请问SEM扫描电镜中钨灯丝与场发射的同与异，及各自的优点和缺点。谢谢，在线等。。。

相同：都是电子枪即发射电子的装置，都有阴极和阳极, 阴极都是点源发射，阴极和阳极之间有直流高压电场存在，高压一般可调，用于控制电子的发射速度（能量），电子枪发射的电流强度很小，微安级别和纳安级别，为防止气体电离造成的大电流击穿高压电源，都需要高真空环境。电子枪阴极都属于耗材系列。

差异和优劣:

1、点源直径不同及优劣：

钨灯丝电子枪阴极使用0.1mm直径的钨丝制成V形（发叉式钨丝阴极），使用V形的尖端作为点发射源，曲率半径大约为0.1mm；场发射电子枪阴极使用0.1mm直径的钨丝，经过腐蚀制成针状的尖阴极，一般曲率半径在100nm~1μm之间。由于制作工艺上的差异，造价不同，发叉式钨丝阴极便宜，场发射阴极很贵。

2、发射机制不同和优劣

钨灯丝属于热发射，在灯丝电极加直流电压，钨丝发热，使用温度一般在2600K~2800K之间，钨丝有很高的电子发射效率，温度越高电流密度越大，理想情况下的的电子枪亮度越高。由于材料的蒸发速度随温度升高而急剧上升，因此钨灯丝的寿命比较短，一般在50~200小时之间，这个和设定的灯丝温度有关。由于电子发射温度高，发射的电子能量分散度大，一般2ev， 电子枪引起的色差会比较大。

场发射电子枪主要的发射机制不是靠加热阴极，而是在尖阴极表面增加强电场，从而降低阴极材料的表面势垒，并且可以使得表面势垒宽度变窄到纳米尺度，从而出现量子隧道效应，在常温甚至在低温下，大量低能电子通过隧道发射到真空中，由于阴极材料温度低，一般材料不会损失，因此寿命很长，可使用上万小时。

3、电子枪控制方式和电子源直径不同和优劣性。

钨灯丝是三极自给偏压控制，具有偏压负反馈电路，因此发射电流稳定度高；由于阴极发射点源面积大，因此电子源尺寸也比较大，50~100μm，发射可达几十~150μA，但电子枪的亮度低，因此当电子束斑聚焦到几个纳米的时候，总的探针电流很小, 信噪比太低是限制图像分辨率的根本因素，当前最佳钨灯丝扫描电镜最佳分辨率3.0nm.

场发射电子枪没有偏压负反馈电路，外界电源的稳定度是决定因素，发射电流稳定度相比要低一些；由于尖阴极发射电源面积很小100nm左右，没有明显的电子源，因此使用虚电子源作为电子光学系统设计的初始物而存在，电子虚源直径一般在2~20nm，电子枪亮度相比钨灯丝提高上千倍。当束斑尺寸缩小到1nm以下时依然具有足够强的探针电流来获得足够的成像信号，因此分辨率高，当前最佳的场发射扫描电镜分辨率实现了亚纳米级别。

4、系统真空度不同及优劣

钨灯丝扫描电镜使用一般的高真空，两级真空泵系统获得0.001pa的真空度即可满足，因此造价低。

场发射扫描电镜使用超高真空，需要三级真空泵必须获得0.0000001Pa以上的真空度才可以稳定工作。原因在于电子枪尖阴极不耐较低的真空中被电离的离子轰击，否则枪尖很容易被扫平而失效，这时候的性能还不如钨灯丝，其次电子枪阴极尖端在较低的真空下，吸附的气体分子会急剧加大阴极材料的表面势垒，造成电子枪发射不稳，亮度降低，所以必须使用超高真空一般是10的-8次方。 超高真空系统的造价明显比钨灯丝高很多。超高真空的洁净度要好于钨灯丝的一般高真空，因此很长时间，也就是在灯丝寿命内，系统可以免清洗和维护。钨灯丝扫描电镜相对维护周期要短一些。

5、钨灯丝和场发射是具有明显档次差异的，这也从价格上明确反映。钨灯丝扫描电镜十几万，场发射几十万，都是美元。国内目前只能制造最低档次的钨灯丝扫描电镜。

以上定性表达，具体数据还望查阅有关资料

扫描隧道显微镜主要是利用一根非常细的钨金属探针，针尖电子会跳到待测物体表面上形成穿隧电流，同时，物体表面的高低会影响穿隧电流的大小，针尖随着物体表面的高低上下移动以维持稳定的电流，依此来观测物体表面的形貌。

半导体电阻率的多种测量方法应用与注意事项依据掺杂水平的不同，半导体材料可能有很高的电阻率。有几种因素可能会使测量这些材料电阻率的工作复杂化，其中包括与材料实现良好接触的问题。已经设计出专门的探头来测量半导体晶圆片和半导体棒的电阻率。这些探头通常使用硬金属，如钨来制作，并将其磨成一个探针。在这种情况下接触电阻非常高，所以应当使用四点同线（collinear）探针或者四线隔离探针。其中两个探针提供恒定的电流，而另外两个探针测量一部分样品上的电压降。利用被测电阻的几何尺寸因素，就可以计算出电阻率。 看起来这种测量可能是直截了当的，但还是有一些问题需要加以注意。对探针和测量引线进行良好的屏蔽是非常重要的，其理由有三点： 1 电路涉及高阻抗，所以容易受到静电干扰。 2 半导体材料上的接触点能够产生二极管效应，从而对吸收的信号进行整流，并将其作为直流偏置显示出来。 3 材料通常对光敏感。 四探针技术 四点同线探针电阻率测量技术用四个等距离的探针和未知电阻的材料接触。此探针阵列放在材料的中央。图4-25是这种技术的图示。

已知的电流流过两个外部的探针，而用两个内部的探针测量电压。电阻率计算如下： 其中：V = 测量出的电压（伏特） I = 所加的电流（安培） t = 晶圆片的厚度（厘米） k = 由探头与晶圆片直径之比和晶圆片厚度与探头分开距离之比决定的修正因数。

如图4-26所示，更实际的电路还包括每个探针的接触电阻和分布电阻（r1到r4）、电流源和电压表从其LO端到大地的有限的电阻（RC和RV）和电压表的输入电阻（RIN）。依据材料的不同，接触电阻（r）可能会比被测电阻（R2）高300倍或更高。这就要求电流源具有比通常期望数值高得多的钳位电压，而电压表则必须具有高得多的输入电阻。

电流源不是与大地完全隔离的，所以当样品的电阻增加时，就更需要使用差分式静电计。存在问题的原因是样品可能具有非常高的电阻（108Ω或更高），此数值和静电计电压表的绝缘电阻（输入LO端到壳地，RV）具有相同的数量级。如图4-26所示，这样就会有交流电流从电流源的LO端，经过样品，流到电压表的LO端，再流回地。当电压表测量探头2和探头3之间的电压降时，该交流电流在r3上产生的电压降就会引起错误的结果。

使用两台静电计就解决了这个问题，如图4-27所示。电压表将读出两个静电计的缓冲输出之间的差值，该值等于R2上的电压。数值r1、r2、r3 和r4代表探头与样品材料接触的电阻。单位增益缓冲器具有很高的输入阻抗，所以几乎没有共模电流流过r3，于是可以很容易地计算出R2的数值。该缓冲器可以是一对JFET运算放大器或者是两个具有单位增益输出的静电计。

为了避免泄漏电流，使用隔离的或者带保护的探头与样品接触。电流源应当处于保护模式。

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