Преобразование поверхностных распределений заряда и потенциала методом электростатической индукции тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.02 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

Глава I. НАВЕДЕНИЕ ЗАРЯДОВ И ТОКОВ ПОВЕРХНОСТНЫМИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯМИ ЗАРЯДА И ПОТЕНЦИАЛА В СИСТЕМЕ ПРОВОДНИКОВ ПРОИЗВОЛЬНОЙ КОНФИГУРАЦИИ I.I. Постановка задачи

1.2. Вывод основных соотношений

1.3. Токи, наведенные в проводниках поверхностным распределением заряда.

1.4. Токи, наведенные в проводниках поверхностным распределением потенциала

1.5. Основные результаты

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ 30НД0ВЫХ СИСТЕМ

2.1. Зондирующее поле. Аппаратные функции зондовых систем

2.1.1. Зондирующее поле системы для измерения поверхностных зарядов. Аппаратные функции

2.1.2. Зондирующее поле системы для измерения поверхностного потенциала. Аппаратные функции

2.2. Коэффициенты передачи измерительных систем.

2.2.1. Коэффициенты передачи линейных . измерительных систем.

2.2.2. Коэффициенты пространственного преобразования по заряду и потенциалу.

2.2.3. Коэффициенты передачи параметрических линейных измерительных систем.

2.3. Основные результаты.

Глава 3. РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ

30НД0ВЫХ СИСТЕМ.

3.1. Разрешающая способность в режиме большого сигнала

3.2. Исследование влияния поверхностных неровностей носителя на разрешающую способность в режиме малого сигнала.

З.2.Х. Разрешающая способность линейной зондо-вой системы для измерения заряда с учётом влияния случайных микронеровностей поверхности носителя

3.2.2. Разрешающая способность линейной зон-довой системы для измерения потенциала с учётом влияния случайных микронеровностей поверхности носителя.

3.3. Основные результаты.

Глава 4. ОПТИМИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ 30НД0ВЫХ

СИСТЕМ С ПОМОЩЬЮ КОРРЕКЦИИ.

4.Х. Компенсационный метод измерения.

4.2. Синтез электростатической зондовой системы с заданным коэффициентом передачи.

4.3. Восстановление поверхностного распределения заряда (потенциала) по отклику измерительной системы

4.4. Основные результаты.

Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ ЗАРЯДА И ПОТЕНЦИАЛА В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СИГНАЛ

5.1. Исследование поверхностных распределений заряда на диэлектрических слоях .^

5.1.1. Методика измерения поверхностного заряда.

5.1.2. Обсуждение результатов экспериментального исследования

5.2. Исследование поверхностных распределений заряда на плоских фотополупроводниковых слоях

5.2.1. Методика измерения поверхностного заряда.

5.2.2. Обсуждение результатов эксперимента

5.3. Исследование поверхностных распределений потенциала.

5.4. Определение метрологических параметров зондовых систем с помощью электростатических моделей

5.5. Основные результаты.

С развитием физики полупроводников и диэлектриков, микроэлектроники, электрографии, электростатической записи и т.п. важное значение приобретают задачи, связанные с определением поверхностных распределений заряда и потенциала.

Так, с необходимостью определения распределения заряда и его изменения во времени сталкиваются при исследовании электризации и релаксации зарядов в полупроводниковых и диэлектрических материалах, в частности, электретных [1,2] . Последние находят широкое применение в преобразователях (микрофоны, телефоны и т.д.), характеристики которых в значительной мере зависят от свойств электретных материалов.

В электрографии качество скрытого электростатического изображения зависит от свойств высокоомного полупроводникового слоя, способа его зарядки, качества экспонирования оптической системой и количественно характеризуется электрическими и фотоэлектрическими параметрами электрофотографического слоя: предельным и остаточным потенциалом, интегральной и спектральной фоточувствительностью, разрешающей способностью и др. Определение этих характеристик заключается в измерении распределения поверхностного заряда и его изменения во времени в темноте и при освещении [3-5] .

