Исследования пространственной стабилизации тока в системе полупроводник - газовый разряд тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им А.Ф. ИОФФЕ

Р Г б О Д па пРапях рукош,сЧ

- 5 ШОН 1995

Мухамадиев Одилжон Солиевнч

Исследования пространственной стабилизации тока в системе полупроводник - газовый разряд

0l.04.i0 - Физика полупроводников и диэлектриков.

Автореферат

диссертации на соискание ученой степешт кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1995 г.

Рабога выполнена п Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе РАН.

Научный руководитель:

доктор'физико-математических наук Парицкий Л.Г.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Иванов В.Г.

кандидат физико-математических наук Иванова Е.И.

Ведущая организация: Российский государственный педагогический университет им. А.И. Герцена.

Защита состоится " иуо*-* 1995 г. в часов на

-заседании диссертационного совета № К003.23.01 в Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе РАИ, но адресу: 194021, Санкт-Петербург, Политехническая ул. 26.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН.

Отзывы на автореферат в экземплярах, заверенных печатью, просьба высылать по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан . ■-¿¿-ЛЛ_1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета: кандндит физико-математических паук

Г.С. Куликов

Общая характеристика рабсил.

Актуальность темы. Электрический контакт между газовым разрядом и полупроводником [1] и в целом электрическая цепь, содержащая такой контакт, представляет собой относительно малоизученный объект. В особенности это касается его электрических, фотоэлектрических и оптических свойств. Между тем применение газового разряда в полупроводниковой технике за последние десятилетия существенно возросло. Общеизвестно, что наибольшие успехи были достигнуты и использовании плазменных контактных процессов, связанных с переносом вещества и химических реакций в газовом разряде в обширной облает гсхноло-1 ни полупроводникового приборостроения. Наряду с этим интенсивно развивается и другая область применения, в которой газоразрядный зазор с полупроводниковым электродом является непосредственно рабочим элементом прибора, и в нем используются его специфические электрические свойства, при этом химические и другие необратимые процессы па контакте ионизированного газа с полупроводником сведены до. минимума или полностью исключены. Таким прибором является инфракрасный преобразователь изображения ионизационного тина, предложенный и разработанный в Физико-техничсском институте РАН, а также ИК-фото1рафическая система ионизационного типа. Основным элементом этих приборов является планариая газоразрядная ячейка ( узким разрядным зазором (в несколько десятков микрон) с полупроводниковым электродом из фоточувствительного полу проводникового материала, по чувствительности охватывающая широкий спектральный интервал инфракрасного излучения. Физической основой работы ионизационной системы являются два эффекта, определяющие влияния полупроводникового электрода на и;'отекание газового разряда и его свечение. Это, во-первых, эффект пространственной и временной стабилизации газового разряда полу проводниковым электродом и, во-вторых, эффект управления пл<ч постыо тока газового разряда по величине и геометрическому рпсиопо-женшо путем модуляции проводимости полупроводника при <чо освещении внешним источником.

Первый из эффектов является необходимым, однако, еще недопч точным условием работы ячейки в качестве племент снсктралыши о преобразования ШС-шобрлжешш м определяет выбор материялт и

режимом : испцььзуемой ячейке, второй эффект тесно связан с отображающими свойствами ионизационной системы и определяет такую важную характеристику прибора, как динамический диапазон пропорциональной передачи полутонов в изображении и отчасти пространственное разрешение преобразованного изображения. Основным обстоятельством здесь является строгая вертикальность кольт-амперной характеристики газового разряда, то есть нулепое дифференциальное сопротивление разряда в широком интервале плотностей тока.

Трудность изучения эффекта стабилизации разряда в ионизационной системе состояла в том, что в литературе практически полностью отсутствуют данные о разряде в столь узких газовых зазорах (обычный используемый их диапазон начинается с нескольких сантиметров). Тем более отсутствуют данные об использованном здесь распределенном сопротивлении электрода, которым,в частности,и является полупроводниковый электрод.

Две первые главы диссертации посвящены исследованию физических процессов, определяющих работу и свойства плоской газоразрядной ячейки, учитывая, в первую очередь, ее особенности, а именно, узость разрядног о зазора и полупроводниковую природу материала электрода.

