Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике
На правах рукописи
Вайнер Борис Григорьевич
МНОГОКАНАЛЬНАЯ СПЕКТРОМЕТРИЯ И МАТРИЧНОЕ ТЕПЛОВИДЕНИЕ, ОСНОВАННЫЕ НА ИСПОЛЬЗОВАНИИ АРСЕНИД-ИНДИЕВЫХ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ МДП-СТРУКТУР С ЗАРЯДОВОЙ ИНЖЕКЦИЕЙ
01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики 01.04.10 - физика полупроводников
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук
Новосибирск - 2009
Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте физики полупроводников им. А.В.Ржанова Сибирского отделения РАН.
Официальные оппоненты:
Б.А.Князев - доктор физико-математических наук, профессор, Учреждение Российской академии наук Институт ядерной физики им. Г.И.Будкера Сибирского отделения РАН, г. Новосибирск В.В.Слабко - доктор физико-математических наук, профессор, Институт инженерной физики и радиоэлектроники Сибирского федерального университета, г. Красноярск О.П.Толбанов - доктор физико-математических наук, профессор, Научно-образовательный центр "Физика и электроника сложных полупроводников" Томского государственного университета, г. Томск
Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук Институт оптики атмосферы им. В.Е.Зуева Сибирского отделения РАН, г. Томск
Защита диссертации состоится " " 2009 года в часов на заседании диссертационного совета Д 003.016.03 Учреждения Российской академии наук Института ядерной физики им. Г.И.Будкера Сибирского отделения РАН.
Адрес: 630090, г. Новосибирск, проспект академика Лаврентьева, 11.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЯФ СО РАН.
Автореферат разослан " " 2009 года.
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук А.А.Иванов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследований. Спектрометрию и тепловидение - высокоинформативные и широко известные сегодня методы экспериментальной физики - объединяет то, что ключевым элементом в них является детектор электромагнитного (ЭМ) излучения. От последнего зависят чувствительность, быстродействие, разрешающая способность и спектральный диапазон измерительной системы. Параметры детекторов, значительная доля которых - полупроводниковые, во многом определяются уровнем развития микроэлектроники, поэтому к началу диссертационной работы в большинстве спектрометров видимого и инфракрасного (ИК) диапазонов в качестве детекторов использовались лишь наиболее простые - одноэлементные - фотоприемники, и работали эти приборы по классической оптической схеме со сканированием спектра одиночной выходной щелью монохроматора. Практически, во всех тепловизорах также применялись одиночные и, реже, линейчатые фотоприемники, требующие для построения двумерного изображения теплового поля наличия внутреннего оптико-механического сканера. Механическая развертка спектра в спектрометрах и механическое сканирование в тепловизорах существенно ограничивали быстродействие систем, сопровождались акустическим шумом, избыточными ЭМ наводками и вибрацией. Отсутствие в большинстве приборов компьютерной поддержки снижало производительность и информативность исследований.
Принципиально новым техническим решением стало в спектрометрии применение многоэлементных (многоканальных) детекторов, устанавливаемых вместо выходной щели, а в тепловидении - использование матричных фотоприемников, не требующих оптико-механического сканирования. Это на 2-3 порядка увеличило быстродействие систем и, при прочих равных условиях, почти во столько же раз улучшило их чувствительность, поскольку механическое сканирование было заменено практически безынерционным - электронным.
К началу 90-х годов 20-го века, когда появились наши первые публикации по многоканальной спектрометрии, многоэлементные полупроводниковые детекторы если и применялись в спектрометрах, то были изготовлены, как правило, из кремния, а потому могли решать задачи лишь в области от ультрафиолетового (0.2 мкм) до ближнего ИК (около 1 мкм) диапазона. Были сообщения о создании двумерных тепловизионных матриц (например, на основе InSb, КРТ), и приводились полученные с их помощью демонстрационные примеры изображений, однако, матричными детекторами регистрировалось, в основном, ИК излучение относительно длинноволновых (4Ц12 мкм) и широких по протяженности участков спектра.
Многоэлементные системы, созданные на основе узкозонного полупроводника типа A3B5 арсенида индия, оставались к началу диссертационных исследований, практически, без внимания, хотя можно было понять, что они позволяют в области собственного поглощения InAs охватить важный для многих спектрометрических приложений диапазон от видимого вплоть до 3.05 мкм, в котором, в частности, открывалась привлекательная возможность их использования в такой значимой области экспериментальной физики, как широкодиапазонная многоканальная спектрометрия.
Идея построения матричного тепловидения на основе арсенид-индиевых фото элементов была интересна тем, что среди полупроводниковых соединений, потенциально пригодных для тепловидения высокого пространственного и температурного разрешения, InAs занимал наиболее коротковолновую область (вблизи 3 мкм). Перспективность тепловидения, основанного на применении InAs-детекторов, состоит в следующем:
1) фундаментальные свойства теплового излучения предсказывают заметно большую контрастность изображения в коротковолновой ИК области по сравнению с длинноволновой [1];
2) объединенная в гибридную микросхему с кремниевым мультиплексором арсенид-индиевая фотоприемная матрица обладает узким спектральным диапазоном чувствительности (ширина рабочей полосы много меньше средней рабочей длины волны детектора); в коротковолновой и узкой спектральной области чувствительности можно обеспечить больший динамический диапазон тепловизионных камер, использующих детекторы с накоплением заряда, в силу не столь существенного влияния фонового излучения окружающих тел, приводящего к быстрому переполнению ячеек длинноволновых ИК фотоприемников;
3) арсенид-индиевые детекторы с шириной запрещенной зоны полупроводника около 0.4 эВ допускают работу при более высоких температурах, чем длинноволновые с шириной зоны 0.2 эВ и меньше;
4) при меньших длинах волн и в условиях спектральной узкополосности обеспечивается лучшее пространственное разрешение оптической системы ввиду ослабления дифракционных ограничений и отсутствия хроматических аберраций.
Простыми и удобными в изготовлении, а потому перспективными для приборостроения фоточувствительными элементами служат структуры металл-диэлектрикполупроводник (МДП) [2], работающие на физическом принципе приборов с зарядовой инжекцией (ПЗИ) [3]. Вместе с тем, при разработке физических основ построения многоканальной спектрометрии и матричного тепловидения на новой элементной базе следовало принимать во внимание ряд принципиальных отличий МДП-ПЗИ элементов на основе InAs от хорошо изученных кремниевых МДП-ПЗИ ячеек, а по ряду признаков и от других структур, используемых в ИК технике. Перечисленные ниже факторы способны отразиться на физических характеристиках и результатах практического применения арсенид-индиевых фотоприемных ячеек ПЗИ:
1) арсенид-индиевая система обладает температурной неустойчивостью, требующей при создании МДП-структур использовать низкотемпературные технологии;
2) электронное сродство в InAs на 0.9 эВ превышает в Si, что влияет на высоту потенциальных барьеров в структурах с одинаковыми диэлектриками;
3) стандартные измерения на Si и на узкозонных полупроводниках типа А3Bпроводят при разной температуре (300 K и 80 K), от которой зависит соотношение между полевыми и термоактивационными механизмами в процессах инжекции и переноса заряда;
4) фундаментальные свойства InAs, в частности, его зонная структура существенно отличаются от полупроводников IV группы;
5) из-за низкой плотности электронных состояний в зоне проводимости поверх ностный изгиб зон здесь заметно больше, чем в Si, что влияет на распределение электрического поля в МДП-структуре и на высоту потенциального барьера InAsдиэлектрик;
6) в тепловизионном исполнении арсенид-индиевая ячейка является спектрально-узкополосной, что принципиально отличает ее от многих ИК фотоприемников;
7) при спектрометрическом применении такая ячейка является спектральноширокополосной, функционирующей одновременно в ИК и видимой частях спектра, что не характерно для многих ИК фотоприемников;
8) арсенид-индиевая МДП-структура сама является накопительной ячейкой ПЗИ, в отличие от многих других ИК фотоприемников (фотодиоды, барьеры Шоттки, многослойные меза-структуры), где накопительная ячейка перемещена в кремниевый мультиплексор.
