Акустическоэлектрические преобразования и акустическая эмиссия в полупроводниках и композиционных структурах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Ляшенко, Олег Всеволодович АВТОР
кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
Киев МЕСТО ЗАЩИТЫ
1997 ГОД ЗАЩИТЫ
   
01.04.07 КОД ВАК РФ
Автореферат по физике на тему «Акустическоэлектрические преобразования и акустическая эмиссия в полупроводниках и композиционных структурах»
 
Автореферат диссертации на тему "Акустическоэлектрические преобразования и акустическая эмиссия в полупроводниках и композиционных структурах"

КИЇВСЬКИЙ УНІВЕРСИТЕТ імені ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

Р>

/Ч На правах рукопису

р~

УДК 534.2:539.2 УДК 621.315.592

"Акустоелектричне перетворення та акустична емісія у напівпровідникових та композиційних структурах"

01.04.07- "Фізика твердого тіла"

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Київ - 1997

Дисертація є рукописом.

Робота виконана на кафедрі загальної фізики Київського Університету імені Тараса Шевченка.

Наукові керівники:

доктор фізико-математичних наук, професор Перга Віталій Михайлович/! кандидат фізико-математичних наук, доцент кафедри загальної фізики Київського Університету імені Тараса Шевченка Жабітенко Микола Костянтинович.

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор кафедри теоретичної фізики Київського Університету імені Тараса Шевченка,

Бурлак Геннадій Миколайович

кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Інституту Напівпровідників НАН України

Оліх Ярослав Михайлович.

Провідна організація: Інститут Фізики НАН України.

Захист дисертації відбудеться " О " червня 1997 року о 14 год. ЗО хв. на засіданні Спеціалізованої Ради (шифр Д-01.01.22) в Київському Університеті імені Тараса Шевченка за адресою: 252127 Київ, просп.Глушкова, 6, ауд. 200.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Київського Університету імені Тараса Шевченка (вул. Володимирська, 62).

Автореферат розісланий" 27 " травня 1997 року.

Вчений секретар Спеціалізованої Ради доктор фізико-математичних наук

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ.

Актуальність теми. Проблеми підвищення надійності напівпровідникових і акустоелектронних приладів, а також з'ясування фізичних механізмів виникнення токових шумів цих приладів є одними з найважливіших в сучасній твердотільній електроніці. Саме наявність невизначеності в значеннях граничних умов використання структур і наявність токових шумів накладатиме цілком конкретні обмеження на їх практичне використання. Вирішення цих проблем передусім засновано на дослідженні і усунення фізичних причин дефектоутворення і руйнування в зазначених вище твердотільних структурах, а також приладів на їх основі.

Прилади твердотільної підсилювальної і перетворюючої електроніки становлять в наш час занадто складку композиційну метало-керамічно-напівпровідникову структуру, всебічна неруйнівна діагностика якої в цілому пра'стично неможлива. В зв'язку з цим дослідження структур і їх діагностика ведуться за одним чи деяких зв'язаних параметрах. Одним із небагатьох незалежних неруйнівних методів, що може використовуватися для такого роду досліджень і діагностики, є метод акустичної емісії (АЕ), який базується на випроміненні внутрішніми джерелами матеріалів і структур акустичних імпульсів при зовнішніх статичному і динамічному навантаженні або перебудові структури матеріалу при зміні температурних або електромагнітних умов. Деякі із джерел АЕ розподілені в об'ємі матеріалу, інші локалізовані на зовнішніх і внутрішніх границях розділу, але всі вони несуть інформацію про зміну внутрішнього стану тіла, зокрема про характер внутрішніх напружень в ньому.

Наявність в структурах джерел внутрішніх напружень і, відповідно, джерел акустичного випромінювання породжує інше коло питань, пов'язане з тим, що в напівпровідникових структурах і п'єзоелектричних кристалах і кераміці має місце перетворення акустичних коливань в електричні. Хоча фізично механізми цього перетворення істотно різні, результати подібні. Дослідження акустоелектричного перетворення (АЕП) в напівпровідниках і різноманітних напівпровідникових і композиційних структурах зумовлено по-перше пошуком нових фізичних принципів функціювання акустоелектричних

перетворювачів, що будуть сумісними по технології виготовлення з інтегральними приладами сучасної твердотільної електроніки і акустоелектрони-ки; по-друге з вивченням АЕП як можливої фізичної причини токових шумів твердотільних структур.

Метою ЦІЄЇ роботи було дослідження в напівпровідникових і композиційних структурах акустоелектричного перетворення та акустичної емісії, що виникає при процесах тріщиноутворення, фазових переходах, під дією динамічних деформацій і протіканні електричного струму, а також дослідження кореляції акустичної емісії з іншими акустичними, електронними і акустоеле-кгронними явищами в згаданих структурах і їх компонентах. Об'єктами дослідження були обрані різноманітні типи матеріалів і сучасних промислових структур: діелектричні і напівпровідникові монокристали, кераміка, композиційні однонаправлені волокнисті матеріали і структури; р-п гомо- і гетеропе-рєходи в ве, &' та сполуках А3В5: ЄаР, ваРМ, СаАз, ОаЛзЛІ.

Для досягнення поставленої мети були виконані такі роботи:

- розроблено і створено композиційні датчики акустичної емісії.