Другая проблема, тесно связанная со стабилизацией и управлением тока газового разряда при модуляции проводимости ее электродов, .состоит в неиспользованных еще в технике научного приборостроения возможностях применения газоразрядного плазменного контакта для материалопедческих целей и дефектоскопии. Действительно, уже в первых работах но ионизационной системе была доказана возможность визуализации в полупроводниковой пластине областей, различающихся по величине темновой проводимости на примере полуизолирующего арсенида галлия, компенсированного хромом. При этом оказалось возможным регистрировать не только недостаточно закомпенсирован-иые области полупроводниковой пластины, но и области с нарушенной рег улярностью кристаллической решетки, появившиеся при выращивании кристаллов. Кроме того, обозначилась и возможность выявления областей кристалла с разной величиной неравновесной проводимости, то есть фоточувствительности при равномерном освещении пластины полупроводника.

Однако, круг материалов для исследований такого рода ограничивался только высокоомными кристаллами в узком диапазоне величины

удельного сопротивлении. Для расширения облает материалов как в сторону больших, так и меньших значений электропроводимости требуются существенно иные варианты использования газового разряда.

Цель работы. На основании изложенного была определена следующая цель работы:

1. Экспериментальные исследования стабилизации разряда в широком диапазоне условий (величина разрядного промежутка d, удельное сопротивление полупроводникового электрода р, давление т аза р и др.) и определение основных механизмов нарушения стабильности.

2. Исследование особенностей механизма токопрохождення в тоской газоразрядной ячейке с полупроводниковым электродом в случае малых межолектродпых расстоянии.

3. Изыскание подходов к проблеме экспериментального определения плеторических неоднородностсй материалов различном природы.

Научная новизна полученных результатов может быть кратко сформулирована следующим образом:

1. Впервые экспериментально изучена область стабильною горения разряда в ячейке с полупроводниковыми электродами » широком диапазоне величин разрядных зазоров d, давлений îaaa р и проводимости материала полуирово;1ппка о. Показано, что область стабилизации, представленная в координатах Vip(P) (напряжение срыва от давлении), расширяется с уменьшением межчлетородиого расстояния, давления i ача п, в определенных пределах, проводимости полупроводника.

2. Установлено, что основным механизмом, приводящим к нарушению стабильности разряда (нонизациошичо разрядном' юка), являеня искажение однородное!и ноля, связанное с образованием обьемпых зарядов, а в Bi.icoKooMin.ix фоючуветвнтельных полупроводниках в механизме срыва стабильности значительную роль траст модуляция проводимости полупроводника ионизирующими компонентами разряда.

3. Доказано наличие значительно» по величине авгоэлегстроннон '»миссии в разрядном промежутке с малыми зазорами между электродами, что определяет отлпчпюп.пмс особенное!!! irnonoi о разряда в ионизационной спск'ме.

4. ' )кенсриме1пал1.н(> уешновменв шжеимооь пробивши о напряжения i а юпого разряда в \'чки\ <а зорнд о| ocueiiiumociи поземрон.щнн koboi о элеьчрода. v )6iup\ленная особенное!ь пинана е пню шею potinoii эмиссией в указанных условиях.

-65. Показано, что и газоразрядной ячейке с полупроводниковым элекгродом реализуется своеобразный вид газового разряда, характеризуемый ударной ионизацией на фоне значительного тока автоэлектронной эмиссии.

Практическая ценность результатов работы.

1. Проведенные систематические исследования области стабилизации разряда при различных параметрах ячейки и выявленные закономерности используются для конструирования ИК-преобразоватсльных и фоторегистрирукнцих приборов ионизационного типа различного назначения и выбора режима их работы.

2. Экспериментально доказана и опробована в простейших вариантах принципиальная возможность использования планарион газоразрядной ячейки для получения картины геометрического распределения электропроводимости и низкочастотной диэлектрической проницаемости в обгектах различной природы в твердотельном и жидком состоянии в широком диапазоне электрических свойств, а также изучения пространственною распределения фаз при сегнетоэлектриче-ских фазовых переходах.

На защиту выносятся слс чующие основные положения:

1. Диахрамма Vcp(Pj при вариации d и р дает полную и наглядную картину условии стабилизации газового разряда полупроводниковым электродом.