Электростатический индукционный метод измерения поверхностных зарядов и потенциалов, в основе которого лежит явление электростатической индукции, известен давно [l-2l]. От других методов измерения заряда, например, оптических и электронных

4,5], этот метод выгодно отличается тем, что он является бесконтактным неразрушающим. Суть его заключается в следующем. Носитель зарядного или потенциального рельефа помещается в систему электродов. При относительном перемещении носителя исследуемого рельефа и системы в ней наводятся заряды и токи, по величине которых судят о распределении заряда или потенциала по поверхности носителя.

В литературе описаны различные модификации индукционного электростатического метода, причём большая часть работ посвящена техническим вопросам: предлагаются конструкции зондовых датчиков, устройств их сканирования относительно носителя исследуемого распределения и т.п. В то же время мало внимания уделяется теоретическим вопросам, связанным с выяснением принципиальных возможностей метода, границ его применения,перспектив дальнейшего развития.

В основном электростатический индукционный метод применяется для исследования в лабораторных условиях. Тенденция к микроминиатюризации объектов исследования, а также расширение области применения этого метода, внедрение его в промышленность требуют наряду с созданием измерительных систем с улучшенными метрологическими характеристиками (высокой чувствительностью, большой разрешающей способностью) автоматизации процесса измерения и обработки результатов измерения, создания автоматизированных вычислительных комплексов.

В немногочисленных теоретических работах зондовая система, предназначенная для измерения пространственно распределённого воздействия, традиционно рассматривается как система с сосредоточенными параметрами [3,4,13]. В частности, зазор между электродами зондовой системы и поверхностью носителя представляется в виде сосредоточенной ёмкости, например, плоского конденсатора [13 J . При таком подходе оказывается невозможным получить соотношения, связывающие распределённое воздействие, в роли которого выступает либо зарядный, либо потенциальный рельеф, с откликом измерительной системы, а, значит, определить метрологические свойства системы: аппаратную функцию, коэффициенты передачи, отношение сигнал/шум, предельно достижимую разрешающую способность.

Ответы на вопросы, поставленные практикой, может дать законченная теория электростатического индукционного метода, разработка которой является важной и актуальной задачей в настоящее время.

Принципиальные возможности открывает полевой подход, в рамках которого электростатическая зондовая система рассматривается как система с распределёнными параметрами [22]. При этом становится возможным провести анализ взаимодействия зондовой системы с поверхностным распределением заряда или потенциала, применяя математический аппарат теоретической физики (методы теории поля, спектрального анализа, теории случайных функций и полей, решения некорректных задач [28,29,33,34,38,39] ), и построить математически достаточно строгую и физически наглядную теорию электростатического индукционного способа преобразования поверхностных распределений заряда и потенциала в электрический сигнал.

Целью настоящей работы являлось построение на основе полевого подхода теории преобразования поверхностных распределений заряда и потенциала методом электростатической индукции в электрический сигнал, теоретическое исследование метрологических свойств электростатических зондовых систем, определение предельно достижимых значений метрологических параметров.

Выполнение поставленных задач осуществлялось по следующим направлениям:

- теоретическое исследование электростатического индукционного метода преобразования поверхностных распределений заряда и потенциала в электрический сигнал, установление закономерностей и выяснение особенностей преобразования;

- теоретическое исследование метрологических свойств электростатических измерительных систем как линейных, так и линейных параметрических: аппаратных функций, коэффициентов передачи, отношения сигнал/шум, разрешающей способности; определение предельно достижимой разрешающей способности с учётом влияния случайных микронеровностей поверхности носителя зарядного или потенциального рельефа;

- экспериментальное исследование закономерностей преобразования поверхностных распределений заряда и потенциала электростатическим индукционным методом в электрический сигнал;

- применение полученных теоретических и экспериментальных результатов при оптимизации измерительных электростатических систем, при разработке экспериментальной установки для измерения распределения поверхностного заряда на диэлектрических и высокоомных полупроводниковых слоях.

