книги из ГПНТБ / Горбачев В.И. Ксерорадиографический метод дефектоскопии

3.4. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КСЕРОРАДИОГРАФИЧЕСКИХ ПЛАСТИК

Большой практический и теоретический интерес представ­ ляет установление связи между технологическим режимом из­ готовления ксерорадиографическнх пластин, их электрофизи­ ческими свойствами и спектральными характеристиками, что позволит в конечном счете получать селеновые покрытия с заданными параметрами.

Электрофизические свойства. Обращает на себя внимание известный факт, что ксерораднографические пластины имеют разную скорость разрядки селеновых слоев для положитель­ ного и отрицательного потенциалов; причем в зависимости от температуры подложки, при которой производилось напыле­ ние селена, время темпового полуспада потенциала может изменяться в широких пределах. Зависимость характеристик ксерорадиографическнх пластин от полярности заряда сви­ детельствует о выпрямляющих свойствах фотополупроводни­ ковых покрытий. По современным представлениям выпрям­ ляющий эффект неизбежно связан с наличием запорных сло­ ев, которые возникают на границе раздела металл — полу­ проводник, а также при контакте полупроводников с различ­ ной концентрацией носителей тока.

Рассмотрим процессы, происходящие при контакте селена с металлической подложкой. Известно, что селен, используе­ мый в ксерорадиографическнх пластинах, относится к полу­ проводникам р-типа. Вследствие того, что работа выхода электронов из металла подложки обычно меньше, чем из се­ лена, при контакте возникает результирующий поток электро­ нов из подложки в селен. Поэтому в контактном слое металл заряжается положительно, а селен — отрицательно. В резуль­ тате образуется контактная разность потенциалов, препятст­ вующая дальнейшему переходу электронов из металла в се­ лей. В контактном слое селена происходит нейтрализациядырок электронами и возникает обедненный носителями тока запорный слой, имеющий большое сопротивление. Если на контакт подать электрическое поле такой полярности, что вы­ сота потенциального барьера между селеном и металлом по­ низится, то глубина запорного слоя и соответственно сопро­ тивление контакта значительно уменьшатся. В этом случае контакт включен в пропускном направлении. При обратной полярности электрического поля высота потенциального барь­ ера увеличится, что приведет к увеличению глубины запор­

ного слоя и	возрастанию общего сопротивления	контакта..
В последнем	случае контакт включен в запорном	направ­
лении.

Контакт селена с алюминиевой подложкой включен в за ­ порном направлении, если подать отрицательный потенциал

60

со стороны селена. Следовательно, в идеальном случае ксерорадиографические пластины с селеновым фотополупровод­ никовым слоем должны предпочтительно удерживать отрица­ тельный потенциал. Реальные ксерорадиографические пла­ стины в зависимости от технологии их изготовления удер­ живают как положительный, так и отрицательный потен­ циалы.

Все ксерорадиографические пластины по темновым харак­ теристикам можно условно разделить на три класса.

I	класс — пластины, изготовленные при		низкой темпера­
туре	подложки ( < 2 0 ° С ) . Пластины этого	класса обычно хо­
рошо	удерживают отрицательный заряд	и	плохо — положи­

тельный.

I I класс — пластины, изготовленные при средней темпера­ туре подложки ( ~ 4 0 ° С ) . Пластины этого класса заряжаются как положительно, так и отрицательно.

I I I класс — пластины, изготовленные при высокой темпе­ ратуре подложки ( > 6 0 ° С ) . Пластины этого класса хорошо удерживают положительный заряд и плохо — отрицательный.

Для объяснения свойств рассмотренных ксерорадиографи­ ческих пластин наряду с характеристиками запорного слоя на контакте селена с металлом были изучены электрические па­ раметры запорного слоя, возникающего при контакте селена

.с малым и большим содержанием примесей.

Слой селена с относительно большим содержанием при­ месей образуется в непосредственной близости от подложки ксерорадиографической пластины в результате диффузии в селен молекул воздуха, адсорбированных на поверхности подложки. Возможность образования такого слоя подтвер­ ждается результатами металлографического и рентгеноструктурного анализа. Селеновый слой с малым содержанием при­ месей образуется на большем расстоянии от подложки.