2. В ячейке с полупроводниковым электродом при малых разрядных промежутках реализуется значительный ток автоэлектронной эмиссии, что определяет особенности характеристик ячейки, в частности, зависимость пробивного напряжения от освещенности полупроводника и повышения стабильности горения разряда с уменьшением межэлектродного расстояния.

3. Основные причины срыва пространственной стабильности состоят и искажении однородности электрического поля в газоразрядном зазоре н в модуляции проводимости полупроводника контактирующим с ним i нзовым разрядом.

4. Регистрация геометрического распределения яркости свечения 1язового разряда в пленарной ячейке может, в принципе, служить удобным средством визуализации макроскопических электрических неодно-

родностей в различных материалах, полупроводниках, диэлектриках, металлах, а также в жидкостях, электролитах и апологически к объект ах.

Апробаций работы. Результаты работы докладывались па II Всесоюзной конференции (Фотоэлектрические явления в полупроводниках. Ашхабад. 1991, октябрь) и на семинаре лаборатории неравновесных процессов в полупроводниках <г»ТИ им А.Ф.Иоффе РАН.

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 3 научные работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, грех глав, заключения и списка литературы, вюлочающего наимено-

ваний. Она содержит страниц, включая 4з рисунка.

Основное содержание диссертации.

Во сведении обоснована актуальность темы, показаны новизна и практическая ценность работы, сформулированы цели и задачи работы, представлены защищаемые положения и даны сведения о структуре диссертации.

. Первая глава посвящена экспериментальному исследованию устойчивости горения разряда в ячейке с полупроводниковым электродом.

Приводятся результаты экспериментального исследования стабилизации горения разряда в ячейке с электродами из кремния и арсепида галлия в широком диапазоне давления воздуха р и величины межэлск-тродного расстояния <± Проводились измерения вольт-амперных характеристик (ВАХ) газоразрядной ячейки, одним из электродов которой являлась полупроводниковая пластина толщиной 1 мм и плшцадыо до 1 см2 с внешним прозрачным омическим контактом, и другим электродом - споем 8пО> на стекле, через который осуществлялось наблюдение свечения разряда. В качестве полупроводникового электрода » одной серии опытов использовался полу изолирующий арсспнд галлия, компенсированный хромом, при этом измерения ¡»елись при комнатной температуре. В другой серки опытов, проводившихся при охлаждении до температуры 90..100КЦ электродом служил кремнии, легированным платиной. Во всех случаях, после зажигания разряда при иопышпнт напряжения ячейка доводилась до состояния нарушения режима стабильности, что выражалось в бо.чее резком возрастании тока одновременно с появлением на фоне равномерного течения бшн-е прмщ иятсп.

По полученным DAX определялось напряжение зажигания V^, напряжение, соответствующее срыву стабильности Уф, и ток'срыва icp.

Пыли исследованы ячейки при значениях межэлоктродного расстояния в диапазоне от 10 мкм до 5 мм. Результаты измерений оформлялись в виде серии диаграмм зависимости напряжения зажигания V™ и напряжения срыва стабильности Vtp от давления воздуха Р при заданной величине разрядного зазора.

Значения Vq, приведены в двух случаях: VTr,,- при равновесной проводимости полупроводника и УсСрири максимальном его освещении. Величина напряжений для заданных значений р и d от УзжДо Vrcf> или V'cp представляют интервал стабильного горения'разряда. Серии дишрцмм для ячейки с арсенидом галлия позволили отмстить следующие особенности:

- в области относительно малых значений d (26..100 мкм), при сопротивлении полупроводника от R = 108 Ом до R= 4-107 Ом существует широкая область стабилизации при всех исследованных значениях давления газа, включая атмосферное. При этом с повышением d область, стабилизации по диапазону напряжений на полупроводниковом электроде AV=Vcp - Уз* сужается от ~2 кВ до ~ 1 кВ;

- в интервале изменения d больших 300 мкм, помимо сужения области стабилизации по диапазону напряжений, происходит уменьшение максимального рабочего диапазона давлений до —600 мм рт. ст.;

- при d =4,5 мм наблюдается лишь зажигание разряда при давлении Р < 50 mm Hg, но область стабилизации полностью отсутствует. Следует отмстить, что во всех случаях уменьшение сопротивления полупроводника освещением приводиз к уменьшению напряжения срыва стабилизации.