В связи с отсутствием знаний об особенностях протекания физических процессов в арсенид-индиевых МДП-ПЗИ структурах, функционирующих в составе многоэлементного фоточувствительного устройства, не было оснований считать их пригодными для целей многоканальной спектрометрии и матричного тепловидения. Способность таких структур в интегральном исполнении удовлетворять задачам, стоящим перед матричным тепловидением и многоканальной спектрометрией, являлась неочевидной хотя бы потому, что никто до сих пор в указанных областях их систематически не использовал и применимость к указанным областям целенаправленно не изучал. Таким образом, изучение физических процессов в арсенид-индиевых МДПструктурах и МДП-ПЗИ ячейках, работающих в составе многоэлементных фотоприемников, применительно к их использованию в спектрометрии и тепловидении, явилось новой и актуальной научной задачей. Само тепловидение также нуждалось в развитии основанных на нем методов научного исследования, поскольку последние к началу диссертационных работ опирались лишь на использование сканирующих камер ранних поколений, принципиально не позволявших корректно решать многие задачи экспериментальной физики.
Всем вышесказанным определилась актуальность разработки теоретических и практических основ создания современных высокоэффективных методов научного исследования - многоканальной спектрометрии и матричного тепловидения, построенных на использовании спектрально-широкополосных линейных и коротковолновых спектрально-узкополосных матричных арсенид-индиевых МДП-ПЗИ фотоприемников, разработки новых подходов к решению задач, ориентированных на использование физических приборов нового поколения - многоканальных спектрометров и матричных тепловизоров, всестороннего изучения физических процессов в арсенидиндиевых МДП-ПЗИ фоточувствительных структурах и многоэлементных детекторах излучения на их основе применительно к использованию в многоканальной спектрометрии и матричном тепловидении.
Цель диссертационных исследований: разработка и развитие базовых физических принципов построения спектрально-широкополосной многоканальной спектрометрии и коротковолнового спектрально-узкополосного матричного тепловидения на основе использования фоточувствительных арсенид-индиевых МДП-ПЗИ структур с зарядовой инжекцией и необходимое для этого исследование физических процессов, протекающих в указанных структурах при их функционировании в составе многоэлементных (линейных и двумерных) детекторов ЭМ излучения.
Конкретные задачи работы состояли в следующем:
1. Экспериментально, аналитически и методами компьютерного моделирования исследовать арсенид-индиевые МДП-ПЗИ элементы применительно к условиям их работы в составе многоканальных линейных и матричных спектрометрических и тепловизионных фотоприемных устройств (ФПУ).
2. Определить физические механизмы зарядовой нестабильности МДП-структур на основе узкозонных полупроводников типа A3B5 во внешнем электрическом поле при температуре, близкой к 80 K, путем исследования особенностей накопления заряда в диэлектрике при функционировании этих структур в режиме неравновесного обеднения.
3. Определить физическую природу локальных дефектов, избыточной латеральной фоточувствительности и перекрестных наводок в многоканальных арсенидиндиевых фотоприемниках, предназначенных для спектрометрии и тепловидения.
4. Разработать и программно реализовать метод самосогласованного квантового расчета дискретного энергетического спектра и поверхностного потенциала в слоях обогащения узкозонных полупроводников с учетом непараболичности зоны проводимости и фермиевской статистики с целью уточнения потенциальных барьеров на границе полупроводник-диэлектрик и распределения электрического поля в МДПструктуре.
5. Разработать и программно реализовать аналитическую полуэмпирическую модель, описывающую заполнение неравновесной потенциальной ямы фотогенерированными и тепловыми носителями заряда с учетом латерального диффузионного подтекания и исследовать особенности работы арсенид-индиевой ПЗИ-ячейки ограниченной зарядовой емкости в предельных режимах функционирования, приближающих ее к состоянию зарядового насыщения, порождающему фундаментальные ограничения на точность тепловизионных и спектрометрических измерений при использовании ПЗИ-детекторов.
6. Разработать новые экспериментально-аналитические методы исследования МДП-структур, фоточувствительных ячеек на основе узкозонных полупроводников, спектрометрических и тепловизионных ФПУ, направленные на уточнение зонной диаграммы МДП-структур, определение уровня перекрестной связи фотоэлементов, установление линейности свет-сигнальной характеристики, прецизионное изучение координатных характеристик локальной фоточувствительности.
7. Использовать полученные результаты исследования физических свойств фотоприемников на основе узкозонных полупроводников InSb и InAs, а также многоэлементных ФПУ, с целью создания многоканальных спектрометров и коротковолновых спектрально-узкополосных матричных тепловизоров с высокими техническими параметрами на основе арсенид-индиевых детекторов излучения. Исследовать основные физические и рабочие характеристики созданных спектрометров и тепловизоров.
8. Изучить особенности поведения фотоответа арсенид-индиевых МДП-ПЗИ структур, интегрированных в многоэлементные ИК детекторы, в условиях их практического применения при решении разнообразных прикладных задач многоканальной спектрометрии и матричного тепловидения, на базе чего обосновать или исключить возможность полноценного практического использования данных приборов для этих областей приложения.
9. Разработать новые принципы и методы измерения физических величин, основанные на использовании тепловидения, в частности, коротковолнового спектральноузкополосного матричного тепловидения, а именно, принцип и метод измерения энергетических характеристик диаграмм направленности источников ЭМ излучения, принцип и метод измерения поверхностной концентрации адсорбированных молекул из газовой фазы на твердом теле, метод определения спектрального коэффициента излучения поверхностей материалов на рабочей длине волны спектральноузкополосного тепловизора, метод определения толщины и положения скрытых полостей на границах раздела в слоистых структурах, методы определения количественных характеристик тепловых полей в физике живых систем и др.
10. Расширить круг научно-прикладных задач, решаемых с помощью тепловидения, путем применения матричных фотоприемных устройств, а именно, применить матричное тепловидение для выявления диаграмм направленности ЭМ излучения, исследования токов утечки в приборах силовой электроники, решения научных проблем в области косметологии и физиологии человека, включая выявление количественных физических характеристик отдельных потовых желез и др.