- розроблено експериментальне устаткування і створені методики вимірювання діаграм направленості перетворювачів АЕ і АЕП.

- розроблено експериментальне устаткування і створено методики для дослідження акустичної емісії і акустоелектричного перетворення

Наукова новизна роботи полягає в тому, що в ній:

• Проведений аналіз волокнистих п'єзоелектричних однонаправлених композиційних структур при впливі на них нормальних хвиль у пластині (хвиль Лемба) і об'ємних акустичних хвиль. Показано, що рівномірність частотної характеристики чутливості у випадку нормального падіння об'ємних хвиль залежить лише від вибору матеріалу матриці і концентрації п'єзоелектричних волокон.

• Вперше встановлене, що п'єзоелектричною композиційною структурою можна здійснювати вибіркову ("одномодову") реєстрацію мод хвиль Лемба за рахунок оптимального вибору параметрів (періоду структури, ширини п'єзоелемента і їх числа, напряму поляризації сусідніх п'єзоелементів),

а також за рахунок вибору напряму структури по відношенню до зміщень у хвилі, що реєструється.

Вперше виявлено, що при опроміненні структур з двома (та більше) р-п переходами низькочастотним ультразвуком частотою /а при протіканні струму має місце акустоелектричне перетворення, що виявляється в появі електричних коливань тієї ж частоти /а у колі постійного струму структури. Встановлено, що наявність змінної складової струму частотою ^ призводить до прояву нелінійного акустоелектричного перетворення, що виявляється в появі в вихідних колах схем на основі вивчених структур комбінаційних частот типу п/е±т/а, де п,т = 0, 1, 2,... Вперше виявлено виникнення комбінаційних шумових спектрів п/е±т^аі... /аі\ в вихідних колах напівпровідникових структур при впливі зовнішніх вузькосмугових акустичних коливань уаі../а2]. При певних співвідношеннях частот /а2] і /е і амплітуд коливань, а також постійного струму через перехід, виникають неперервні шумоподібні спектри у вихідних колах структури Встановлено, що переважним механізмом низькочастотного акустоелектричного перетворення в структурах з р-п переходами є зміна величини потенційного бар'єру переходу, зумовленого зміною ширини забороненої зони ЛЕг.

Показано, що завдяки амплітудному аналізу сигналів акустичної емісії можна розрізняти деякі основні процеси руйнування композиційного матеріалу: пластичну деформацію та розрив армуючих волокон, порушення адгезійних зв'язків волокон і матриці, порушення цілісності матриці. Вперше виявлено, що при наявності домішок в кераміці, коли має місце розмитий фазовий перехід (температурна залежність е(0 не має чіткого максимуму), акустична емісія спостерігається у вузькому температурному інтервалі, що відповідає інтенсивній перебудові структури (інтервалу зміни нелінійних акустичних властивостей кераміки).

Показано, що поява сигналів АЕ в світловипромінюючих гомо- і гетеропе-рєходах з'єднань А3 В3 і р-п переходах Се при постійних струмах структури свідчить про наявність активних джерел АЕ і низьку надійність структури. Вперше виявлено, що між сигналами АЕ, токовими і "оптичними" шумами

і деградацією світлового виходу структури має місце часова кореляція, що посвічує про їх загальні причини - дефекти, що розвиваються в структурі.

Практична цінність роботи полягає в тому, що область застосування одержаних результатів достатньо широка: фізичне матеріалознавство напівпровідникових і композиційних структур, діелектричних кристалів і керамік, технологія структур германію, кремнію та сполук А3В5, а також технологія і надійність приладів на їх основі. Результати роботи можуть бути використані при опрацюванні моделей динамічних деформацій і динаміки де-фектоутворення в напівпровідникових матеріалах і структурах, при опрацюванні нових типів акустоелектричних перетворювачів.

Отримані вперше під час виконання цієї роботи наукові результати надалі були частково використані іншими дослідниками. В роботі111 була використана та ж методика амплітудного аналізу сигналів АЕ для зразків композиційного матеріалу і по ним встановлені механізми руйнування. В и досліджувалось електроакустичне перетворення. В 131 підтверджено, що АЕ при розмитих фазових перетвореннях спостерігається у температурному інтервалі, що відповідає перебудові структури.

Положення, що виносяться на захист.

- 1. У твердотільній однонаправленій композиційній структурі, яка складається з наповнювача та п'єзоелектрика, акустоелектричне перетворення є широкосмуговим.

- 2. Основні джерела акустичної емісії, що виникають під час руйнування твердотільної двохкомпонентної структури, можуть бути виявлені за допомогою амплітудного аналізу . Три основних джерела акустичної емісії фізично зв'язані з процесами руйнування обох компонент та з порушенням зв'язків між ними.

- 3. Величина енергетичного бар'єра в р-п переході змінюється під дією динамічної деформації. Наслідком цієї зміни є акустоелекгри-чне перетворення в р-п переході.

Особистий вклад дисертанта у розробку наукових результатів, що виносяться на захист полягає у: постановці окремих задач, виборі об"єктів досліджень, постановці експериментальних методик, виконанні експериментів та вимірів або безпосереднє керівництво ними. Дисертанту належить також аналіз та теоретичне узагальнення усіх даних, накопичених у результаті проведених досліджень, у тому числі і опублікованих разом з співавторами.