Легирование селена кислородом уменьшает на несколько порядков удельное сопротивление селена, так как кислород является для селена акцепторной примесью. Таким образом, образуется контакт полупроводников с разной концентра­ цией носителей тока. Для выяснения полярности образующе­ гося запорного слоя был поставлен специальный экспе­ римент.

В вакууме 2 • 10~5 мм рт. ст. на алюминиевую подложку, тем­ пература которой составляла 60° С, напыляли селеновый слой толщиной 78 мкм, затем процесс напыления прекращали и пластину охлаждали в вакууме. На следующий день в каме­ ру напускали воздух, в тигель добавляли кусочки селена и камеру откачивали до прежнего вакуума. Технология напы­

ления	следующего	слоя	селена до	суммарной	толщины
208 мкм оставалась		такой	же, как и накануне. По условиям
• опыта	поверхность	селена	на расстоянии	78 мкм от	подложки

61

обогащалась	примесями			в результате		взаимодействия					адсор­
бированных	молекул		воздуха		с селеном,		напыленным				на эту
поверхность.
Выпрямляющие свойства					контакта	селен		без примесей —
селен с примесью		газов,		входящих в состав				воздуха,			изучали
					с помощью		построения				кривых
					темпового		спада		потенциалов
					обоих	знаков		при		различной
1800					толщине селенового					слоя плас­
1600	С'=208				тины.	Результаты				исследова­
	.206				ний приведены на рис. 3.8. Тол­
1400	-200				щину	селенового			слоя умень­
				\	шали при помощи мелкой'наж-
1200					V,6
1000		156'			1400			.. I
								i'208 мкм
800	^.70				1200			-200
600	-52				1000			-156
	-6
400					800			— — *
200	?	_i\	25t,MUH		600		10	15	20		251, мин I
10 15		20
	а							5

Рис. 3.8. Кривые темнового спада потенциала ксерорадиографическол пластины при положительном (о) и отрицательном (б) потенциале и различной толщине селенового слоя.

дачной шкурки и последующей полировки. После снятия контактного слоя на расстоянии 78 мкм от подложки ксерорадиографическая пластина перестала заряжаться отрица­ тельно. Ход кривых тем­ пового спада для поло­ жительного потенциалаизменялся с уменьшени­ ем толщины селенового слоя по прежнему зако­

ну.

Рис.	3.9. Схема			ксерорадиографиче-
	ской		пластины:
/ — металлическая				подложка; 2 — контакт
селен — металл;		3 — селен			с примесью		га­
зов,	входящих	в	состав		воздуха;	4 —	кон­
такт	беспримесный			селен — селен		с	при­
месью газов, входящих в состав						воздуха;
5 — беспримесный				селен;	6 — внешняя		по­
			верхность.

На основании этого результата сделан вы­ вод, что контакт селена без примесей с селеном, имеющим примеси газов, входящих в состав воз­ духа, обладает выпрям­ ляющими свойствами. За­ порный слой в этом кон-

такте возникает при подаче отрицательного потенциала состороны селена, обогащенного примесями.

На основании экспериментальных исследований и в соот­

ветствии с	выводами	диффузионной теории	выпрямления
предлагается	схема	ксерорадиографической	пластины
(рис. 3.9).

Согласно этой схеме общее сопротивление фоточувствнтельиого слоя слагается из следующих величин: сопротивле­ ния контакта селен — металл; сопротивления контакта бес­ примесный селен — селен с примесью газов, входящих в состав воздуха; сопротивления толщи селена и сопротивления внешней поверхности селенового покрытия. Основной вклад в общее сопротивление полупроводникового слоя вносят сопро­ тивления на контакте селена с металлом и беспримесного се­ лена с селеном, обогащенным примесями газов, входящих в состав воздуха. В зависимости от соотношения значений этих сопротивлений ксерорадиографические пластины относятся к I , I I или I I I классу.