Полученные в ходе выполнения работы результаты подтверждают актуальность выбранной темы и указывают на возможность их практического применения при разработке и создании автоматизированных вычислительных комплексов, предназначенных для решения задач физики и техники, связанных с измерением распределений заряда и потенциала.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Соотношения, связывающие заряды и токи, наведенные в измерительной электростатической системе, и поверхностные распределения заряда и потенциала с учётом геометрических и физических параметров зондовой системы и параметров измерительной цепи. Из соотношений следует, что основной характеристикой системы, определяющей её метрологические свойства (аппаратную функцию, коэффициент передачи, разрешающую способность) является функция, называемая относительным потенциалом. Она удовлетворяет уравнению Лапласа в неоднородной диэлектрической среде с граничными условиями +1 на измерительном электроде и 0 на всех остальных электродах системы.

2. Коэффициент пространственного преобразования (КПП) по заряду удовлетворяет обыкновенному дифференциальному уравнению с постоянными коэффициентами, а коэффициент пространственного преобразования по потенциалу равен нормальной производной от КПП по заряду, причём коэффициенты передачи линейных и параметрических измерительных систем определяются через КПП и полное сопротивление измерительной цепи.

3. Чувствительность зондовых систем резко падает с ростом диэлектрической проницаемости носителя, а приведенные контрастно-частотные характеристики (КЧХ) слабо зависят от диэлектрической проницаемости. При фиксированном расстоянии между зондом и носителем с уменьшением поперечного сечения измерительного электрода разрешающая способность зондовой системы остаётся ограниченной.

- 10

4. Случайные микронеровности поверхности носителя являются источником собственного шума зондовой системы, который ограничивает предельно достижимую разрешающую способность измерительной системы. Существует зона оптимальных расстояний между зондом и исследуемой поверхностью и оптимальный минимальный поперечный размер измерительного электрода, для которых отношение сигнал/шум в полосе пропускания и разрешающая способность наилучшие.

5. Точность измерения поверхностных распределений заряда и потенциала повышается: а) при интегрировании отклика измерительной системы с весовой корректирующей функцией, которая определяется из условия, налагаемого на коэффициент передачи измерительной системы, например, условия постоянства коэффициента передачи в определённой полосе частот; б) при восстановлении исследуемого распределения по отклику измерительной системы путём решения уравнения Фредгольма первого рода, ядром которого является аппаратная функция системы.

Данная диссертационная работа является составной частью научно-исследовательских работ, проводимых в Саратовском госуниверситете и НИИ механики и физики при СГУ в соответствии с комплексной целевой программой Минвуза РСФСР "Датчики" на 1981-85 гг. по разделу 5.2.II. "Разработка методов и средств определения параметров электрографических слоёв", координационным планом НИР вузов Минвуза СССР на 1981-85 гг. по проблеме "Фотографические процессы регистрации информации" по разделу 6.02. "Информационные свойства регистрирующих сред.Разработка электростатического метода и средств дефектоскопии и определения параметров электрографических слоёв", координационным планом НИР АН СССР на 1981-85 гг. по направлению "Фотографические процессы регистрации информации" по разделу 2.5.6.2. "Разработка методов и средств для определения параметров электрографических слоев", программой ГКНТ СМ СССР на 1981-85 гг. по проблеме 0.80.20. "Создать и освоить в производстве комплексы новых средств репрографической техники" по разделу 07.06. "Провести НИР и разработать методику расчёта и измерения информационных характеристик систем микрофильмирования".

Основные результаты диссертации опубликованы в работах: [23,24,27,31,32,37,40-42,45-47] .

- 189

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Губкин А.Н. Электреты. - М.:Изд.АН СССР,1961. - 120 е., ил.

2. Электреты /Под ред.Г.Сесслера. Пер.с англ. А.Ю.Гросберга Ю.К.Джикаева. Под ред.А.Н.Губкина. М.: Мир,1983. -487 е., ил.