Апробація роботи. Основні результати роботи доповідались на XII, XIII, XIV Всесоюзних конференціях з акустоелектроніки та квантової акустики (м. Саратов, 1983; м. Чернівці, 1986; м. Кишинів, 1989); XV Всесоюзній конференції "Акустоелекгроніка і фізична акустика твердого тіла" (Ленінград, 1991 p.); VII Всесоюзній конференції "Стан та перспективи розвитку методів отримання та аналізу феритових, сегнетоелектричних, конденсаторних та резистивних матеріалів та сировини з них" (м. Донецьк, 1983); І Всесоюзній конференції "Акустична емісія матеріалів та конструкцій" (м. Ростов-на-Дону, 1984); науково-технічної конференції" Акустоелекгричні і фотоакустичні засоби дослідження напівпровідників. Стан і перспективи" (Київ, 1987), конференції "Акустоелектронні прилади обробки інформації" (м. Черкаси, 1988), Координаційній нараді соціалістичних країн по фізичним проблемам оптоелектроніки "Оптоелектроніка-89 " (Баку, 1989), II Всесоюзному методологічному семінарі "Діагностика надійності зварних конструкцій" (Київ, 1989), республіканської конференції" Актуальні питання фізичної природи акустичної емісії і прогнозування руйнування" (Київ, 1989), III-IV Регіональній конференції "Динамічні задачі механіки суцільного середовища ,..." (м. Геленджик, 1990; м. Джубга, 1992), 6th Int. Conference Acoustoe-lectronics'93. (Varna, Bulgaria, 1993); International Symposium on Surface Waves in Solid & Layered Structures (Moscow-St. Petersburg, 1994); First Joint Belgian-Hellenic Conference on Non Destructive Testing (Patras, Greece, 1995), 14th International Conference on Utilization of Ultrasonic methods in condensed matter.(Zilina, Slovak Republic, 1995), 1995 IEEE Int. Ultrasonics Symposium & Short Courses (Seattle, Washington, 1995), 1995 Fail Meeting Materials Research Society (Boston, Massachusetts, 1995).

Публікації. За матеріалами досліджень опубліковано 18 друкованих праць: 7 - в наукових журналах та 9 - в збірниках, а також одержано 2 авторських свідоцтва на винахід.

Структура та об'єм дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох глав, висновків, списків робіт автора та літератури, що цитується. Вона містить 139 сторінку тексту, включаючи 36 рисунків та бібліографію з 186 найменувань.

Основний зміст роботи

У вступі доведена актуальність досліджень акустичної емісії (АЕ) і акустоелектричного перетворення (АЕП) в композиційних і напівпровідникових структурах і сформульована мета роботи. Коротко визначена область досліджень.

В першій главі проведено огляд літератури за теоретичними і експериментальними роботами у галузі вивчення механізмів АЕП в різноманітних структурах, джерел АЕ. Приведені основні поняття і області дослідження АЕП і АЕ. Відбито сучасний стан досліджень в цій області.

Описані неруйнівні акустичні засоби контролю стану твердого тіла, датчики АЕ, особливості досліджень при фазових перетвореннях. Розглянуті композиційні матеріали, класифікація дефектів в напівпровідникових структурах, роль домішок і макродефектів в утворенні внутрішніх механічних напружень в гомоепітаксіапьних шарах ваЛя і ЄаР. Розглянуті деформаційні ефекти в напівпровідниках і напівпровідникових структурах, а також проблеми експериментального дослідження АЕП і АЕ у напівпровідниках і напівпровідникових структурах.

Друга глава містить стислий опис використовуваних в дисертаційній роботі експериментальних методик реєстрації, вимірів та обробки сигналів акустоелектричного перетворення, діелектричної проникності, амплітудно-частотних характеристик (АЧХ) перетворювачів, використовуваних при вивченні АЕ і АЕП та їх діаграм направленості (ДН). Описані акустоелектри-чні перетворювачі.

Наведена методика реєстрації і обробки сигналів акустичної емісії і засобів, що використовуються для вивчення кореляції між АЕ і іншими акустичними, електронними і акустоелектронними явищами. Розглянуто особливості реєстрації акустичної емісії при фазових перетвореннях.

Дослідження механізмів АЕ і АЕП передбачає наявність найбільш досконалої методики досліджень. Особливості сигналів АЕ і АЕП (складний характер, низький рівень, широкий діапазон частот, великий динамічний діапазон параметрів) пред'являють підвищені вимоги до вимірювальної апаратури. У зв’язку з цим для виконання роботи були розроблені експериментальні установки, прилади і методики дослідження АЕ і АЕП. Акустоелекг-ричними перетворювачами механічних сигналів в електричні у переважній більшості випадків використовуються п'єзокерамичні перетворювачі.

Одним із засобів одержання широкосмугових приймачів АЕ є застосування для цієї мети композиційних гі'єзоелектриків. Автором були розроблені, виготовлені і застосовані в експерименті композиційні п’єзоприймачі волокнистого типу. Фізичні аспекти функціювання цих приймачів викладені в главі 3.

