。观察到二次电子发射有几种类型：当使用原电子轰击物体的表面的时候，从被轰击的物体的表面发射出电子的这种现象被称之为反射型二次电子发射，一般说的二次电子发射即为此类型。如果说电子是从被轰击的物体的背面发射出来的，那么就称之为透射型二次电子发射。还有一种情况是，被轰击的物体是绝缘体，它并不发射电子，而是在被轰击的区域内，绝缘体瞬时变成了导电体，停止轰击之后又恢复了它的绝缘特性，这种现象称之为电子轰击导电或者电子轰击传导。^[4]

用以轰击物体的电子一般称作一次电子或者原电子，从被轰击物体中发射出来的电子则被称为次级电子或者二次电子。这些二次电子之中也包括了从物体表面上直接弹射回来的原电子，二次电子发射系数即二次电子数目和原电子数目的比值，常常使用δ来表示这个量。^[1]

随着电子技术应用的发展和人们对电子技术应用需求的增加，二次电子在众多领域的使用表现出它的特性，在光电倍增管以及电子倍增管中，运用二次电子发射的倍增特性可以使得非常微弱的电流放大几百万倍。

通道式电子倍增器，简称CEM，^[1]主要的结构分为弯管型和直管型，直管CEM结构示意图如图1所示，它由有适当的二次电子发射性能和有适当的电阻率的材料组成的内壁构成的管子，在管的两端加上电压的时候，沿着管壁形成均匀的电位分布，如果原电子从入口打到管壁上的时候，管壁释放出二次电子，在管内的加速场的作用之下，这些二次电子沿着抛物线的路径打到更高电位的对面管壁上面，释放出更多的二点电子。其过程在管中持续的进行，最后就在出口处涌出大量的二次电子。

图1.直管型CEM

弯管型CEM^[1]可以克服直管型CEM存在“离子反馈”效应的现象，即可以克服倍增通道内的剩余气体被电离形成正离子后被加速飞向输入端，正离子冲撞在管壁上也会形成二次电子。这些二次电子同样被倍增，并夹杂在信号中以延迟一个相位的残余脉冲形式输出的缺点。结构如图2所示。^[1]

图2.弯管型CEM

在贮存管、直观贮存管、电视摄像管等电子束管中，二次电子发射和靶面工作的物理过程密切相关^[7]，该类器件的材料往往需要具备较高的二次电子发射系数。在俄歇电子能谱仪、图像增强器、扫描电子显微镜^[3]以及其他的表面分析仪器里^[2]，也应用了二次电子发射的现象。另一方面，对于二次电子发射的消极方面来说，在某些真空电子器件中的二次电子发射会产生有害的作用。例如栅控电子管中，电子管正常工作的特性会被在栅极的二次电子发射所破坏。以及在高压电子管中，因为二次电子发射会让绝缘零件的击穿。在这样的一些场合里，就必须设法抑制二次电子发射。二次电子在很多电子原的器件中被广泛利用，如在高功率微波器件中,多级降压收集极的表面的二次电子发射特性对收集极的效率有很大的影响。如果想要获得更高一些的收集极效率,收集极的表面就必须要有比较低一些的二次电子发射系数。最常用的收集极的材料是无氧铜,但无氧铜的二次电子发射系数比较高,因此必须对无氧铜的表面进行改性用来抑制二次电发射。^[6]

1.2二次电子发射系数的测量

对于半导体二次电子发射系数（δ）的测量，因为半导体和绝缘体的不良导电性，会在电子的轰击下产生表面荷电现象，并且这个表面电势是不稳定的。必须在经过一段时间的电子的轰击以后，表面电势才会稳定在某个平衡值。这个平衡的电势又和开始的时候的原电子能量和收集极电势有关系。因此，测量方法的关键就是需要避免在测量二次电子发射系数的过程中表面的电势的变化，常用测量方法有两种：^[1]

1.2.1单电子束脉冲法

该二次电子系数的测量方法的实验装置图如图3^[1]所示。其中电子枪G产生原电子，待测靶面为T，C是二次电子收集极。球形收集极的中心为靶面，靶面的尺寸远小于球的直径用以保证靶面附近电场近似均匀，并且球的半径的方向与电场方向保持相同。P是脉冲信号发生器，P产生的重复频率极低的矩形正向脉冲的脉宽为1μs左右。在脉冲的间隔期间，因为阴极与电子枪的调制极之间加有一个较负的电压，所以使得原电子束截至，不能够打到靶面上。在脉冲持续的期间，原电子束射出能打到靶面上从而产生二次电子。U_ɡ用以调节控制原电子的能量。当开关S置于I_S上时，靶面电势低于收集极的电势，因此收集极能够收集全部的二次电子。电阻R的两端的电压代表了原电子电流与二次电子电流之间的差值。当开关S置于I_P上时，由于靶面电势要远高于收集极电势，在强拒斥场的作用之下，二次电子不能到达收集极，此时R两端的电压代表了原电子的电流大小，电阻R上的电压经过放大器A放大后显示在示波器的屏幕上。

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