3. Шафферт Р. Электрография. Пер с англ. Под ред.В.М.Фридкина,

4. A.Б.Дравина. М.: Мир, 1968. - 448 е., ил.

5. Гайдялис В.И., Маркевич Н.Н., Монтримас Э.А. Физические процессы в электрофотографических слоях 2/i0. Вильнюс: Минтис, 1968. - 368 е., ил.

6. Гренишин С.Г. Электрофотографический процесс. М.: Наука, 1970. - 376 е., ил.

7. Имянитов М.М. Приборы и методы для изучения электричества атмосферы. М.: Гостехиздат, 1957. - 483 е., ил.

8. Процессы и аппараты электрографии /Тазенков Б.А., Бойцов

9. B.Г., Сандалов Г.Н., Шнейдман И.Б. Л.: Машиностроение, 1972. - 280 е., ил.

10. Измерение микрораспределения потенциала зарядки в электрофотографии /Добровольские "А., Петретис Б., Сакалаускас С., Карпавичюс В. Лит.физ.сб., 1975, т.15, №5, с.811-817.

11. Сакалаускас С.Ю., Добровольскис А.Т. Измеритель распределения поверхностного электрического потенциала. ПТЭ, 1978, №6, с.165-168.

12. Ьсги Hon B.t Btott В. И. у. Phys. Е. Sci. /973, v. 6} У 5, p. 47Z-474.

13. Bui* ft., Wdyner H. -Oppe.Ptys., 77, v. /3 t jfit p. 37-42.

14. Реймеров Л.И., Тазенков Б.А. Особенности измерения потенциала поверхности электретов. В кн.: ХХУ1 Герценовские чтения. Сер.Физическая и полупроводниковая электроника, ч.2. - Л.: Изд.ЛГПИ им.А.И.Герцена, 1973, с.180-183

15. Курилов В.А. К вопросу контроля электрических полей технологических сред методами зондовой электрометрии. В кн.: Электронная техника. Сер. Технология и организация производства, 1970, вып.6(38), с.32-42.

16. Антонов А. 0 применимости метода Зисмана при измерении поля электретов. Докл.Болг.АН., 1964, 17, №4, с.381-384.

17. Седин В.А., Яровой Г.П. Измерение поверхностного заряда и потенциала электретов при помощи электрометра с высоким входным сопротивлением. Измерительная техника,1971, №3, с. 54-56.

18. Бойцов В.Г., Сандалов Г.Н., Тазенков Б.А. Измерение потенциального рельефа на электрографических слоях.

19. В кн.: ХХШ Герценовские чтения. Сер.Физическая и полупроводниковая электроника. Л.: Изд.ЛГПИ им.А.И.Герцена,1970,с.83-85.

20. Бойцов В.Г., Скугарев А.С., Тазенков Б.А. Исследование распределения плотности зарядов по поверхности электретов.

21. В кн.: ХХУ1 Герценовские чтения. Сер.Физическая и полупроводниковая электроника. 4.2 JI.: Изд.ЛГПИ им.А.И.Герцена, 1973, с.107-109.

22. Тихонов Б.И. Измерение электрических потенциалов селеновых электрографических слоёв. В кн.: Электрофотография и магнитография. - Вильнюс: Республ.ИНТиП, 1959, с.161-169.

23. Нейман С.М. Безвакуумный электрический метод считывания скрытых электростатических изображений. В кн.: Электрофотография и магнитография. - Вильнюс: Минтис, 1972, с.299-304.

24. Герштейн Г.М. Моделирование полей методом электростатической индукции. М.: Наука, 1970. - 316 е., ил.

25. Матвеева И.А., Пронин В.П., Шехтман JI.A. К теории измерения поверхностных зарядов методом электростатической индукции.-ЖТФ, 1977, т.47, №7, сЛ389-1395.