Аналогичное рассмотрение серии диаграмм для ячейки с электродом из кремния при температуре 90К позволили отметить следующие характерные черты:

- как и в предыдущем случае, здесь имеется широкая область стабилизации при малых разрядных промежутках (10..200 мкм), которая при дальнейшим увеличении сужается как по диапазону напряжений, так и но рабочему интервалу давлений;

- в отлично 01 ячейки с арсенндом халлия здесь, как правило, уменьшение conpoiивлепия полупроводникового электрода не сокращает, а

напротив, увеличивает диапазон напряжений, характеризующий область стабильного горения.

Таким образом приведенные серии диаграмм даюг достаточно полное представление о поведении области существования стабильного горения разряда в ячейке с полупроводниковым электродом при вариации таких важных факторов, как межэлектродное расстояние с!, давление воздуха р и проводимость полупроводникового электрода.

В ячейке с полупроводниковым электродом реализуется специфический случай таундсепдовского разряда, в котором главная особенность заключается в том, что при отсутствии отрицательного дифференциального сопротивления (ОДС) наблюдается вертикальность ВАХ на много порядков по величине тока.

Нарушение стабильности разряда может иметь причиной переход от таундсепдовского к тлеющему разряду, т.е. изменение, самого типа разряда. Как известно [ 2 ], переход к тлеющему разряду свя шн с нарушением однородности поля в разрядном промежутке, вызываемый появлением объемных зарядов. Таундсендовскин разряд - это пределы пин случай, когда поле считается совершенно однородным, и объемным заряДом можно пренебречь. С ростом тока нейтральность нарушается, н разрядном промежутке образуется большой положительной объемный заряд Йонов, и электрическое поле в катодной области сильно возрастает, следствием этого оказывается то, что заданной величины ток поддерживается при меньшем приложенном напряжении, возникает ?! образность. Предельный ток существования таундсепдовского разряда j соответствует соотношению:

А«-------.. (1)

г' гп(м)3

Из П ) следует, что должна иметь место линейная зависимое'ь го.чн срыва от комбинации величин У-^/й3. Экспериментальные точки 1» ветстпии с оценочной формулой (1) хороню дожги ея на прямую с наклоном, соответствующим гчнейной зависимости.

В случае больших сопротивлений полупроночнчкоцсч о ^лем-рода. существенными становятся процессы тчнпмрующп-« денем»»« яг,-мшим* компонентов разряда п полупроводнике На контакте попунр^шншкя с ичазмоп происходит генерация нермшюьепп.гг цпешечен г ока в гтч\'-проподнике ионизирующими ччеметммн шипчм ">т ирит""1чт к тм

растанию концентрации носителей в полупроводнике, к уменьшению сопротивления полупроводникового электрода, что,в свою очередь,приводит к росту тока в плазме, еще большей бомбардировке поверхности полупроводника VI дальнейшему снижению его сопротивления. Таким образом устанавливается положительная обратная связь в системе полупроводник-плазма, что дает падающую ВАХ, т.е. область ОДС и, следовательно, шнурование тока. С таким механизмом мы связываем тот факт, что при освещении электрода из кремния напряжение срыва вы растает.

Вторая глава посвящена особенностям газового разряда при малых межэлектродных расстояниях в ионизационной системе.

Для выяснения механизма развития пробоя узкого зазора и роли ав-тоэлсшфонной эмиссии проведены опыты по определению автоэмис-сионого тока в реальной конфигурации ионизационной системы с полупроводниковым электродом из АэОа и металлическим контрэлектродом из латуни.

