1.光电阴极发展概述
光电阴极是一种利用外光电效应将光信号转变为电信号的功能材料。外光电效应最早于1887年由Herz在进行电磁波实验时发现，后来他的学生Lenard弄清了光电效应发生的条件，但都无法从理论上给出很好的解释，直到1897年Thomosom发现电子后，人们才知道光电效应实际上是一种材料由于光照作用，电子从其表面大量逸出的现象。而对于该现象真正的认识则得益于1905年Einstein发表的那篇有关光电效应的著名论文，.Einstein第一次将光量子化为一个一个的光子，认为材料表面的电子之所以能够逸出是因为它们吸收了入射光子的能量，从而有足够的动能克服材料表面势垒而逸出，因此电子的逸出与入射光强度无关，而只与入射光子频率（能量）有关。
1958年，Spicer提出了著名的光电发射“三步模型”理论，将外光电效应看成是一种体内效应，即阴极材料体内电子吸收光子能量由价带激发到导带，导带光电子向表面输运并最终越过表面势垒而逸出。并且指出如果阴极材料表面的真空能级低于其体内的导带底能级，即材料的有效电子亲和势小于零，则由光照激发产生的光电子只要能从阴极体内输运到表面，就可以轻而易举地发射到真空而无需过剩的动能去克服材料表面的势垒，这样光电子的逸出深度和几率都将大大增加，量子效率将会大幅度提高。这一预测于1965年被Scheer和Vanlaar所证实，他们在重掺杂P型GaAs基底上覆盖一层Cs，得到了一种具有高量子效率的新型光电阴极，他们认为这种阴极具有零电子亲和势。三年后Turnbull和Evans发现用Cs、O交替覆盖GaAs表面比单用Cs可以获得更负的有效电子亲和势和更高的光电发射。此后，人们称这类阴极为负电子亲和势（Negative Electron Affinity，简称NEA）光电阴极，它们大都是在II-V族化合物半导体材料表面覆盖绝和氧制成的，如GaAs、GaN、InP等。
2.阴极的Cs、O激活
对GaAs NEA光电阴极而言，激活是指用低逸出功材料，如绝、氧或艳、氟，交替吸附在GaAs表面以降低材料逸出功从而达到NEA状态的技术。多年来，GaAs光电阴极的激活工艺经历了一个发展过程，共提出了多种激活工艺。最初的工艺是由Turnbull和Evans于1968年提出的标准激活法，又称“yo-yo”法，其基本工艺步骤是：在清洁的GaAs表面上，首先进Cs使光电流达到峰值，然后停Cs进O，再等光电流达到新的峰值，再停O进Cs，如此反复直到光电流不再上升，最后以短时间的进Cs而告结束。以后人们对该工艺进行了多种改进，主要体现在具体的Cs、O交替方式上。有人采用的是Cs源连续，O源断续的激活工艺，即Cs源一直打开，O源根据光电流的变化进行交替。这种激活工艺比较容易控制，而且激活效果较好。也有人采用每次光电流降到零后再进O的激活工艺，但这种工艺激活的阴极量子效率较低。对于NEA阴极激活工艺的另一次重要的贡献是由Fisher和Stocker等人作出的，他们发现，在标准的加热处理和“yo-yo”激活之后，再来一次温度较低的加热和“yo-yo”激活，可将阴极灵敏度提高30%左右，这种激活工艺通常称为“高一低温两步激活”法，现在普遍采用的就是这种激活方法。
3.GaAs光电阴极表面模型
3.1异质结模型
异质结模型认为在GaAs光电阴极激活过程中，绝与氧组成了具有体积特性的n型Cs20，它与p型GaAs之间构成了异质结。由于异质结的建立，在结区将会发生能带弯曲，能带弯曲量随Cs20层的厚度而增加，而功函数则随厚度而减小，最终阴极表面有效电子亲和势将为负值，从而获得NEA光电阴极。n型Cs20与p型GaAs之间界面势垒的形成是由于两部分能带结构不匹配以及内建电场在界面的不连续所引起的。
异质结模型可以成功解释p型GaAs半导体材料和Cs-O激活层之间存在界面势垒，并定性地说明，由于层内是肖特基耗尽区，逸出功随Cs20厚度的增加而抛物线下降。但是，Cs20厚度增加时，界面势垒也会随之加厚，使电子很难隧穿该势垒。同时，实验也表明，Cs、O交替激活后的GaAs光电阴极中所含的绝量相当于4~5个原子层，这只够形成一个单原子层的Cs和一个Cs20单层，这样的薄层不具备半导体的性质。这些都无法用异质结模型解释。