Поряд з нелінійністю АЧХ акустичні перетворювачі мають неколову ДН, що визначає чутливість перетворювача і вигляд якої залежить від довжини хвилі ультразвука, що випромінюється (реєструється). Було розроблено засіб для визначення ДН, захищений авторським свідоцтвом. Пристрій для вимірювання ДН працює наступним чином: перетворювач, що досліджується, розміщають на вимірювальному стенді, почергово збуджують акустичні хвилі розташованими по колу перетворювачами, що випромінюють, і реєструють амплітуди сигналів з різних напрямків. Рівні амплітуди акустичних хвиль, збуджених різними перетворювачами, заздалегідь встановлюються атенюаторами в відповідності із ДН еталонного прийомного перетворювача.

Третя глава дисертації присвячена дослідженню в волокнуватих композиційних матеріалах (рис. 1) акустоелектричного перетворення і акустичної емісії. Були досліджені АЕП для різних типів і напрямків поширення акустичних хвиль: АЕП об'ємних хвиль в композиційних матеріалах і вплив концентрації п’єзоелектрика і матриці на ефективність цього перетворення.

Розглянуто резонансне АЕП в композиційній періодичній структурі. Показана можливість вибіркової ("одномодової”) реєстрація мод хвиль Лемба композиційною періодичною структурою. Описані розроблені на основі проведених досліджень композиційні перетворювачі хвиль Релея і Лемба, захищені авторським свідоцтвом.

Показано, що в випадку, коли напрям розповсюдження хвилі перпендикулярний площині періодичної структури (рис. 1), то, враховуючи високу міру демпфірування окремих п'єзоелементів матрицею (тобто відсутні резонанси по розмірам І2 та Ц, перетворювача як єдиного цілого), умови співвідношень довжини хвилі з розмірами та лінійними параметрами структури не істотні. Для перевірки цього виготовлювались зразки із прямокутних стержнів або тонкостінних трубок з п'єзокераміки ЦТС-19. Як параметри використалися концентрація наповнювача (п'єзоелектрика) і пружні властивості матриці, за яку слугували поліуретан, полівінілацетат і епоксидна смола ЕД-20. Концентрація п'єзокераміки в зразках визначалася кількістю стержнів і змінювалася в межах40...90%.

У випадку коли хвильовий вектор Ко і площина, в якій лежить періодична структура, колінеарні і довжина хвилі задовольняє умові 1<Х/2<І_, в композиційних матеріалах з періодичною структурою може спостерігатися ряд резонансних явищ. В разі тонкої пластинки з композиційного матеріалу, що знаходиться в акустичному контакті з ізотропною пластиною, в якій поширюються моди хвиль Лемба, буде спостерігатися резонанс напруги акустое-лектричного перетворення при виконанні умов Х=п*І, якщо напрямки поляризації сусідніх в напрямі розповсюдження хвилі елементів співпадають (при

цьому п=1,2,3...т) і Х/2=п*/, якщо напрямки поляризації сусідніх п'єзоелемен-тів протилежні (при цьому п=1,3,5...т). В цьому випадку можливість резонансів зумовлена тим, що в кожний фіксований момент часу, розподіл зміщень в хвилі під кожним із п'єзоелементів однаковий.

Була зареєстрована АЕ в волокнистому композиційному матеріалі і проведено визначення джерел АЕ методом амплітудного аналізу сигналів АЕ.

На рис. 2 приведена гістограма амплітудного розподілу сигналів АЕ (кількість сигналів N - амплітуда А), зареєстрованої при циклічному навантаженні модельного композиційного зразка аж до руйнування (1). На представленій гістограмі мають місце максимуми з амплітудами 68-70, 73-75, 7879 і 83-87 дб. Додатковими дослідженнями вдалося визначити, що ці максимуми на гістограмі модельного композиційного матеріалу відповідають деформації проволок перед роз-

К.о.е.

Рис. 2

ривом, власне розриву проволок (2), порушенню адгезійних зв'язків матрідця-наповнювач. При цьому максимум амплітудного розподілу сигналів АЕ при порушенні адгезії (3) чітко виражений, має малу напівширину і розташований у області найбільших амплітуд. З цього випливає, що адгезійний зв'язок для цього матеріале найбільш тривкий і має найбільшу стабільність, адже при різних актах порушення зв'язку, амплітуда виниклого акустичного імпульсу слабко змінювалася. Гістограм-ма (4) демонструє порушення цілісності матриці.

У четвертій главі наведені результати зроблених автором досліджень деяких динамічних явищ, а також кореляційні співвідношення між ними, що виникають при протіканні струму крізь напівпровідникові структури при наявності зовнішніх чи внутрішніх джерел ультразвукових коливань, що впливають на ці структури. В низькочастотній області до таких явищ, передусім, відносяться акустоелектричне перетворення (АЕП), розглянуте в першому і другому розділах глави, а також акустична емісія (АЕ), розглянута в третьому розділі. В четвертому розділі глави викладені результати дослідження явищ, що супроводжують генерацію АЕ при відповідному зовнішньому впливі, а також явищ, що мали подібний АЕ прояв при їх реєстрації.