Используемые полупроводниковые пластины выбирались из. числа обычно работающих в полупроводниковых преобразовательных системах ионизационног о, типа. Их поверхность после шлифовки и механической полировки не проходила стадии химического травления, т.е. имела значительный нарушенный поверхностный слой материала полупроводника, обеспечивающий б ионизационной системе высокую скорость поверхностной рекомбинации неравновесных носителей тока в полупроводнике

Были проведены исследования тока при относительно высоком вакууме, когда длина свободного пробега электрона значительно превосходит толщину разрядного зазора, и практически полностью исключается ударная ионизация газа. В этой конфигурации наблюдался довольно сильный ток (несколько микроампер). Очевидно, что природа тока здесь связана либо с автоэлектронной эмиссией, либо с утечкой по поверхности диэлектрического зазора в сильном электрическом поле по периметру отверстия, ограничивающего вакуумный зазор, т.е. за . счет краевого эффекта. Для разрешения этой альтернативы были проведены измерения ВАХ при нескольких значениях диаметра сквозного отверстия в диэлектрике. При этом предполагалось, что при преобладающем токе утечки величина общего тока с ростом диаметра будет возрастать линейно, соответственно увеличению дайны окружности, а при преобладании авгоэлек грешной эмиссии - квадратично, соответственно

увеличению площади отверстия. Результаты показали, чго ток возрастает пропорционально площади поперечного сечения, и краевая утечка не вносит существенного вклада.

Сравнение экспериментальных данных с теоретическими* значениями: экспериментальные точки удовлетворительно соответствуют функциональной зависимости для автоэлектронного тока, определяемой известной формулой Фаулера-Нордгейма [3], модифицированной Нордгеймом [ 4 ] с учетом эффекта Шотки,

Сравнение величины автоэмисеионного тока, полученного в эксне-' риментах и из формулы ( 2 ), показывает, что наблюдаемые токи значительно больше расчетных значений. Причины расхождения в значениях токов относятся к различию в условиях эксперимента. Приводимая формула относится к случаю высокого вакуума, тщательно обезгаженнон и совершенной поверхности кристалла. Из литературы известно, что несовершенство поверхности, наличие микронеоднородностей, оксидных слоев и адсорбированных молекул приводят к существенному возрастанию величины автоэмиссионного тока при сохранении в целом теоретической функциональной зависимости.

Таким образом в реальных условиях эксперимента имеет место достаточно сильная автоэлектронная эмиссия с поверхности полупроводника, которая, ггри газовом заполнении, может играть роль поставщика электронов для лавин Таундсенда в газовом разряде, а также быть основным механизмом прохождения тока при очень малых зазорах, когда размножение носителей затруднено. Отметим, что наблюдаемый автоэлектронный ток контролируется сопротивлением полупроводника.

Особенности характера разряда в случае достаточно сильной автоэлектронной эмиссии, реализуемой в наших условиях, следующие. Будем считать, что начальный ток .¡о = ], определяемый внешней ионизацией, включает аддитивно и составляющую, характеризующую автоэмиссионный ток ,т.е. .¡о Повторяя все выкладки теории,

получаем следующее упрощенное выражение для полного тока разряда:

^ ~ Оа + ---С

(3)

где а - коэффициент объемной ионизации, у - коэффициент, характеризующий у - процессы на катоде.

Экспоненциальный множитель в формуле (3) можно рассматривать как коэффициент газоразрядного усиления. В данном приближении он постоянен, не зависит от величины начального тока. Полученное приближенное соотношение может быть аппроксимировано за пределы малости автоэмиссионного тока по сравнению с током обусловленными объемными ионизаторами. Наличие автоэлектронной эмиссии оказывает положительное воздействие на пространственную стабилизацию газового разряда. Поток электронов, вырываемых полем из катода, приводит к интенсивной нейтрализации объемного заряда положительных ионов з разрядном промежутке и тем самым отдаляет условия такого искажения распределения электрического поля в зазоре, которое соответствует переходу от таундсендовского к тлеющему разряду, сопровождающемуся срывом стабильного горения разряда.

Третья глава, посвящена электрической визуализации неоднородности материалов.

Современные методы оптической I! корпускулярной микроскопии достигли чрезвычайно высокой степени совершенства и позволяют решать тонкие проблемы, вплоть до строения вещества на молекулярном уровне. В проблемах науки'и практики, относящихся к более крупномасштабным объектам, методы микроскопии также настолько развиты, что в настоящее время трудно представить себе сколько-нибудь актуальную проблему, которая не могла бы быть решена современными методами микроскопии.

Однако мы можем все же выделить одну задачу дост аточно общего характера, где существующие методы микроскопии казалось бы принципиально не могут быть использованы вследствие известного граничения, выражаемого фундаментальным обстоятельством, а именно - дифракционным пределом разрешения любого микроскопа. Хорошо известно, что в .любом случае линейные размеры исследуемого объекта должны превосходить длину волны Используемого в микроскопе излучения. Подобное ограничение справедливо как для электромагнитных излучении. I а к и для всех других типов радиации.