11. Разработать принципиально новые эмпирические и математические подходы к количественному анализу поверхностных тепловых полей, а также методы математической обработки термограмм, экспериментально полученных с учетом улучшенных технических характеристик матричных тепловизоров.
Научная новизна исследований и результатов.
1. Впервые для области спектра от 0.5 мкм до 3.05 мкм созданы спектральноширокодиапазонные многоканальные спектрометры на основе арсенид-индиевых МДП-ПЗИ 512-элементных линейных детекторов излучения, позволившие на этой элементной базе распространить метод многоканальной спектрометрии в ИК область вплоть до 3.05 мкм с возможностью его использования одновременно в видимой области спектра.
2. Предложено, разработано и практически реализовано около 20 новых и нестандартных способов измерений, методик расчета, принципов и методов исследования в области экспериментальной физики, среди которых 1) метод самосогласованного квантового расчета энергетических уровней и поверхностного потенциала в слое обогащения узкозонных полупроводников типа A3B5, основанный на аппроксимации модифицированным потенциалом Кратцера, 2) метод определения высоты потенциальных барьеров на границах полупроводник-диэлектрик и металл-диэлектрик по экспериментально полученному характеристическому полю в модели туннелирования через барьер треугольной формы, 3) способ определения нелинейности свет-сигнальной характеристики детекторов, установленных в фокальной плоскости многоканальных спектрометров, 4) способ визуализации и измерения двумерных спектров, в котором детектором многоканального спектрометра служит тепловизионная камера, 5) метод локализации и устранения источников избыточного шума в каналах линейчатых гибридных микросхем, основанный на импульсном лазерном воздействии in-situ, 6) тепловизионный метод определения энергетических характеристик диаграмм направленности электромагнитного излучения (и потоков частиц, обладающих массой), не зависящий от спектрального состава излучения, 7) метод определения коэффициента излучения поверхностей материалов на рабочей длине волны спектрально-узкополосного тепловизора, 8) метод спектрально-узкополосной тепловизионной дефектоскопии скрытых границ раздела контактирующих поверхностей, 9) методы количественной оценки степени гетерогенности термограмм и др.
3. Впервые установлено, что доминирующим механизмом инжекции и растекания заряда в МДП-структурах на основе узкозонного полупроводника типа А3В5 InSb при T 80 К в сильном электрическом поле E 106 В/см является механизм туннелирования электронов, а адекватным приближением для количественного описания туннелирования служит барьер треугольной формы. Справедливость этого результата экспериментально подтверждена и для МДП-структур на основе InAs.
4. Впервые показано, что с учетом поверхностного изгиба зон InAs в сильном электрическом поле высота потенциального барьера для электронов на границе InAs - SiO2 составляет 3.3Ц3.4 эВ для значения эффективной массы электрона в барьере (0.55Ц0.50)m0, где m0 - масса свободного электрона. Впервые экспериментально определены значения некоторых других параметров МДП-структур на основе InSb и InAs, регулирующих процессы их зарядовой нестабильности в сильном электрическом поле - высота потенциальных барьеров на границе металл-диэлектрик, полупроводникдиэлектрик, глубина энергетических уровней ловушек в диэлектрике, эффективная масса электрона в запрещенной зоне диэлектрика.
5. Впервые выявлен эффект снижения эффективности зарядовой инжекции в МДП-структурах на основе InAs при подаче серии коротких импульсов напряжения на полевой электрод по сравнению с одиночным импульсом суммарной длительности и такой же амплитуды, связанный с влиянием неравновесного обеднения приповерхностной области InAs.
6. Экспериментально обнаружен эффект латерального растекания заряда (электронов) по поверхности низкотемпературного пиролитического SiO2, предположительно связанный с прыжковым механизмом проводимости.
7. Впервые измерена спектральная характеристика чувствительности арсенидиндиевого матричного тепловизора, установившая реальные границы его рабочего спектрального диапазона 2.5Ц3.05 мкм при рабочей температуре детектора около 80 K и объективно продемонстрировавшая спектральную узкополосность прибора.
8. Впервые приведены количественные аргументы, доказывающие важность коротковолновой границы спектральной чувствительности SW тепловизионного детектора на основе InAs для корректной работоспособности ПЗИ-ячейки в предельных режимах ее функционирования.
9. Впервые МДП-ПЗИ фоточувствительные структуры на основе InAs детально исследованы на предмет их локальной координатной фоточувствительности, в результате чего обнаружены принципиально значимые эффекты латерального и избыточного фотоответа, связанные с диффузионным транспортом неосновных носителей.
10. Тепловизионные количественные измерения впервые проведены при изучении ряда природных явлений: адсорбция молекул пара на твердых поверхностях ("эффект теплового пламени"), кинетика функционирования потовых желез, характеристики теплообмена и терморегуляции живого организма, подверженного физическим и температурным нагрузкам, и др., что позволило впервые объективно зарегистрировать и описать ранее скрытые проявления природы и извлечь новые важные научные сведения об организме человека (форма и эволюция функции распределения поверхностной температуры, вариация статистических параметров гистограмм распределения поверхностной температуры и др.).
11. Впервые теоретически показана чрезвычайно высокая чувствительность тепловизионного метода в отношении регистрации процессов адсорбции молекул пара на твердых поверхностях, позволяющая регистрировать начальные фазы адсорбции при эффективной толщине пленки адсорбата на уровне десятых и сотых долей монослоя.
12. В тепловидение ведена новая количественная характеристика температурного поля - степень (уровень) гетерогенности, служащая для количественного описания неоднородности тепловых изображений физических объектов. Необходимость введения этой характеристики обоснована в процессе применения нетрадиционных (статистических) методов математической обработки экспериментальных результатов тепловизионных измерений.
13. Новые результаты получены при измерении физических величин в специальных приложениях биомедицинского тепловидения. А именно, впервые тепловидение применено для регистрации и анализа поверхностных тепловых полей в нехирургической косметологии и дано физическое обоснование адекватности использования тепловизионного метода в этой научно-прикладной области; в результате семилетнего систематического наблюдения за поверхностной температурной картиной кожи людей, осуществленного с помощью арсенид-индиевых матричных тепловизоров, обнаружено ранее неизвестное природное явление, которому дано название стабильный точечный гипергидроз; впервые обоснована и экспериментально продемонстрирована возможность применения тепловидения в системе телемедицины.
Следует добавить, что в результате применения матричных МДП-ПЗИ структур на основе InAs в тепловидении начали использоваться совершенно новые и в принципе необычные для этого метода коротковолновые спектрально-узкополосные детекторы излучения. До начала работ по теме диссертации арсенид индия с длинноволновой границей чувствительности чуть более 3 мкм в высокочувствительных матричных тепловизионных системах общего назначения вообще не применялся. Преимущественно считалось, что тепловизионные свойства систем тем лучше, чем более длинноволновую область захватывает полупроводниковый детектор. В рамках диссертации научно доказана ошибочность такого абсолютного утверждения.