Розглянуто можливі механізми АЕП та саме АЕП в р-п гомо- і гетеропереходах. Досліджені амплітудні залежності напруги лінійного АЕП в р-п гомо- і гетеропереходах, температурна залежність напруги АЕП, АЕП в підсилювальних напівпровідникових структурах, нелінійна акустоелектрична взаємодія в р-п переході та нелінійна взаємодія зустрічних ультразвукових пучків в монокристалі 5/ при проходженні струму. Вперше зареєстроване і описане електроакустичне перетворення в р-п переходах.

До механізмів АЕП відносять тензорезистивний ефект [41, зміну бар'єру Шотткі и, та, як встановлено в дисертації - зміна потенційного бар'єру р-п переходу.

З и відомо, що приріст густини електронного струму переходу при статичному тиску Je = Je0(exp(-AEg/kT)-l) (1)

де - густина струму без навантаження, ЛЕг - зміна ширини забороненої зони під тиском. Зміна часу життя та рухливості носіїв заряду покладається рівною нулю, бо з 171 відомо що зміна їх величини є ефектом другого порядку в зміні електропровідності кристалу в порівнянні зі зміною ЛЕг. Подальше врахування діркового струму, а також многодолинної структури зони провідності суттєво ускладнює вираз (1), не змінюючи принципово вираз під експонентою. Тому для подальшого розгляду обмежимося (1).

Вважаючи, що до р-п переходу прикладені зовнішня постійна І/ та змінна ио@е) напруга перепишемо (1) в квазистатичному наближенні, нехтуючи зміною ємності р-п переходу:

Je = ^„((ехр(еи+еиавт2^/- АЕес 5Іп2^)/кТ)-1) (2)

де \Едо амплітуда зміни ширини забороненої зони, fa - частота ультразвукових деформацій. Тоді Л буде змінної складовою густини електронного струму переходу. Треба зазначити, що знак АЕдо буде визначатися знаком констант п'єзоопору матеріалу і видом деформації. З одержаного виразу (2) випливає: • що знак постійної напруги на р-п переході и є параметром при вимірі температурної залежності напруги АЕП ІГ; • що має місце нелінійна залежність одночасно за двома типами параметрів: акустичних і електричних; • що струм р-п переходу, який виникає внаслідок акустоелектричного перетворення залежить від постійної напруги на р-п переході і має мінімум при виконанні умови еи =&Ед (для змінних синусоїдальних деформацій).

В першому і другому розділах четвертої глави всі три наслідки, одержаних із аналізу формули (2), знайшли своє підтвердження, а саме: температурна залежність напруги АЕП ІГ відповідає механізму зміни величини потенційного бар'єру переходу; виявлені нелінійні ефекти АЕП, обумовлені акустичною та електричною нелінійністю структури (рис. З а,б); напруга АЕП прямує до нуля при струмі переходу не рівному нулю (рис. З в,г). Крім того, встановлено, що в складних підсилювальних структурах на основі р-п переходів, де струми окремих переходів взаємозв'язані (наприклад в транзисторах і мікросхемах), на ефективність АЕП буде впливати коефіцієнт підсилення структури .

Найбільш імовірним додатковим механізмом АЕП є тензорезистивний ефект. Внесок кожного із цих двох механізмів в АЕП може змінюватися при зміні температури переходу, величини струму, що тече через нього і конкретним видом напівпровідникової структури.

Досліджена АЕ в напівпровідникових структурах, діелектричних монокристалах та □ кераміці: АЕ в світловипромінюючих гомо- і гетеропереходах з'єднань А3В5, АЕ в р-п переходах на основі Єє, АЕ в КСІ при впливі зовнішніх ультразвукових деформацій, АЕ при розмитому фазовому переході сег-нетофаза-парафаза в кераміці ВаТЮ3.

ІГ.тУ '

Рис. З а Рис. З б

Рис. З в рис. з г

Рис. 3. Залежності електричних (и^е) акустичних(и^а> ІГ) та акустоедекгричних (11^) змінних напруг від постійного струму структури Іь, (а,в,г) та амплітуди ультразвука ии (б).

Встановлено, що зникнення з часом АЕ або її відсутність в світлови-промінюючих переходах при проходженні постійного струму свідчить про збільшення порогу максимально допустимого струму через цей перехід. В промислових зразках структур СаР, ОаР.Ы, ваАв, ЄаАШ при пороговому підвищенні струму з часовою витримкою до закінчення генерації АЕ, як і в тих, де АЕ не була зареєстрована, руйнування структури настає при струмах 250...280 ма, що в 25...30 раз перевищує номінальний струм для цього зразка. Цей факт якісно засвідчує наявність факту відпалу початкових дефектів у напівпровідникових структурах та можливість неруйнівного контролю цього процесу методом АЕ.

Встановлено, що АЕ в монокристалах КСІ виникає при різних дискретних частотах та при суттєво різних порогових амплітудах високочастотних зовнішніх ультразвукових деформацій (1-3 МГц), при цьому вперше спосте-

рігалося, що припинення з часом генерації АЕ для однієї з цих частот не впливає на генерацію АЕ на іншій частоті.

Вперше виявлено, що при наявності домішок в кераміці, коли має місце розмитий фазовий перехід (температурна залежність єр) не має чіткого максимуму), АЕ випромінюється керамікою в вузькому температурному інтервалі, відповідному інтенсивній перебудові структури кераміки.

