扫描电镜工作原理：背散射电子的检测

当入射电子击中样品表面时，入射电子与原子的原子核相互作用，并偏离其轨迹，如图 1 所示。

图1：入射电子与原子核相互作用后散射的示意图

如果条件合适，入射电子可以被散射回来，并脱离样品表面，保持其高能量。一般来说，较重的元素，因为它们的原子核较大，可以比较轻的元素更强烈地偏转入射电子。因此，在扫描电镜图像中，像银这样的重元素（原子序数为 47）与原子序数为 14 的轻元素（如硅）相比显得更加明亮，因为更多的背散射电子从样品表面发射出来。

图 2 显示了银和硅之间的背散射电子（BSE）图像的对比。这张图片显示了一个太阳能电池板的区域，白色区域是银，黑色区域是硅。

图2：太阳能电池板的扫描电镜（SEM）图像，白色区域为银，黑色区域为硅

但是如何在扫描电镜中检测到背散射电子呢?

通常用固态（或半导体）探测器进行背散射电子（BSE）的检测。这些由掺杂的半导体材料（通常是硅）组成，并直接置于样品上方，如图 3 所示。半导体探测器的工作原理是利用入射的背散射电子（BSE）在半导体中产生电子空穴对。简而言之：撞击探测器的背散射电子（BSE）激发硅电子，形成电子空穴对。

在硅中形成电子空穴对，需要 3.6 eV 的能量，产生的电子空穴对的数量与入射电子的能量及数量成正比。此外，半导体探测器只对高能电子敏感，这也是为什么它们只用于探测背散射电子的原因。

图3：半导体探测器示意图 ¹

从入射的背散射电子中产生的电子空穴对可以在重组前被分离，从而产生电流。这种电流可以通过电子电路来测量，该电路是具有输入电阻和反馈电阻的运算放大器，如图 3 所示。

在这里，探测器为电荷收集电流发生器（Icc），与掺杂硅（Rd 和 Cd）的 p-n 结处形成的损耗层的电阻和电容平行，与半导体（Rs）的内部电阻串联。由于放大器对于较大的 RF/Re 值会变得不稳定，所以在反馈回路中增加了额外的电容，以防止放大器振荡。

图4：半导体探测器系统的电子电路 ¹

半导体探测器噪声的主要来源是入射的背散射电子（BSE）电流和前置放大器的噪声。入射电子束的噪声是由入射的电子数量的波动引起的。前置放大器的噪声是热噪声，也叫约翰逊-尼奎斯特噪声，它与波尔兹曼常数和电阻的温度成正比。

1. Scanning Electron Microscopy, Physics of Image Formation and Microanalysis, L. Reimer, Springer edition, 1998.