Практическая ценность и применение результатов работы.
1. Арсенал современных и высокоперспективных методов экспериментальной физики дополнен многоканальной спектрометрией и коротковолновым спектральноузкополосным тепловидением, построенными на основе применения арсенидиндиевых детекторов излучения.
2. Коллективно разработан и защищен патентом матричный тепловизор, построенный на основе арсенид-индиевого МДП-ПЗИ фотоприемника, доведенный до уровня промышленного образца, внесенный в Государственный реестр изделий медицинского назначения и медицинской техники (№ ФС 022а1998/0870-04) и переданный более, чем в 16 медицинских учреждений РФ, Пекинский военный госпиталь, а также в ряд научно-исследовательских институтов СО РАН (ИК, ИТФ, ИХКиГ, ИЯФ и др.) и СО РАМН для проведения научно-исследовательских работ.
3. Предложено и защищено патентом тепловизионное устройство для контроля скрытой границы раздела контактирующих поверхностей.
4. Представленные методы тепловизионного контроля многослойных полупроводниковых структур и бескорпусных полупроводниковых приборов способствуют увеличению процента выхода годных изделий в полупроводниковом производстве.
5. Предложен, обоснован и защищен авторским свидетельством на изобретение способ считывания сигнала в многоэлементных ПЗИ, позволяющий существенно снизить уровень перекрестных наводок в многоэлементных детекторах излучения.
6. На основании результатов диссертационных исследований схемотехнически устранена паразитная избыточная латеральная фоточувствительность ПЗИ элементов, что привело к улучшению разрешающей способности ФПУ.
7. Предложен и защищен патентом метод оценки эффективности действия косметических средств и процедур, основанный на проведенных тепловизионных исследованиях и использующий тепловизор в качестве основного средства измерений.
8. Предложенные тепловизионные методы исследования тканей применимы в легкой промышленности.
9. Обнаруженные закономерности поведения температурной картины поверхности тела человека применимы в физиологии.
Научные положения, вынесенные на защиту.
1. Арсенид-индиевые фоточувствительные ПЗИ-элементы со структурой МДП можно полноценно использовать в многоканальных линейчатых и матричных ФПУ, предназначенных для широкодиапазонной (от видимого до 3 мкм) спектрометрии и спектрально-узкополосного тепловидения.
2. Результаты исследования электрофизических и фотоэлектрических свойств фоточувствительных ячеек (установленные туннельные механизмы зарядовой нестабильности, координатные характеристики чувствительности, низкий (2%) уровень электронно-оптической связи фотоэлементов, широкодиапазонная спектральная характеристика и др.), а также набор полученных спектров пропускания и эмиссионных спектров, измеренных в области от 0.5 мкм до 3.05 мкм за времена порядка нескольких миллисекунд с помощью арсенид-индиевых 512-элементных МДП-ПЗИ линейных фотоприемников, доказывают возможность и демонстрируют начало развития спектрально-широкополосной многоканальной спектрометрии на базе указанных детекторов излучения.
3. Развитое при выполнении диссертационной работы коротковолновое спектрально-узкополосное матричное тепловидение, характеризующееся использованием для этой цели научно-обоснованной новой элементной базы (арсенид-индиевые матричные МДП-ПЗИ фотоприемники) и разработанными новыми методами измерения физических величин, является новым высокоинформативным инструментом исследования в экспериментальной физике.
4. Зарядовая нестабильность МДП-структур на основе узкозонных полупроводников типа A3B5 InSb и InAs в сильном электрическом поле ( 106 В/см) при температуре, близкой к 80 K, обусловлена механизмом туннелирования электронов через треугольный потенциальный барьер.
5. Экспериментальное исследование кинетики накопления заряда в диэлектрике МДП-структур на основе узкозонных полупроводников типа A3B5 (InSb, InAs) при температуре жидкого азота позволило определить значения фундаментальных физических параметров этих структур: высоту потенциальных барьеров для электронов на границах полупроводник-диэлектрик и металл-диэлектрик, энергию активации ловушек в диэлектрике, эффективную массу электрона в запрещенной зоне анодного окисла, выращенного на InSb.
6. В фоточувствительных МДП-ПЗИ элементах на основе InAs определяющую роль при температуре, близкой к 80 К, играют латеральные эффекты (латеральная фоточувствительность, латеральное растекание заряда), которые способны на количественном (десятки процентов) и качественном (потеря разрешающей способности) уровнях изменять характеристики многоэлементных детекторов излучения, созданных на базе таких полупроводниковых структур.
7. Высокоэффективным способом снижения уровня электронных перекрестных наводок в многоэлементных ПЗИ-детекторах с последовательным считыванием сигнала является задержка напряжения считывания на каждом предыдущем элементе на время, превышающее время жизни неосновных носителей заряда в полупроводнике.
8. Новая физическая величина - степень гетерогенности температурного поля, - количественно описывающая неоднородность распределения температуры поверхности физических тел, является независимой количественной характеристикой, отражающей физические свойства исследуемого объекта, и может быть определена путем математической обработки измеренных тепловизионных термограмм.
9. Тепловидение, реализованное с использованием арсенид-индиевых спектрально-узкополосных матричных детекторов излучения, обладает высокими пространственным разрешением (коэффициент электронно-оптической связи фотоэлементов менее 2%), быстродействием (порядка 100 кадров в секунду), чувствительностью (порядка сотых долей градуса при температуре объекта 30 C) и контрастностью изображения (превышающей при температурах объекта 30Ц40 C контрастность длинноволновых тепловизионных изображений на десятки процентов); в качестве примеров: оно позволяет количественно исследовать в реальном масштабе времени температурную кинетику функционирования одиночных кожных желез и регистрировать начальные стадии адсорбции молекул паров воды на твердых телах, начиная с эффективной степени заполнения поверхности молекулами адсорбата, соответствующей десятым и сотым долям монослоя.
Публикации. По теме диссертационной работы соискателем опубликовано научных трудов (без учета тезисов докладов и препринтов). Список 43 из них приведен в конце автореферата. Качественно-количественный состав опубликованных работ следующий: 1 самостоятельная научная монография (издательство СО РАН); коллективные научные монографии (издательство СО РАН и издательство Nova Science Publishers, Inc., New York); 23 статьи в рецензируемых научных журналах, из них 8 - в иностранных; 3 патента РФ на изобретения; 1 авторское свидетельство на изобретение; 4 публикации в информационных бюллетенях РФФИ и сборниках научных трудов; 15 статей в материалах международных конференций; 4 статьи в материалах всесоюзных и всероссийских конференций; 4 статьи в материалах региональных российских конференций.
Из 57 работ по теме диссертации 27 выполнены самостоятельно (без соавторов).