26. Гриценко В.А., Матвеева И.А., Преобразование поверхностных распределений заряда и потенциала методом электростатической индукции. В кн.: Вопросы электроники СВЧ. Некоторые проблемы радиофизики. Саратов,1983, с.16-24.

27. Смирнов В.И. Курс высшей математики. М.: Наука, 1974, т.2. - 656 с., ил.

28. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1974. - 831 е., ил.

29. Матвеева И.А. Метрологические свойства зондовых систем- 192 для измерения поверхностных зарядов. Радиотехника и электроника, 1982, т.27, 4, с.804-812.

30. Морс Ш.М., Фешбах Г. Методы теоретической физики. М.: ИЛ., I960, т.2. - 896 е., ил.

31. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Сов.радио, 1977. - 607 е., ил.

32. Гуревич С.Б. Теория и расчёт невещательных систем телевидения. Л.: Энергия, 1970. - 236 е., ил.

33. Матвеева И.А. Разрешающая способность зондовых систем для измерения микрораспределений поверхностного заряда.

34. В кн.: Опыт создания, эксплуатации и пути повышения качества электрофотографических копировальных аппаратов и материалов:.Тез.докл., Вильнюс, 1982, с.115-118.

35. Грищенко В.Л., Матвеева И.А. Контрастно-частотные характеристики оптоэлектрических систем с индукционным преобразованием. Автометрия, 1983, №5, с.76-81.

36. Свешников А.А. Прикладные методы теории случайных функций.-М.: Наука, 1968. 464 е., ил.

37. Ахманов С.А., Дьяков Ю.Е., Чиркин А.С. Введение в статистическую радиофизику и оптику. М.: Наука, 1981. - 640 е.,ил.

38. Краус М., Вошни Э. Измерительные информационные системы. Пер. с нем. Е.А.Чалого, В.И.Язовцева. Под ред.Я.В.Малкова.-М.: Мир, 1975. 310 е., ил.

39. А.С.524143 (СССР). Сакалаускас С.Ю. Устройство для измерения распределения электрического потенциала. Заявл.28.04.75(21) 2134035/21. Бюлл.изобрет.СССР, 1976, .Г£9, с.

40. А.С. 617867 (СССР) Кяепов А.П., Матвеева И.А., Пронин В.П. Устройство для измерения гармонических составляющих заряд- 193 ного рельефа. Заявл.02.07.76 H2I)2379118/18-09.-Бюлл.из обрет.СССР, 1978, №28, с.

41. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. М.: Наука, 1974, 224 е., ил.

42. Верлань А.Ф., Сизиков B.C. Методы решения интегральных уравнений с программами для ЭВМ. Киев: Наукова думка, 1978, 292 е., ил.

43. Грищенко B.JI., Матвеева И.А. Восстановление поверхностных распределений заряда и потенциала по отклику измерительной системы. В кн.: Методы и средства решения краевых задач: Тез.докл., М.-Казань, 1984, с.39-40.

44. Андреев О.П. К анализу переходных процессов и эффективности зарядного изображения при зондовом электрометрическом считывании с однослойного накопителя. Техника средств связи. Серия ТТ, 1977, вып.1(5), с.84-95.

45. Рейнберг Г.М. Электростатическая запись. М.: Энергия, 1974. - 208 е., ил.

46. Прибор для экспрессного измерения распределения плотности поверхностного заряда/ Арсентьев Ю.Д., Грищенко B.J1., Гон- 194 чаренко В.В., Матвеева И.А., Науменко, JI.M., Пронин В.П.-№29-82 НТД, Саратов,1982.

47. Грищенко B.JI., Матвеева И.А. Расчёт передаточных характеристик зондовых систем. В кн.: Эффективность машинных решений краевых задач: Тез.докл., М.-Куйбышев, 1982, с.27.

48. Грищенко B.JI., А4атвеева И.А., Пронин В.П. Определение метрологических характеристик зондов для измерения заряда и потенциала. В кн.: Эффективность машинных решений краевых задач: Тез.докл., М.-Куйбышев, 1982, с.26-27.