Розглянуто співвідношення між акустичної емісією і деякими фізичними явищами в матеріалах напівпровідникової електроніки.

Вперше встановлені часові кореляційні залежності АЕ, токових і "оптичних" шумів та деградації світлового виходу в гомо- і гетеропереходах сполук А3В5. Часова відповідність між ними (рис. 4а,б) засвідчує про загальне джерело цих явищ - дефектах, що розвиваються в світловипромінюючих структурах (в сполуках А3В5 найбільш певно - макродефекггах).

Співставленно температурні залежності акустичної емісії і згортки зустрічних акустичних хвиль в кераміці ВаТЮ3. Показано, що поблизу температури Юори відбуваються два нелінійні акустичні явища - АЕ перевищує порог реєстрації та відбувається різка зміна нелінійних властивостей керамі-

Рис. 4а Дискретна АЕ та струмовий шум.

Рис. 46 АЕ та струмовий шум під час та після руйнування структури

ки (зміна амплітуди згортки зустрічних акустичних хвиль), що вказує на загальну причину цих явищ - зміну структури кераміки.

Вперше зареєстрована генерація низькочастотної гармоніки в монокристалах КСІ при АЕ і впливі зовнішніх ультразвукових деформацій. Одержаний результат вказує на те, що при певних параметрах середовища, умовах впливу на неї і умовах реєстрації, можна спостерігати виникнення і переростання дискретного шуму (дискретної АЕ) в неперервний шум (неперервна АЕ), із наступним частковим "упорядкуванням" шуму в нестабільний гармонійний сигнал за рахунок резонансних особливостей середовища. Таким чином, для зовнішнього спостерігача при певних умовах інтенсивна неперервна АЕ може інтерпретуватися як тривіальне розповсюдження звука в зразку, чи як зовнішні акустичні шуми.

Основні результати роботи та висновки:

1. Проведений аналіз волокнуватих однонаправлених п'єзоелектричних композиційних структур при впливі на них об'ємних акустичних хвиль і нормальних хвиль в пластині (хвиль Лемба).

Одержані і досліджені композиційні п'єзоперетворювачі волокнистого типу, що містять у вигляді пружної матриці різноманітні матеріали : поліуретан, епоксидну смолу, полівінілацетат, а у вигляді наповнювача

- тонкі стержні або циліндричні трубки із п’єзокераміки ЦТС, що утворять однонаправлену періодичну структуру. Досліджені частотні і концентраційні характеристики чутливості композиційних п’єзоперетворю-вачів.

Показано, що для п'єзоелектричного приймача об'ємних пружних хвиль можна досягнути рівномірної амплітудно-частотної характеристики чутливості у діапазоні частот 0,1-1,2 МГц шляхом придушення резонансів власних коливань п'єзоелектричних волокон (1 МГц) в пружній неп'єзоелектричній матриці та статистичного усереднення їх власних амплітудно-частотних і фазо-частотних характеристик.

2. Показано, що для п'єзоелектричного приймача хвиль Лемба можна одержати вибіркову ("одномодову") реєстрацію за рахунок вибору періоду структури, ширини п'єзоелементів і їх числа, а також за рахунок вибору напряму поляризації сусідніх п’єзоелементів.

Одержано і досліджено композиційні п'єзоперетворювачі з круговою діаграмою направленості, що містять у вигляді пружної матриці поліуретан або неполяризовану п'єзокерамику, а у вигляді наповнювача поляризовану п'єзокераміку. Показано, що для п'єзоелектричного приймача хвиль Лемба може бути досягнута кругова діаграма направленості при одночасній вибірковій ("одномодовій") реєстрації.

3. Досліджено амплітудний розподіл сигналів акустичної емісії при руйнуванні композиційного матеріалу внаслідок нізкочастотного динамічного навантаження. Показано, що завдяки амплітудному аналізу сигналів акустичної емісії можна розрізняти такі процеси: пластичну деформацію та розрив армуючих волокон, порушення адгезійних зв"язків волокон і матриці, порушення цілісності матриці.

4. Виявлено що при опроміненні нізкочастотним ультразвуком напівпровідникових структур (діодів, транзисторів і мікросхем ) має місце акусто-електричне перетворення, а саме: в вихідних колах цих структур, включених за типовими електричними схемами, виникають електричні коливання, частота яких співпадає з частотою ультразвука. Для структур типу транзисторів і мікросхем згадане перетворення виявлено вперше.

Вперше виявлено, що при протіканні в напівпровідникових структурах змінного струму частотою /е, вплив зовнішніх акустичних коливань частотою /а призводить до появи в вихідних колах структури (наприклад, транзистору) комбінаційних частот типу п/е±т/а, де п, т-0,1,2,..

Проведений аналіз можливих механізмів знайденого перетворення. На прикладах температурної залежності амплітуди електричної напруги перетворених акустичних коливань і залежності напруг частотою п/е±т/а від постійного струму крізь один з переходів структури експериментально показано, що переважним механізмом в структурах типур-л, гомо- і гетероперєхода є зміна величини потенційного бар'єру переходу, зумовленого зміною ширини забороненої зони AEg.