17 статей напечатаны в рецензируемых журналах, определенных ВАК для опубликования основных результатов докторских диссертаций.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на 21 международных, 9 Всесоюзных и Всероссийских, 12 региональных и межрегиональных конференциях, докладывались соискателем на Объединенной научной сессии Отделения информационных технологий и вычислительных систем, Отделения математических наук и Отделения биологических наук РАН (г. Москва, 20 октября 2004 г.), на научных семинарах институтов СО РАН, СО РАМН и других организаций, включая научные учреждения Болгарии, Китая, Словакии. Материалы диссертации вошли в учебные курсы, читавшиеся автором студентам Новосибирского государственного университета и Сибирской государственной геодезической академии.
Среди упомянутых конференций: 35 Internationales Wissenschaftliches Kolloquium (DDR, Ilmenau, October 22Ц25, 1990), International Conference Opto-92 (France, Paris, April 14Ц16, 1992), IEEE International Symposium on Electrical Insulation (USA, Arlington, Virginia, June 7Ц10, 1998), The 8th International Conference on Defects - Recognition, Imagine and Physics in Semiconductors (Japan, Narita, September 15Ц18, 1999), International Conferences Quantitative InfraRed Thermography QIRTТ2000 (France, Reims, July 18Ц21, 2000), QIRTТ02 (Croatia, Dubrovnik, September 24Ц27, 2002), QIRTТ2006 (Italy, Padova, June 28-30, 2006), QIRTТ2008 (Poland, Krakow, July 2-5, 2008), International Conference Thermosense-XXIII (USA, Orlando, April 16-19, 2001), VI Международная научно-техническая конференция "Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2002" (Россия, Новосибирск, 23Ц26 сентября, 2002 г.), II Евразийский конгресс по медицинской физике и инженерии "Медицинская физика-2005" (Москва, 21Ц24 июня, 2005 г.), The Sixth International Conference on Bioinformatics of Genome Regulation and Structure BGRS'2008 (Russia, Novosibirsk, June 22-28, 2008), Первая Международная Школа-семинар по фундаментальным проблемам микро- и наносистемной техники MNST-2008 (Россия, Новосибирск, 10Ц13 декабря 2008 г.), VII и IX Всесоюзные симпозиумы по электронным процессам на поверхности полупроводников и границе раздела полупроводникЦдиэлектрик (Новосибирск, 1980 и 1988 г.г.), Всесоюзная конференция по прикладной физике УИспользование современных физических методов в неразрушающих исследованиях и контроле" (Хабаровск, 12Ц14 октября 1981 г.), Всесоюзная конференция по физике соединений А3В5 (Новосибирск, 7Ц9 июля 1981 г.), Всесоюзная школа по физике, химии и механике поверхности (Нальчик, 22Ц30 октября 1981 г.), V Всесоюзная школа-семинар по физике поверхности полупроводников (Одесса, 7-17 сентября 1982 г.), IV Российская конференция по физике полупроводников "Полупроводники-99" (Новосибирск, 25Ц29 октября 1999), Конференция УФизические проблемы МДП-интегральной электроникиФ (Севастополь, 12-14 сентября 1983 г.) и другие.
ичный вклад автора: в диссертации представлены лишь те научные результаты, где личный вклад соискателя (постановка проблемы, постановка и проведение эксперимента, исследование, обработка и анализ экспериментальных результатов, разработка моделей, получение аналитических выражений, программирование, оформление публикаций и др.) в их получение был доминирующим. Разработка и изготовление полупроводниковых образцов, образцов тепловизоров и спектрометров осуществлялась при непосредственном участии автора силами большого коллектива ИФП СО РАН и ряда других организаций.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, 3 приложений и списка литературы. Общий объем составляет 298 страниц, работа проиллюстрирована 152 рисунками и 6 таблицами. Приложения занимают 4 страницы. Список литературы содержит 331 источник, занимая страницы текста.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель и основные задачи диссертационной работы, перечислены основные положения, вынесенные на защиту.
Первая глава содержит обзор литературы, кратко отражающий опубликованные материалы по некоторым основным направлениям диссертации. Рассмотрены работы, посвященные полупроводниковым ПЗИ, детекторам ИК излучения, спектрометрии, тепловидению. Обсуждены некоторые актуальные задачи науки и техники, нуждающиеся в разработке новых подходов к их решению. Сюда включены вопросы использования матричного тепловидения в экспериментальной физике, характеризации слоистых полупроводниковых структур, описаны дефекты на границах сращивания в многослойных полупроводниковых структурах и традиционные методы их обнаружения, уделено внимание использованию тепловидения в биомедицинских приложениях. Сформулированы результаты литературного обзора. В итоговых положениях отмечено то, что многие литературные источники обсуждены непосредственно в оригинальных главах диссертации, где такое обсуждение, сопровождающее полученные в диссертационной работе новые данные, представляется более уместным.
Вторая глава посвящена рассмотрению ряда физических процессов, протекающих в МДП-структурах на основе узкозонных полупроводников типа A3B5 и принци пиальных для функционирования фотоэлементов. Описаны экспериментальные образцы МДП-структур.
Исследованы и описаны основные проявления зарядовой нестабильности МДПструктур, инжекция и накопление заряда в диэлектрике. В области слабых электрических полей E в диэлектрике (порядка 105 В/см) электронные ловушки могут воспроизводимо перезаряжаться в полях сравнимой величины, но противоположного знака.
В свою очередь, при E > 106 В/см, наблюдается параллельный сдвиг петли гистерезиса вольт-фарадных характеристик (ВФХ), причем вернуть структуру в исходное состояние приложением поля противоположного знака за исключением особых случаев не удается. Помимо InAs, в исследования были включены структуры на основе InSb - родственного арсениду индия материала. Выявлен оптимальный для рассмотренных МДП-структур диэлектрик - пиролитическая двуокись кремния; именно он сейчас используются при создании многоэлементных детекторов на основе InAs.
На основе экспериментального изучения кинетики накопления заряда в МДПструктурах с разными диэлектриками и подложками (InSb, InAs), а также измерения вольтамперных характеристик, построена общая зарядовая модель МДП-структуры.
Результатами работы показано, что доминирующим механизмом инжекции и растекания заряда в структурах на основе узкозонных полупроводников типа А3В5 при T 80 К в сильном электрическом поле E 106 В/см является туннелирование электронов через барьер треугольной формы.
Для корректного определения напряженности поля в диэлектрике применен метод самосогласованного квантового расчета энергетических уровней и поверхностного потенциала в узкозонных полупроводниках типа A3B5, где ситуация осложнена наличием сильной непараболичности зоны проводимости и учетом вырождения электронного газа. Использование потенциала Кратцера для аппроксимации потенциала у поверхности позволила аналитически решить задачу о квантовании электронного газа в слое обогащения с учетом непараболичности зоны и вырожденной статистики, что привело к существенному упрощению итерационного процесса вычислений.