Н от ичеекой микроскопии выявляемые контрасты, представляющие в совокупно! 1п изображение объекта, определяются, по существу, элек-|рнчсс!<пин свойствами м/черпала, сю диэлектрической пропииае-

мосгью, активной проводимостью и другими видами диэлектрических потерь, выражаемых в оптическом диапазоне величиной коэффициента поглощения света, коэффициентом отражения и коэффициентом преломления. Хорошо известно, что эти указанные электрические и оптические характеристики материалов в большинстве случаев имеют весьма сильную зависимость от длины полны света, в котором производятся наблюдения.

Сложные объекты, состоящие из деталей с разными частотными характеристиками своих параметров, наиболее полно выявляют при сопоставлении снимков, полученных в разных спектральных областях. Детали исследуемою образца могут иметь собственные контрасты-нсод-нородноети по электрическим параметрам, т.е. определяются разными материалами или составом материала, из которого они состоят. Примером того могут быть естественные минералы, сплавы с неоднородным распределением компонентов, полимерные объекты с участками, имеющими разную степень полимеризации. Другой группой исследуемых материалов могут быть совершенно однородные материалы, в которых интересующие детали, проявляемые в электрических неоднородностях, появляются вследствие обратимого воздействия внешних факторов: температуры, деформаций, электромагнитных полей. Такие объекты дают динамичную, изменяющуюся во времени картину распределения составляющих нх частей.

Таким образом наиболее полное выявление деталей при спектразо-нальном подходе возможно при расширении спектрального диапазона до возможно больших пределов, как в коротководаовую, так и, прежде всег о, в длинноволновую область.

Следует отметить, что определение пространственного распределения деталей объекта, отличающихся от основного материала по оптическим характеристикам только в области низких частот, является в большей или меньшей степени актуальной задачей.

Однако длину волны электромагнитного излучения нельзя увеличивать беспредельно, наступает момент, когда эта длина волны становится равной или большей характерного размера изучаемой неоднородности детали объекта. В этом случае вступают в силу ограничения дифракционного предела в возможности формирования оптичееко1 о изображения. К примеру, пусть характерным размером неоднородности в изучаемом объекте является величина 10 мкм, а отличия от окружающего материала

ъ электрических свойствах и, связанных с ними, оптических характеристиках, наиболее четко проявляется при длине волны 3 см, т.е. в 3000 раз большей. При таких условиях о получения информации в виде оптического изображения не может быть и речи.

В литературе, относящейся к микроскопии и дефектоскопии, имеется множество разрозненных обсуждений этой проблемы. Мы систематизировали различные точки зрения на возможности получения изображения деталей объекта при длинах волн, больших характерных размеров этих деталей, и получили следующую картину: в обычных случаях электромагнитная волна воздействует на объект и одновременно формирует оптическое изображение после прохождения или отражения от наблюдаемого объекта.

Таким образом у волны имеются 2 функции: во-первых, функция взаимодействия; во-вторых, функция формирования изображения. Очевидно, что при обсуждаемых условиях, т.е. когда длина волны больше размера деталей объекта, функция взаимодействия с материалом остается нормальной, а функция формирования изображения оказывается неприемлемой. Поэтому в объект должен быть внесен некий новый элемент, а именно среда-преобразователь длины волны, которая излучает более коротковолновое излучение в зависимости от величины воздействующего электрического поля. В качестве такого преобразователя может служить, к примеру, электрооптическая среда, помещенная в непосредственной близости к деталям объекта. Эта элсктрооптическая среда управляет и модулирует его в соответствии с локальным электрическим под"м воз-действующи'! на объект волны. В настоящей работе мы исследовали возможности применения, в качестве преобразующей среды, газового разряда, в котором, как известно, интенсивность свечения зависит от локальной плотности тока.

