2.3.1 二次电子发射的概念
二次电子（Secondary Electron，SE）发射是指具有一定能量、速度和入射角的初始电子（Primary Electron，PE）或其他粒子照射固体材料（金属、半导体、绝缘体）表面时，从这些物体表面会发射电子的现象，如图2-4所示。从表面发射的二次电子具有随机的数量、能量和角度分布。二次电子发射是入射电子与材料浅表层复杂作用的过程：一束具有一定能量的初始电子轰击材料表面，一部分电子由于库仑相互作用被原子电势影响而改变运动方向，从表面逸出成为弹性散射电子，由于原子核的质量远大于电子的质量，弹性散射电子的能量基本等于初始电子能量；其余电子进入材料表面，其中一部分电子与材料内原子发生非弹性碰撞，将一部分能量传递给发生碰撞的原子或分子后逸出表面，成为非弹性散射电子；还有一部分初始电子在材料内部遭到非弹性散射，引发材料内部大量的电子被激发，这些激发出来的电子如果还具有足以克服表面势垒的能量，则可从表面逸出成为真二次电子。
图2-4 二次电子发射原理
衡量二次电子发射的能力，通常采用二次电子发射系数（Secondary Electron Yield，SEY） 和二次电子能谱（Secondary Electron Spectrum，SES）。SEY定义为：从材料表面发射的二次电子（包括本征二次电子和背散射电子）与入射电子个数之比，该比值一般用σ表示。图2-5（a）所示为SEY随入射电子能量E PE变化的典型曲线，可以看出随着E PE的增加，SEY先增大后减小。在SEY增大的过程中，当其第一次达到1时对应的入射电子能量为第一交叉能量点E1；当SEY增大到最大值σmax时对应的入射电子能量为E max；在SEY下降过程中，再次达到1时对应的入射电子能量为第二交叉能量点E2。在加速器、微波部件及微放电等领域，器件和系统的性能对SEY峰值非常敏感，只有当SEY峰值足够小时，才能保证器件不会被电子倍增效应所损伤，因此SEY峰值是研究SEY的一个重要参数。此外，E1和E2对于抑制微放电，降低材料的放电概率也有重要的意义。图2-5（b）所示为典型的二次电子能量分布曲线，电子发射数的分布可以分为三个部分：真二次电子、弹性散射电子和非弹性反射电子。第一部分在能量最低的地方，即在附近出现一个峰，它对应着能量较小的电子，这一部分电子是由一次电子入射到收集极表面激发出的二次电子，称为真二次电子，并且占二次电子总数的大部分；第二部分出现在能量最高的地方，它对应着一群与一次电子速度近似相同的电子，它是由于一次电子受到原子核库仑场的作用而改变运动方向，从收集极表面出射的电子，称为弹性散射电子；第三部分介于真二次电子和弹性散射电子之间，由一次电子和原子核外电子的非弹性碰撞产生，它的能量区很宽，这部分二次电子称为非弹性反射电子，这部分电子数目相对较少。
图2-5 SEY曲线与二次电子能谱
（a）典型SEY曲线；（b）二次电子能谱
SES是二次电子发射特性的另一个重要因素，用于描述二次电子的能量分布。典型的SES曲线如图2-6（a）所示，由于二次电子主要包含了能量较低的本征二次电子以及高能背散射电子两类，因此SES在二次电子能量E SE较小处有一个明显的本征二次电子峰（TSE peak），简称本征峰，在E SE较大处有一个迅速上升的背散射电子峰（BE peak），简称背散射峰。由于本征二次电子在总二次电子中占主要部分，反映了绝大多数二次电子的能量分布，因此人们往往更关注SES的本征峰。图2-6（b）为按照最大值归一化的SES的本征峰。研究本征峰主要关注两个参数：半峰宽（FWHM）和最可几能量（MPE）。半峰宽为峰值下降到一半时的峰宽，体现了本征二次电子能量分布范围及集中区域。MPE为峰值对应的二次电子能量，反映了数量最多的本征二次电子所具有的能量。
图2-6 SES曲线
（a）典型SES曲线；（b）SES本征峰
由于二次电子在材料表面几纳米深度内产生，二次电子的能量较低（只有几电子伏特），因此二次电子发射系数对材料表面状态极为敏感，这也是微放电阈值受工艺及其过程控制不确定性影响的重要原因，进而使得实际中的微波部件即使在仿真设计验证充分条件下，总是建议开展微放电试验检测。下面将介绍二次电子发射特性的测量，可以将样片的测量数据用于仿真分析中，较为接近微波部件真实表面状态的情况下仿真其微放电阈值。