Для МДП-структур описан эмпирический метод определения их физических параметров (высота потенциальных барьеров на границах полупроводник-диэлектрик и металл-диэлектрик, глубина энергетических уровней ловушек, эффективная масса электрона в запрещенной зоне диэлектрика), регулирующих процессы зарядовой нестабильности в сильном электрическом поле. Получено общее соотношение, описывающее временную зависимость напряжения плоских зон VFB МДП-структуры и пригодное для случаев инжекции электронов как из полупроводника, так и из металла:
E t E(0) ln1+ E(0) t0 e (1) VFB (t) = VFB0 + G(x) ; t0 =.
wAB(x)E wEt ln1+ + t0 E(0) В (1) VFB0 VFB при t = 0, E(0) E при t = 0, при этом, для инжекции из полупроводника E(0) = (VG - VFB0)/d1*, из металла - E(0) = (VG - VFB0)/d2* - (01 + 012 + 02)/02; 01, 012, 02 - поверхностная плотность заряда (c учетом знака), исходно встроенного в диэлектрические слои 1 и 2 и на их границе, соответственно; d1* = d1 + (1/2) d2, d2* = d2 + (2/1) d1 ; d1 и d2 - толщина диэлектрических слоев 1 и 2; 1 и - их диэлектрическая проницаемость; VG - напряжение на полевом электроде; вид функций B(x) и G(x) связан с особенностями пространственного распределения заряда в диэлектрике; коэффициент A - множитель в выражении для плотности инжекционного тока Фаулера-Нордгейма [4]. Величина w характеризует кинетику захвата. Параметр E0 содержит сведения о высоте барьера и эффективной массе для модели туннелирования в квазиклассическом приближении.
Экспериментально обнаружен эффект снижения эффективности зарядовой инжекции при подаче серии коротких ( =10-4 с) импульсов напряжения по сравнению с одним импульсом суммарной длительности и такой же амплитуды. Явление объяснено влиянием неравновесного обеднения поверхности InAs. При , меньшем времени релаксации неравновесной МДП-емкости, заметная часть приложенного напряжения падает в подложке. Поскольку туннельный механизм экспоненциально зависит от напряженности поля, эффективность инжекции заряда из полупроводника в диэлектрик при многократном неравновесном обеднении резко падает.
В МДП-структурах с подложкой p-типа при T 80 K обнаружено, что отрицательные импульсы на полевом электроде сдвигают пороговое напряжение, при котором форма ВФХ превращается из низкочастотной в высокочастотную. Механизм эффекта был выяснен нетривиальным путем - посредством исследования латерального фотоэффекта на образцах с подложками n-типа. Он оказался обусловленным латеральным растеканием электронов вдоль поверхности низкотемпературного SiO2.
В третьей главе рассмотрены арсенид-индиевые многоэлементные ФПУ, оптические (спектрометрические и тепловизионные) системы, созданные на их основе, описаны результаты исследования таких систем и даны образцы применения в задачах многоканальной спектрометрии.
МДП-структуры сформированы на гомоэпитаксиальном слое InAs, выращенном на сильнолегированной подложке. Модуль ФПУ в линейном и в матричном исполнениях представляет собой гибридную микросхему. В линейных структурах промежуточным звеном между InAs и кремниевым мультиплексором выступает лейкосапфировый пьедестал, и засветка фотоэлементов осуществляется либо сквозь него, либо (в спектрометрическом исполнении) напрямую. В матричных модулях формата 128128 элементов с шагом 50 мкм рабочие поверхности InAs и Si обращены навстречу друг другу, и засветка производится через тыльную сторону подложки InAs.
Соединения в микросхемах выполнены с помощью встречных индиевых столбиков.
Тепловизор разработан на базе указанного гибридного модуля. Описано его устройство, особенности программного обеспечения, результаты исследования быстродействия (до 100 кадров в секунду), предельной температурной чувствительности (0.03 С при температуре объекта 30 С), пространственного разрешения, спектральной чувствительности. Экспериментально найдена параболическая зависимость сигнал-температурной характеристики и изложен способ индивидуальной температурной калибровки ПЗИ-ячеек. Истинное пространственное разрешение тепловизора оп ределялось нетрадиционным способом - с использованием в качестве источника излучения выходной щели монохроматора (нитеобразный световой зонд). Установлено, что уровень электронно-оптической связи фотоэлементов не превышает 4.5%.
Экспериментально полученная характеристика спектральной чувствительности приведена на рис. 1. График дополнен кривой пропускания атмосферы, отражающей условия, в которых функционируют арсенид-индиевые тепловизоры. Физический принцип формирования спектральной характеристики следующий. Длинноволновая граница LW определяется шириной запрещенной зоны эпитаксиального слоя InAs;
коротковолновая (SW) - оптической шириной запрещенной зоны InAs-подложки, высокий уровень легирования которой вызывает вырождение электронного газа и сдвиг уровня Ферми вглубь зоны проводимости (эффект Бурштейна-Мосса). Полученное значение температурного сдвига LW (около (3.53.6)10-4 эВ/K) вполне удовлетворительно согласуется с литературными данными.
Из рис. 1 следует, что в спектральном отношении матричный детектор является коротковолновым и исключительно узкополосным прибором. Критерием узкополосности предложено считать отношение ширины рабочего спектрального диапазона к средней рабочей длины волны 0. Для рис. 1 диапазон составляет (2.5Ц3.05 мкм), 0 2.75 мкм, и /0 0.2. Свойство спектральной узкополосности данных ФПУ является принципиальным, тянущим за собой ряд важных следствий, подробно рассмотренных в диссертации. Короткие рабочие длины волн обеспечивают условия малых фонов, а потому позволяют полностью использовать время кадра для параллельного накопления фотозаряда в ячейках. Высокая контрастность изображения [1] детально представлена в Гл. 3 проведенными сравнительными расчетами. В итоге, показано, что InAs вполне обоснованно можно рассматривать как оптимальный материал для применения в тепловизорах медицинского и иного назначений, где не требуется изучать объекты слишком низких температур.
Блок-схема многоканального быстродействующего спектрально-широкодиапазонного спектрометра с линейным 512-элементным арсенид-индиевым детектором приведена на рис. 2. Здесь ФПУ совмещено с монохроматором HR-320 фирмы Jobin-Yvon (Франция). Параметры спектрометра: рабочий диапазон (0.43.0) мкм; с решеткой 300 штр/мм длина измеряемого участка спектра 0.мкм, разрешение 1 см-1 на длине волны 3 мкм, быстродействие - не менее 100 спектров в секунду.
Описаны элементы оригинального программного обеспечения, учиРис. 1. Характеристика спектральной чувствительтывающего особенности МДПности матричного тепловизора (1) и пропускание ПЗИ фотоприемников. Выявлен атмосферного воздуха на дистанции около 2 м (2).
ряд особенностей, отличающих данные многоканальные системы от одноканальных и выполненных на базе кремниевых микросхем.
Исследованы характеристики спектрометра. Для определения линейности фотоответа ПЗИ-ячеек использованы соображения о количественном изменении потока, проходящего сквозь входную щель, при удалении от нее источника излучения.
Экспериментально подтверждена линейная зависимость фотосигнала от интенсивности монохроматической Рис. 2. Блок-схема спектрометра с многоэлезасветки при работе ПЗИ вдали от ментным линейчатым детектором, установленным на открытом выходе монохроматора.