Итак, цель нашего исследования состояла п том, чтобы рассмотреть и проанализировать пути н условия, при которых возможно реализовать регистрацию малых объектов с характерными размерами, меньшими дойны волны электрического воздействия. В этой части работы наша задача состояла в разработке одной из возможных гнетем, которые позволяют осуществлять визуализацию объектов при низких частотах воздействующего электромагнитного поля, и в которой элсктрооптической средой является плазма газового разряда. Регистрируемое на выходе излучение представляет собой свечение ионизированного газа и лежит в

спекгральном диапазоне от 0.4 мкм (воздух) до 0.6 мкы (гелий, неон), т.е. пе препятствует возможному разрешению вплоть до нескольких микрон.

В работе приведено описание нескольких визуализирующих устройств, предназначенных для работы с различными изучаемыми объектами.

1. Ячейка с регистрирующей q)eдoй в области электрического ноля.

Изучаемый образец находится между двумя изолирующими слоями,

один из которых представляет из себя слюдяную пластину, а вторым служит сама фотопленка, причем эмульсионный ее слой непосредственно примыкает к газоразрядному зазору. Электрический контакт к образцу осуществляется во время работы плазменными контактами.

2. Второй вариант системы отличается тем, что фоторегистрирую-щая пленка находится не в рабочем конденсаторе. Она связана с газоразрядным зазором оптической связью через волокоинооптическую шайбу, имеющую на поверхности, прилег ающей к зазору, прозрачный электрод в виде слоя ЯпОг.

3. Регистрация свечения в газоразрядном промежутке фотокамерой.

Этот вариант является естественным развитием второго. Регистрируемое изоображение создается линзовой оптической системой. Такая система позволяет получать снимки не только в масштабе один к одному, но и изменять масштаб изображения по сравнению с объектом, создавать определенное увеличение.

4. Газоразрядная ячейка с 'регистрацией свечения с большим увеличением.

Получение снимков с большим увеличением требует использования микроскопа. В первую очередь встает вопрос о факторах, ограничивающих возможную степень увеличения. Очевидной причиной является уменьшение интенсивности света, действующего на фотоматериал, по мере роста увеличения оптического изображения. Это обстоятельство было учтено использованием электронно-оптического усиления.

Мы провели модельные исследования в разных режимах регистрации разряда и электрического питания ячейки. В такой ячейке, где разряд непосредственно воздействует на фотоэмульсию, возможно изыскание таких сред, в которых оптический эффект достигается взаимодействием среды с активными компонентами разряда, а не голько с а о свечением.

Наиболее примечательным является тот факт, Ч1 ячейке удается непосредственно различать контрасш но пелнчине с. Э\а

особепность определяется тем свойством, что интенсивность свечения пропорциональна плотности тока:

При этом активная проводимость исчез ающе мала. Такое выявле! не контраста мы назвали с-визуалнзацией.

В работе приведены результаты экспериментальных исследований с различными изучаемыми объектами. Значительный интерес представляли исследования жидкостей. Оказалось, что непосредственно над поверхностью жидкости использование разряда невозможно, поэтому были, иодготовленны кюветы из диэлектрического материала и заполнены 1 с-следуемыми жидкостями.

Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о возможности с-визуалнзации диэлектрических объектов, имеющих пренебрежимо низкую активную составляющую проводимости. Кроме того, существенно, что такое распределение с может быть произг, депо при высоких температурах, где в диэлектрических керамиках наблюдаются различные фазовые переходы, в том числе и сегнетоэлсктрические.

В :>пботе изучался вопрос об экспериментально достижимом минимальном размере объекта, выявляемого в установке с микроскопом. Результаты эксперимента показали, что достижимой является идентификация объекта порядка 5 мкм.

Использованная в применяемых устройствах визуализации система стабилизации газового разряда позволяет, и принципе, обеспечить различение по проводимости весьма шпкоомных материалов, включая легированные полупроводники, металлы, сплавы и различные композиционные материалы.

Основные результаты и выводы.

1. Систематически исследована область устойчивою трепня раз ряда в газоразрядных ячейках с полупроводниковым электродом из по лушолпрующего иреенндя гя'итч, компенсированного хромом (при комнатной температуре), н кремния, легированного илашпои ¡при температуре 90К), в широком диапазоне давления таза (воздух), величины межэлсктродпых расстояний и интенсивности освещения полупроводника.

Установлено, чю с возрастанием 1 азорнзрнджп и за юра иропеххднт уменьшите, днашноп» напряжении, («хчпегс тутмнчо усюйчниому ю-

рснию разряда, и сдвиг области стабильного горения в сторону низких да злений газа.