Виявлено виникнення комбінаційних шумових спектрів п[€±т\[а,.../аА в вихідних колах напівпровідникових структур при впливі зовнішніх вузько-

смугових акустичних коливань При певних співвідношеннях час-

тот \fai-fa2i і Л і амплітуд коливань, а також постійного струму через перехід, виникають неперервні шумоподібні спектри в вихідних колах структури.

Виявлено електроакустичне перетворення в напівпровідникових структурах, а саме: при протіканні змінного струму через перехід структури, реєструються акустичне випромінення тієї ж частоти.

5. Досліджувалася акустична емісія в світловипромінюючих гомо- і гете-роперєходах з'єднань А3В? і р-п переходах йе\ при фазових переходах в кераміці титаната барія; при опроміненні монокристалів КСІ ультразвуком.

Показано, що наявність АЕ при струмах нижче номінального свідчить про низьку надійність структури (велику кількість дефектів). Зникнення з часом або відсутність АЕ свідчить про збільшення порогу- максимального струму і зменшення небезпечних ("активних") дефектів структури. Вперше виявлено, що між сигналами АЕ, токовими і "оптичними" шумами і деградацією світлового виходу структури має місце часова кореляція, що вказує про їх загальне джерело.

Вперше виявлено, що при наявності домішок в кераміці, коли має місце розмитий фазовий перехід (температурна залежність ф не має чіткого максимуму), акустична емісія випромінюється керамікою в вузькому температурному інтервалі.

Вперше виявлено, що в зразках КСІ спостерігається ефект переростання дискретної акустичної емісії в неперервну АЕ, з наступною генерацією низькочастотної акустичної гармоніки. Частота даної гармоніки пов'язана з розмірами зразка. Встановлено, що акустична емісія виникає на дискретних частотах ультразвукового опромінення з різним по-роговим значенням інтенсивності.

Список основних робіт автора, що увійшли до дисертації

1. Кучеров И.Я., Ляшенко О.В., Перга В.М. Нелинейное преобразование акустических и электрических колебаний в р-л-переходах //Украинский физический журнал.- 1989.-t.34, № 2,- С.222-224.

2. Кучеров И.Я., Ляшенко О.В., Перга В.М. Акустоэлектрическое преобразование в полупроводниковых приборах //Радиоэлектроника. Изв. Вузов СССР.- 1989,-т.32, № 11,- С.93-94.

3. Горбиц Л.В., Ляшенко О.В., Перга В.М. О механизме акустоэлектриче-ского преобразования в р-п переходах //Украинский физический журнал,- 1993.- Т.38, № 7,- С.1046-1049

4. Калитенко В.А., Ляшенко О.В., Перга В.М. Определение источников акустической эмиссии в композитном материале Си-Эд-14. //Механика композиционных материалов,- 1983,- № 4.- С.751-753.

5. Калитенко В.А., Лысенко В.Н., Ляшенко О.В., Островский И.В, Перга

B.М. Акустоэмиссионный и акустоэлектронный контроль фазовых переходов в сегнетокерамике //Электронная техника. Материалы,- 1985,-вып. 7,- С.44-46.

6. Ляшенко О.В., Перга В.М., Саливонов И.Н. Частотные и концентрационные характеристики чувствительности композитных пьезоэлементов датчиков акустической эмиссии //Диагностика и прогнозирование разрушения сварных конструкций.- 1987 - вып. 5,- С.40-43.

7. Кучеров И.Я., Ляшенко О.В., Недосека А.Я., Перга В.М., Харченко Л.Ф., Яременко М.А. Автоматизированная установка для измерения диаграмм направленности датчиков акустической эмиссии в листовых конструкциях //Техническая диагностика и неразрушающий контроль,- 1989.- № 1,-

C.30-34.

8. Ляшенко О.В., Перга В.М., Саливонов И.Н. Акустическая эмиссия в композиционных и керамических материалах //Техническая диагностика и неразрушающий контроль.-1990.- № 1,- С.41-44.

9. А.С. № 1360374 СССР, МКИ G 01 N29/04. Способ определения диаграмм направленности ультразвуковых преобразователей поверхностных волн /А.Я. Недосека, Л.Ф. Харченко, М.А.Яременко, И.Я. Кучеров,

В.М. Перга, О.В. Ляшенко (СССР).- Заявлено 29.06.84; Опубл. 15.08.87, Бюлл. № 46.

10.А.С. № 1804206 СССР, МКИ G 01 N 29/24. Преобразователь для регистрации волн Рэлея и Лэмба / Ляшенко О.В., Недосека А.Я., Пчелинце-ва В.Э.- Заявлено 15.07.88; Опубл.09.10.92.

И.Горлицын Н.В., Жабитенко Н.К., Калитенко В.А., Кучеров И.Я., Ляшенко

О.В., Недосека А.Я., Перга В.М. Методика определения и исследования амплитудно-частотных характеристик и диаграмм направленности пьезоприёмников акустической эмиссии //Акустическая эмиссия материалов и конструкций,- Ростов-на-Дону; Изд.РГУ, 1989,- Ч.1.- С.81-86.

12.Кучеров И.Я., Ляшенко О.В., Перга В.М. Транзисторный акустоэлекгри-ческий датчик //Акустоэлеюрические и фотоакустические методы исследования вещества,- Киев, 1989.- С.97-98.