насыщения потенциальной ямы. С помощью He-Ne лазера показано, что спектральное разрешение прибора не подвержено ощутимому влиянию перекрестной электронно-оптической связи фотоэлементов.
Поведение длинноволнового края спектральной чувствительности прибора определяется краем поглощения эпитаксиального InAs. Соответствующая характеристика приведена на рис. 3. Она измерена за несколько миллисекунд с использованием самого же 512-элементного ФПУ. Коротковолновая граница чувствительности зависит от пропускания окна криостата и уровня легирования оловом пленок In2O3, служивших материалом для полевых электродов МДП-структур. Приведены результаты исследования характеристик соответствующих материалов Получены спектры пропускания различных образцов (атмосферный воздух с варьируемой влажностью, жидкая вода, пары дихлорметана, слюда) и эмиссионные спектры гелий-неонового лазера и неона (в видимой и ИК областях спектра).
Показано хорошее соответствие известным литературным данным.
В конце Гл. 3 описан новый метод измерения и визуализации двумерных спектров. В качестве детектора здесь служит тепловизионРис. 3. Сглаженная спектральная характеристика ная или видеокамера. Визуализичувствительности арсенид-индиевого фотоприемрующий спектрометр позволяет в ника вблизи длинноволнового края собственного реальном масштабе времени провопоглощения, измеренная за один цикл считывания дить анализ спектров, неоднородсигнала (около 5 мс).
ных в направлении, нормальном к направлению дисперсии. Отметим, что фотоприемная матрица здесь размещена за пределами фокальной плоскости монохроматора.
Работоспособность такой системы продемонстрирована на примерах измерения участков спектра пропускания атмосферного воздуха. Обоснована высокая практическая значимость тепловизионных визуализирующих спектрометров на основе InAs, несмотря на узкий спектральный интервал их чувствительности.
В четвертой главе исследованы физические процессы в фоточувствительных МДП ПЗИ-элементах на основе InAs, работающих в составе многоканальных спектрометрических и тепловизионных фотоприемных устройств. Изучено влияние физических параметров, конструктивных особенностей и условий функционирования матричных ПЗИ-фотоприемников, а также характеристик принимаемого излучения, на предельное температурное разрешение InAs ИК детекторов, работающих в тепловизионном режиме. Последнее описывается величиной разности температур, эквивалентной шуму (или NETD - noise equivalent temperature difference).
Более детально, в Гл. 4 представлено следующее. Обнаружен и подробно исследован сильный эффект избыточной латеральной фоточувствительности в многоэлементных полупроводниковых структурах и зависимость последней от особенностей построения ПЗИ-элементов. Экспериментально изучено влияние напряжения смещения на поверхностное распределение локального фотоотклика в МДП-ПЗИ ячейках, частично экранированных от латеральной засветки. Экспериментально и путем математического моделирования исследовано поведение фотоответа МДП-ПЗИ-ячеек многоэлементных линейчатых структур при облучении от источника с динамическими пространственно-временными характеристиками (при нестационарной засветке и в режиме быстро пробегающего светового пятна). Рассмотрены проявления нерегулярных пиксел-соизмеримых дефектов в гибридных фоточувствительных микросхемах. Описан метод импульсной лазерной коррекции in-situ, позволивший существенно снизить уровень шума в многоканальных спектрометрах на основе InAs и, тем самым, увеличить фоточувствительность ПЗИ-детекторов. Рассмотрен механизм перекрестных инжекционных наводок в многоэлементных линейных ПЗИ с последовательной адресацией и предложен новый способ считывания сигнала, обеспечивающий существенное снижение их уровня.
Специальное внимание уделено случаям, объединенным в общую категорию - предельные, а именно, отражающие ситуацию, когда детектор ФПУ функционирует либо на пределе физических ограничений, либо в условиях, существенно отличающихся от стандартных или идеальных. Принципиальным фактором здесь выступает конечность (ограниченность) зарядовой емкости неравновесной потенциальной ямы.
Выявлено сильное влияние этого фактора на выбор других параметров, существенных для работы фоточувствительной структуры. Аналитически описана кинетика накопления заряда в неравновесной ПЗИ-ячейке с учетом синхронных термо- и фотогенерации носителей. Получено выражение для полного числа носителей, рожденных за tacc время накопления tacc:
r r (2) Ntotal (tacc ) = ( N0 - ) [ 1- (1-) ].
ln(1-) Здесь N0 - максимальная накопительная емкость ПЗИ-ячейки, r - время темновой релаксации неравновесной емкости МДП-структуры, - темп фотогенерации носителей, - предельный коэффициент заполнения потенциальной ямы ПЗИ-ячейки на краю ее динамического диапазона. Особенность формулы (2) в том, что она, описывая процесс вполне адекватно, содержит минимум параметров и, причем, все они представляют собой либо измеряемые, либо рассчитываемую величины. Также получено выражение, подобное (2), учитывающее диффузионное подтекание носителей в потенциальную яму из окружающих ее периферийных областей.
Вопреки устоявшимся представлениям, выявлена важная роль коротковолновой границы спектральной чувствительности SW тепловизионного ПЗИ-детектора. Исследовано влияние на NETD апертуры холодной диафрагмы, атмосферного поглощения, положения ПЗИ-ячейки на поле матрицы и спектрального коэффициента излучения источника. В этой части работы получено много практически важных результатов.
Один из них, к примеру, обращает внимание исследователей на то, что объекты, легко и привычно измеряемые тепловизором в лабораторных атмосферных условиях, могут оказаться неизмеримыми в условиях вакуума.
Для прецизионного исследования локальных и интегральных статических и динамических координатных характеристик чувствительности ячеек многоэлементных детекторов разработано и создано устройство, формирующее сканирующее ИК пятно диаметром около 20 мкм при точности позиционирования 1 мкм с возможностью циклического перемещения этого ИК зонда со скоростью до 7 сантиметров в секунду в плоскости фотоприемника. С помощью зонда обнаружен и подробно исследован сильный (до 60Ц70 % полезного сигнала !) краевой эффект латеральной фоточувствительности ПЗИ-элементов, обусловленный диффузионным подтеканием фотоносителей под полевой электрод и контактные площадки. Найден диапазон V напряжений смещения, внутри которого вклад периферийного фотоответа незначителен и почти не искажает пространственную разрешающую способность многоэлементных ПЗИ.
Путем экранирования краевых областей в откорректированных микросхемах была практически полностью решена проблема латеральной фоточувствительности (рис. 4).
Описана и программно реализована математическая модель работы ПЗИ при динамической засветке элементов. Адекватность результатов расчета подтверждена экспериментально с использованием динамического ИК зонда.
Обнаружено, что в линейчатых и матричных структурах МДП-элементы, не имеющие гальванической связи с ячейками мультиплексора, существенно влияют на фотоответ соседних ячеек, который при этом заметно увеличивается. С помощью ИК зонда изучена "анатомия" избыточного фотоответа и доказано, что его природа состоит в диффузионно-обусловленном пополнении соседних потенциальных ям ПЗИ "чужими" фотоносителями. Малые скопления отсоединенных или аномально шумящих элементов выделены в класс пиксел-соизмеримых дефектов. Проанализировано их поведение во времени и влияние на работоспособность оптической системы.
