光电阴极的研究正朝着宽光谱蓝延伸及特定带宽和峰值光谱响应特性的方向发展，在此背景下，本文提出了变组分变掺杂GaAlAs/GaAs光电阴极的设计方案，并围绕其光电发射理论、量子效率模型、材料的结构设计、激活制备工艺及阴极的光电发射性能评估等方面开展了系统化的研究。　　针对变组分变掺杂GaAlAs/GaAs光电阴极能带结构的特点，在阴极表面Cs、O吸附双偶极子模型的基础上，利用Toping模型计算并比较了吸附在GaAlAs(100)和GaAs(100)表面Cs的覆盖度与电子亲和势的变化。根据薄膜光学矩阵理论建立了GaAlAs/GaAs光电阴极的光学性能计算模型。围绕Spicer光电发射“三步物理模型”，对电子的基态和受激态采用量子力学进行分析，计算了光电阴极从光电子受激跃迁、光电子在阴极体内的输运及光电子越过表面能带弯曲区并隧穿表面势垒逸出到真空的电子能量分布，并通过设定合适的边界条件求解阴极内部一维少子连续性方程，推导了变组分变掺杂宽带蓝延伸和窄带响应GaAlAs/GaAs光电阴极量子效率公式。　　根据GaAlAs/GaAs异质结的电子亲和势模型，分析了异质结的界面势垒。通过GaAlAs材料Al组分变化时引起的能带结构变化，研究了变组分变掺杂GaAlAs/GaAs光电阴极的能带结构模型和内建电场，以及它们对光电子的影响。针对不同应用需求，分别进行宽带蓝延伸和窄带响应GaAlAs/GaAs光电阴极结构设计与材料外延生长，最后通过电化学-电容电压(ECV)及扫描电子显微镜(SEM)分别测试了光电阴极样品内的载流子分布情况及表面形貌，对样品质量进行了评估。　　利用X射线光电子能谱(XPS)和Ar+溅射表面测试技术，对GaAlAs光电发射材料的表面化学清洗工艺进行研究，比较了不同清洗方法条件下的阴极表面C和O杂质的含量及量子效率的高低，发现“两步化学清洗法”不仅能有效地去除样品表面的氧化物，而且能去除一定的C杂质。通过研究高温加热净化温度和Cs/O激活电流比对光电阴极的影响，发现高温加热可以进一步脱附样品表面的C杂质，并且光电阴极对Cs、O激活电流非常敏感，Cs/O电流比过大或过小都会直接造成光电流的衰减。　　基于负电子亲和势(NEA)光电阴极激活及多信息量原位表征系统，对本文设计并外延的三种不同结构的阴极样品进行制备和测试，并对试验数据进行了参数拟合，充分结合试验和拟合结果对样品的光电发射性能进行了评估。通过Cs、O激活实验和重新铯化实验研究了Cs、O吸附及重新铯化对光电阴极稳定性的影响，发现窄带响应GaAlAs光电阴极表面由于容易形成稳定的Al-O键而具有更好的稳定性和重复性。通过试验发现光电阴极的表面禁带宽度变窄，并在此基础上对光电阴极量子效率曲线的“红移”现象进行了解释。