Пластины I класса, изготовленные при низкой температу­ ре подложки, заряжаются в основном отрицательно. По пред­ лагаемой схеме основной вклад в сопротивление фоточувст­ вительного слоя вносит сопротивление на контакте селена с металлической подложкой, запорный слой в котором обра­ зуется при подаче на селен отрицательного потенциала. Кон­ такт беспримесного селена с селеном, имеющим примеси га­ зов, входящих в состав воздуха, в пластинах I класса не воз­ никает, так как при низкой температуре подложки диффузия адсорбированных подложкой молекул воздуха мала и не про­ исходит насыщения селена кислородом.

Пластины I I I класса, изготовленные при высокой темпера­ туре подложки, заряжаются в основном положительно. В фо­ точувствительном слое таких пластин имеются контакты двух типов: контакт селена с металлом и контакт беспримесного селена с селеном, имеющим примеси входящих в состав воз­ духа" газов, который возникает в результате диффузии моле­ кул воздуха, адсорбированных поверхностью подложки в толщу селенового слоя при высокой температуре подложки.

В данном случае значение общего сопротивления опреде­ ляется сопротивлением контакта 4, запорный слой в котором образуется при подаче на ксерорадиографическую пластину положительного потенциала. Отрицательный потенциал плас­ тины этого класса удерживают плохо, так как сопротивление запорного слоя контакта 2 в пластинах I I I класса значитель­ но меньше, чем в пластинах I класса. С позиций зонной тео­ рии это объясняется тем, что концентрация дырок в селене,, прилегающем к подложке, в случае пластин I I I класса су­ щественно больше, чем в пластинах I класса.

63..

Таким образом, основной вклад в сопротивление фоточув- ствителы-юго слоя в пластинах I I I класса вносит сопротивле­ ние запорного слоя на контакте беспримесного селена и селе­

на, имеющего	примеси	входящих	в состав воздуха		газов.
.Этим и объясняется тот		факт, что	пластины	I I I класса	преи­
мущественно заряжаются положительно.
Пластины	I I класса,	изготовленные при		средней темпера­

туре подложки, заряжаются как положительно, так и отри­ цательно. Это можно объяснить тем, что сопротивления запорных слоев в контактах 2 и 4 соизмеримы. При подаче на пластину отрицательного потенциала основную роль игра­ ет запорное сопротивление контакта 2, положительного — за­ порное сопротивление контакта 4.

Выше были рассмотрены только основные запорные слои, определяющие качественные характеристики ксерорадиогра­ фических пластин. Однако в ряде случаев необходимо учи­ тывать также сопротивление толщи селена и запорный слой на -внешней поверхности селенового покрытия. Образование запорного слоя на внешней поверхности селенового покрытия происходит вследствие отталкивания электрическим полем одноименных по знаку носителей тока и уменьшения их кон­ центрации в поверхностном слое.

Предложенная схема ксерорадиографической пластины не претендует на завершенность и требует для своего уточнения дополнительных экспериментов в атмосфере чистых газов и высоком вакууме.

Из проведенного анализа следует, что сопротивление се­ ленового слоя ксерорадиографической пластины является' сложной функцией его толщины, характеристик запорных слоев, полярности и напряженности электрического поля. Поэ­ тому удельное сопротивление селена нельзя подсчитать, представляя разряд фоточувствнтельного слоя как разряд конденсатора через линейное сопротивление. Расчетные дан­ ные, полученные таким образом, дают уоредненные значения

• сопротивлений запорных слоев и толщи селена.

Нелинейность сопротивления селеновых фотополупроводииковых слоев подтверждается также ходом зависимости на­ турального логарифма потенциала ксерорадиографической пластины от времени (см. рис. 2.8). Анализ этой зависимости свидетельствует об уменьшении общего сопротивления фото­ полупроводникового слоя при увеличении напряженности электрического поля.

С позиций предложенной схемы интересно объяснить эк­ спериментальные кривые темпового спада потенциала, со вре­ менем при различной температуре окружающей среды.

Исследования проводились на пластине, изготовленной при температуре подложки 60° С. Она относится к I I I классу и заряжается только положительно. Потенциал измерялся ди-

•:64

намическим электрометром в термостате при температуре от 7,5 до 42° С. Колебания температуры в процессе эксперимента не превышали ±0,3° С.