13.Lyashenko O.V., | Perga V.M~| Acoustic emission for the diagnostic of semiconductor structures //Diagnostics Techniques for Semiconductor Materials Processing II (MRS Fail Meetting, Boston, Massachusetts, 1S95).- Pitts-burgh(PA), 1996,-v.406.- p. L520-525.

14.Lyashenko O.V., Perga V.M. Electric current noise and acoustic emission signals time correlation in lightemiting structures //Proc. of 6th Conference Acoustoelectronics'93. - Varna(Bulgaria).-1993,- P.199-201.

15.Lyashenko O.V., | Perga V.m7| On acoustic method of current noise studying //Proc. of Intern. Symposium on Surface Waves in Solid & Layered.-St.Petersburg(Russia).-1995,- P. 404-405.

16.Ляшенко O.B., Перга B.M., Тхорик B.A. Исследование корреляционных зависимостей акустической эмиссии, токовых и "оптических" шумов в светоизлучающих структурах на основе GaP //Сборник матер. XIV Все-союз. конфер. по акустоэлектронике и физической акустике твердого тела.-ч. II.- Кишенёв.-1989.-С. 164-165.

17.Ляшенко О.В., Перга В.М. Акустическая эмиссия в монокристаллах KCI под воздействием ультразвука //Матер, докл. Регион, конф. "Динамические задачи механики сплошной среды, теорет. и лрикл вопр...".-Краснодар: Изд. Кубанского ун.-та,-1992,- С.80.

18.Ляшенко О.В., Перга В.М. Акустоэлектрическое и электроакустическое преобразование в транзисторах //Тезисы докладов XIII Всесоюз. конфер. по Акустоэлектронике и квант, акуст.- ч.1.- Киев: Тип. КГУ,- 1986.-

С.70-71.

Список цитованої літератури.

1. Липатов Ю.С., Тодосийчук Т.Т, Чередниченко С.П. и др. Акустическая эмиссия в наполненных полимерных композициях //Докл. АН СССР.-1988.-Т.29Э, № 6,- С.1420-1423.

2. Тхорик В.А. Акустическая эмиссия в твердых телах, стимулированная динамическим нагружением и лазерным воздействием: Автореферат дисер-тации: 01.04.07 /Киевский университет,- Киев, 1990.-16 с.

3. Салівонов І.М. Акустична емісія при фазових перетвореннях в надпровідних та сегнетоелектричних кераміках: Автореферат дисертації: 01.04.07/ Київський університет,- Київ, 1996,- 19 с.

4. Калитенко В.А., Кучеров И.Я., Перга В.М. О природе токового НЧ-шума полупроводниковых приборов//Укр.физ.журн.- 1986.-т.31, № 8.- С.1286.

5. Сакалаускас К.Ю., Гаршка Э.П. Акустоэлекгронное преобразование колебаний на выпрямляющем контакте GaAs-Al. //Тезисы докл. XIII всесо-юз. конф. по акустоэлектронике и кв. акустике,- ч.1,- Киев: Тип. КГУ,-1986,- С.48-49.

6. Полякова А.Л. Деформация полупроводников и полупроводниковых приборовю- М.: Энергия, 1979,- 168 с.

7. Бир Г.Л., Пикус Г.Е., Симметрия и деформационные эффекты в полупроводниках.- М.: Наука, 1972.- 584 с.

Lyashenko O.V. Acoustoelectrical Transformation And Acoustic Emission In The Semiconductor And Composites Structures (manuscript).

Thesis for the degree of Candidate of Science (Physics & Mathematics) is presented as manuscript in Solid State Physics - 01.04.07. Kyiv Taras Shevchenko University, Kyiv, Ukraine, 1997.

In work is shown that in semiconductor structures takes place the low frequency acoustoelectric transformation. The mechanism of this transformation is determined. Results of researches of acoustic emission, and also correlation parities with some other dynamic phenomena that are arising at result of current flowing through semiconductor structures and at presence of external or internal sources of ultrasonic deformations. Is investigated in the fibrous composites' structures the acoustoelectric transformation for various types of acoustic waves, and also sources of acoustic emission in them by a method of the amplitude's analysis are determined.

ЛЯШЕНКО О. В. Акустоэлектрическое преобразование и акустическая эмиссия в полупроводниковых и композиционных структурах (рукопись).

Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07. - физика твёрдого тела. КИЕВСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. ТАРАСА .ШЕВЧЕНКО, Киев, Украина, 1997.

В работе показано, что в полупроводниковых структурах имеет место низкочастотное акустоэлектрическое преобразование. Определен механизм этого преобразования. Приведены результаты исследований акустической эмиссии, а также корреляционные соотношения с другими динамическими явлениями, возникающих при протекании тока через полупроводниковые структуры и при наличии внешних или внутренних источников ультразвуковых деформаций. Исследовано в волокнистых композиционных структурах акустоэлектрическое преобразование для различных типов акустических волн, а также определены источники акустической эмиссии в них методом амплитудного анализа.

Ключові слова: акустична емісія, акустоелектричне перетворення, напівпровідник, композиційний матеріал, сегнетоелектрик, п'єзоелектрична кераміка, монокристал, р-п перехід, структура.

Підписано до друку 26.05.97 Формат 60x84 1/16. Ум-друнарк, 1,05 Тираж 100 Зам. 1533