2. Показано, что при величине зазора в пределах 10..100 мкм возможна стабильная работа газоразрядной ячейки с электродом из нолу-изолирующего арсенида галлия при атмосферном давлении в диапазоне плотности фототоков до Ю-4 А/см2.

3. Рассмотрены характерные черты механизма нарушения стабильного горения разряда в ячейке с полупроводниковым электродом. При этом показано, что имеются пределы по величине сопротивления полупроводникового электрода, обеспечивающие стабильность как со стороны малых, так и со.стороны больших сопротивлений полупроводникового электрода.

4. Установлено, что при малых значениях сопротивления полупро-ео;цшкового электрода доминирующим механизмом нарушения стабильности горения может являться образование в разрядном промежутке >бъемных зарядов, искажающих однородность электрического поля и характерных для перехода от темного таундсендовского разряда к тлеющему разряду.

5. При весьма высоких значениях сопротивлений полупроводникового электрода преобладающим механизмом срыва однородного и стабильного горения разряда является влияние ионизирующего действия разряда на проводимость полупроводника, приводящая, при достаточно высоких напряжениях, к установлению положительной обратной связи по току и возникновению отрицательного дифференциального сопротивления в материале полупроводниковог о электрода.

6. Путем прямых измерений в вакууме установлено, что прц узких разрядных зазорах в ионизационной системе реализуется протекание значительного по величине тока автоэлектронной эмиссии с поверхности полупроводника.

7. Установлена управляемость распределения плотности автоэмиссионного тока по поверхности путем модуляции проводимости полупро-водг ика освещением.

3. Протекание автоэлектронного тока в условиях ударной ионизации приводит к тазовому усилению и к повышению пространственной стабильности разряда - увеличению области стабилизации.

9. Рассмотрена в общем виде проблема получения картины распределения электрических неоднородностей в исследуемом объекте при дли-

нах воли используемого решстрирующего электромагнитного излучения, превышающих характерные размеры указанных неоднород-ностей. Показано, что осуществление такой регистрации возможно при контактном использовании преобразовательной среды, дающей выходное изображение в видимом оптическом диапазоне и с интенсивностью в каждой точке, определяемой проходящим более низкочастотным током. Такой средой, в частности, может быть плазма стабилизированного газового разряда.

10. Сконструированы и опробованы миниатюрные диэлектрические кюветы, обеспечивающие возможность исследования в электрической фотографии не только твердотельных, но и жидкостных объектов. Показано, что при электрическом фото1рафировании обеспечивается выделение контрастов по диэлектрической низкочастотной проницаемости и полной проводимости.

11. Экспериментально показана возможность различия пизкоомпых объектов - легированных полупроводников, металлов, вплоть до самых низкоомных.

Публикации

1. Ш.С. Касымов, Л.Г. Парицкий, О. Мухамадиев, 3. Хайдаров. Фотоэлектрические явления на контакте полупроводник - газовый разряд //11-я Всес. конф. Фотоэлектрические явления в полупроводниках. Ашхабад, 1991, октябрь. С. 84.

2. А.Н. Лодыгин, О. Мухамадиев, Л.Г. Парицкий, 3. Хайдаров. Фотоприемник ИК-изображения на основе Si<Pt> // II-я Всес. конф. Фотоэлектрические явления в полупроводниках. Ашхабад, 1991, октябрь. С. 316.

3. Л.Г. Парицкий, 3. Хайдаров, О. Мухамадиев, О. Дадабасв. Исследование пространственной стабилизации тока в системе нолупроводгик -газовый разряд // ФТП. 1993. Т. 27, вып. 11/12. С. 2009-2016.

Цитируемая литература.

1. Парицкнн Л. Г. Полупроводниковые фотографические процессы. -в кн.: Нессребрянные фотографические процессы. - Л. "Химия" Г>84, -с. 102 -130.

2. Ю.11, Райзер. Физика газового разряда. М. (1987).

3. R.N. Fowler, 1..W. Nordheiin. Procs, Roy. Soc. A 119,175 (192R).

4. L.W. Nordhciin. Procs. Roy. Soc. A 181,626 (1928).