Результаты исследований приведены на рис. 3.10. С увели­ чением температуры скорость разряда ксерорадиографической пластины возрастает. Бели при 7,5° С время полуспада по­ тенциала составляет несколько часов, то при 42° С — 7 мин.

Рис. 3.10. Кривые темнового спада потенциала ксерора­ диографической пластины при различной температуре.

Увеличение скорости темнового спада потенциала при рос­ те температуры, вероятно, вызвано значительным уменьше­ нием сопротивления контакта селен с примесями кислорода —• беспримесный селен. Этот эффект наиболее сильно прояв­ ляется при больших напряженностях электрического поля. С уменьшением напряженности электрического поля сопро­ тивление контакта увеличивается и скорость темнового спада уменьшается. Этим и обьясняется сближение кривых, соот­ ветствующих температурам 32, 36, 42° С при увеличении вре­ мени разряда ксерорадиографической пластины (см. рис. 3.10).

Спектральные характеристики. Одним из важнейших па­ раметров ксерораднографнческих пластин, который определя­ ет их дефектоскопические свойства является спектральная чувствительность к рентгеновскому и у-излучению. Критерием чувствительности согласно методике, предложенной в работе [68], служит время полуспада потенциала селенового слоя в заданных условиях облучения.

5 Заказ 2542

65

Для определения спектральной чувствительности ксерора­ днографическая пластина сначала заряжается до начального потенциала, величина которого поддерживается постоянной во всех экспериментах (600 в), затем облучается рентгенов­ скими лучами определенной мощности дозы в течение раз­ личных промежутков времени, после чего производится замер остаточного потенциала. По результатам измерений строится график изменения потенциала селенового слоя со временем

^ЧвОкв

^ Х Х « о 60

120^ <00

0

20

40

60

t,cei<

Рис. 3.11. Кривые изменения потенциала ксерораднографической пластины в условиях рентгеновского об­ лучения (мощность дозы 0,05 р/мин; напряжение на рентгеновской трубке 60—180 кв; толщина селенового слоя 250 мкм).

(рис. 3.11). По этому графику определяют время, в течение которого потенциал ксерорадиографической пластины умень­ шается в два раза (до 300 в). Мощность дозы рентгеновско­ го излучения во всех случаях поддерживается постоянной. Расчет чувствительности производится по формуле

			S - \ / P t ,	(3.5)
где 5 — чувствительность			ксерорадиографической пластины,
\/р;	Р — мощность	дозы	рентгеновского	или у-излучения,
р/мин;	t — время	полуспада потенциала		в условиях облу­

чения, мин.

66

Используя формулу (3.5) и определяя время полуопада потенциала из графика (см. рис. 3.11), можно построить за­ висимость чувствительности ксерорадиографической пласти­ ны от жесткости рентгеновского излучения. На рис. 3.12 при­ ведены соответствующие кривые для ксерорадиографических пластин с различной толщиной селенового покрытия. Жест-

S,1/p

		d=250M><М
40		У
		'200
		^100
30
		^20
20
10
2Lu	140	180	220
6080 100	140 160	180	U, Кб

Рис. 3.12. Зависимость чувствительности ксерорадиогра­ фической пластины от жесткости излучения при различ­ ной толщине селенового слоя.

кость рентгеновского излучения характеризовалась эффектив­ ной энергией квантов £Э фф. Для удобства работы на графике (см. рис. 3.12) по оси абсцисс наряду с эффективной энергией рентгеновского излучения отложена также величина соответ­ ствующего напряжения на рентгеновской трубке U (кв). Мо­ нохроматичность рентгеновского излучения h определялась из соотношения h = d2/du где d\ — первый и d2— второй слои по­ ловинного ослабления излучения в медном фильтре. Во всех экспериментах монохроматичность не выходила за пределы 1,25—1,4. Режимы работы рентгеновских аппаратов и приме­ няемые фильтры в основном соответствовали ГОСТ 12519—67 и ГОСТ 12590—67. Наряду с чувствительностью к рентгенов­ скому излучению исследовалась также чувствительность ксе­

рорадиографических пластин	к уизлучению	радиоактивного
изотопа 75Se, энергия у-квантов	которого в основном находит­
ся в диапазоне 265—280 кэв.
Из анализа полученной зависимости следует, что чувстви­
тельность ксерорадиографических пластин		с увеличением

5*

67

жесткости рентгеновского излучения сначала быстро растет, достигает максимума, а затем медленно уменьшается. По со­ временным представлениям чувствительность ксерорадиографических пластин в значительной степени определяется энерги­ ей рентгеновских квантов, поглощенной в селеновом слое. Это соответствует результатам, приведеным на рис. 3.13, из ко­

торых следует, что с увеличением толщины селенового слоя чувствительность ксерораднографнческих пластин повышает­ ся для всех исследованных энергий рентгеновского и у-излу- чения.

В работе [69] показано, что в некоторых случаях зависи­ мость чувствительности ксерораднографнческих пластин от толщины селенового слоя удовлетворительно описывается формулой

5 = S 0 [ 1 - ехр( — a d ) ],

(3.6)

где So — коэффициент пропорциональности; а — коэффициент истинного поглощения для селена; d— толщина селенового слоя.

В работе [70] приведены результаты исследования чувстви­ тельности ксерорадиографических пластин при облучении •у-квангами различных энергий. Селеновые слои ксерорадиогра­ фических пластин наносили методом термического испарения в вакууме Ю - 4 мм рт. ст. при температуре подложки 60° С. Источниками у-пзлучения служили изотопы 1 3 7 Cs, ! 9 2 1г и l 7 0 Tm.

Показано, что с увеличением толщины селенового слоя для

68

всех исследованных энергий у-квантов чувствительность сна* чала растет приблизительно по линейному закону, затем до­ стигает максимума и в дальнейшем практически не изме­ няется. Такую зависимость автор объясняет результатом взаимного наложения двух эффектов, действующих в противо­ положных направлениях. С увеличением толщины селенового слоя чувствительность ксерорадиографической пластины рас­ тет до определенного предела за счет увеличения поглощен­ ной энергии у-кваитов. При дальнейшем увеличении толщины селенового слоя, когда она превышает длину дрейфа носите­ лей тока, образованных в результате поглощения у-квантов, чувствительность ксерорадиографических пластин уменьшает­ ся из-за увеличения времени пролета носителей. Длина дрей­ фа носителей тока уменьшается с увеличением толщины се­ ленового слоя вследствие уменьшения напряженности элект­ рического поля, которая при постоянном начальном потенциале обратно пропорциональна толщине диэлектрика.

Для повышения чувствительности ксерорадиографических пластин необходимо увеличить долю энергии проникающего излучения, поглощаемого селеном". Это может быть достигну­ то с помощью свинцовых усиливающих экранов, на которые в вакууме напыляется селеновый слой. Под действием излу­ чения из свинца выбиваются фото- и комптоновские электро­ ны, которым полностью или частично передается энергия у-квантов. Образовавшиеся электроны легко поглощаются в селеновом слое, увеличивая его чувствительность. Если про­ никающее излучение, попадая на ксерорадиографическую пластину, проходит сначала через свинцовый экран, а затем через селеновый слой, то свинцовый экран называется перед­ ним, при обратной последовательности прохождения излуче­ ния свинцовый экран называется задним.

Толщина переднего экрана не должна превышать длины пробега фотоили комптоновских электронов в свинце. Мак­ симальная толщина заднего свинцового экрана строго не регламентирована. Применение свинцовых усиливающих эк­ ранов позволяет повысить четкость и контрастность ксерора­ диографических изображений за счет фильтрации рассеян­ ного излучения.

Если селеновый слой напылен при низкой температуре подложки (<20°С) и в нем нет включений кристаллической фазы, коэффициент усиления свинцовых экранов близок к 1. Это объясняется тем, что электроны, выбитые из свинца, за­ ряжают высокоомный аморфный селеновый слой, прилегаю­ щий к подложке. Образовавшийся заряд создает электриче­ ское поле, которое препятствует распространению электро­ нов из свинца в селен. В результате усиливающий эффект свинцовых экранов становится незначительным. Поэтому при использовании свинцовых усиливающих экранов для увеличе-

69