Выявлено, что в составе гибридных линейных микросхем присутствуют как нормальные, малошумящие, так и аномальные элементы, напряжение шума которых превышает обычный уровень в 7 - 10 раз. Выяснено, что источником шума является шум сопротивления переходных контактов в зоне индиевых столбиков. Последнее было установлено экспериментально оригинальным способом - путем локального (микронных размеров) прицельного воздействия импульсным лазерным излучением на участки контактов, скрытых от возможности прямого механического доступа. Описано несколько моделей восстановления контакта Рис. 4. Полное устранение латеральной фоточувстпри лазерном облучении. Высокая вительности МДП-ПЗИ элементов путем экранироэффективность коррекции (рис. 5) вания периферии. Координатные характеристики достигнута в режиме in-situ, когда измерены в направлении поперек линейки. 1: элемент исходной конструкции (справа - эффект латепроцедура проводилась на ФПУ, ральной фоточувствительности). 2Ц4: ячейка новой подключенном к питанию. Треконфигурации в разных продольных сечениях.
буемое для достижения эффекта время экспозиции позволило определить глубину залегания дефекта.
Проанализированы источники перекрестных наводок, обусловленные физическим принципом работы многоэлементных ПЗИ с последовательным считыванием сигнала и связанные с перетеканием неосновных носителей в соседние потенциальные ямы в период импульса инжекции. Теоретически рассмотрен процесс перекрестной наводки в модели нестационарного изображения. Предложен и обоснован на разных примерах новый эффективный способ считывания сигнала, обеспечивающий снижение уровня перекрестных наводок в многоэлементных ПЗИ.
Пятая глава целиком посвящена коротковолновому спектрально-узкополосному матричному тепловидению и рассмотрению основанных на нем новых экспериментальных методов физических исследований, развитых с использованием арсенидиндиевых МДП-ПЗИ фотоприемников.
Наиболее адекватно метод тепловидения применим либо когда поверхностная тепловая картина формируется на тонком образце, либо когда тепловой процесс развивается непосредственно на поРис. 5. Эффект подавления шума в каналах спекверхности тела. Первый случай по- трометрического модуля ФПУ 1128.
лучил воплощение в новом методе определения диаграмм направленности источников излучения, который проиллюстрирован на рис. 6. Поток излучения направляется на тонкий экран индикатор, имеющий низкую теплопроводность и хорошо поглощающий в широком спектральном диапазоне (черное тело) или в заведомо известном спектральном диапазоне изРис. 6. Принцип измерения диаграмм направленности излулучения источника. Низчения (внизу) и примеры (двумерные и трехмерные) теплокая теплоемкость экрана вых портретов излучения комбинированных источников приводит к быстрому ра(вверху): сверху - 4 ИК диода (по краям) + полупроводнизогреву областей, куда ковый лазер (в центре), снизу - лазер выключен.
попадает излучение; разогрев выше там, где поглощенная энергия больше. Температурный "портрет" регистрируется тепловизионной камерой. Получена согласованная с результатами эксперимента простая формула восстановления энергетической освещенности I(X,Y) экранаиндикатора в точке (X,Y) из характеристик температурного поля:
I (X,Y ) = 2(h + 4 Ta3)[T (X,Y ) - Ta ], где T(X,Y) - локальная температура экрана, Ta - температура окружающей среды, h - коэффициент теплоотдачи, - постоянная Стефана-Больцмана. Описанный конвертер дает возможность с помощью тепловизора исследовать мощные и низкоинтенсивные источники ЭМ излучения практически всех диапазонов длин волн, а также потоки массивных частиц. Недавно предложенный метод был с успехом применен для визуализации диаграмм пространственного распределения терагерцового излучения лазера на свободных электронах (рабочий диапазон длин волн 120Ц180 мкм) [5, 6].
Второй случай реализован при изучении адсорбции молекул паров воды на поверхностях материалов. Экспериментально и достоверно зарегистрированное тепловизионным методом выделение теплоты адсорбции было образно названо "эффектом теплового пламени" (рис. 7). На промышленных тканях разного состава, использованных в качестве экспериментальных проб, в динамическом режиме измерений продемонстрировано существенное различие адсорбционной способности их поверхностей, вызывающей вариацию температурного эффекта на порядок величины. Обоснована промышленная применимость результатов и обращено внимание на целесообразность тепловизионного контроля для получения корректных изотерм адсорбции.
На основе уравнения теплового баланса проведена аналитическая оценка чувствительности тепловизионного метода к регистрации тепловых процессов при адсорбции. Получено простое соотношение между поверхностной концентрацией n адсорбата и соответствующим увеличением температуры T адсорбента:
n = cd NAT/( r), где c - удельная теплоемкость, d - Рис. 7. Выделение теплоты при адсорбции молекул воды на поверхности хлопчатобумажной ткани после толщина, - плотность адсорбиопускания края лоскута в жидкость ("эффект теплорующей подложки, r - удельная вого пламени"). Указано время после погружения.
теплота адсорбции, - молекулярная масса адсорбата, NA - число Авогадро, - показатель (1 или 2) числа адсорбирующих поверхностей. Найдено, что тепловизионным методом можно исследовать кинетику начальных стадий адсорбции из газовой фазы при эффективном покрытии поверхности адсорбента пленкой молекул адсорбата с эффективной толщиной всего десятые и сотые доли монослоя (!).
Описан новый метод измерения спектрального коэффициента излучения (коэффициента черноты) поверхностей, основанный на использовании внешнего источника теплового излучения и тепловизора с узкой спектральной полосой чувствительности. Этим методом определены значения одиннадцати образцов разнообразных искусственных и естественных тканей вблизи длины волны 3 мкм.
Предложены и описаны методы спектрально-узкополосной тепловизионной дефектоскопии в полупроводниковой технологии. Продемонстрирована возможность тепловизионной интраскопии трещин в полупроводниковых слитках. Подробно представлен метод контроля скрытых границ раздела контактирующих поверхностей в многослойных полупроводниковых структурах. При всегда выполненном в рассматриваемых тепловизорах критерии узкополосности < 0 (см. Гл. 3) можно наблюдать четкую интерференционную картину в проекции полостей микронных толщин между пластинами, если облучать слоистую структуру от источника сплошного спектра и регистрировать термо-интерферограмму в режимах на отражение и/или на просвет (рис. 8). Исследованы разные типы слоистых структур.
Приведены результаты тепловизионной дефектоскопии готовых изделий полупроводниковой электроники - бескорпусных кремниевых высоковольтных диодов.
При обратном смещении в средней части и на периферии ряда диодов возникали локальные участки избыточного излучения в ИК области спектра. Началу свечения (по мере увеличения напряжения) соответствовало возрастание тока утечки через диод, что позволило связать эффект с возникновением токовых шнуров, вызывающих локальный разогрев. Травление металла в зоне свечения не устранило эффект, но с по мощью дополнительной ИК оптики дало возможность прецизионно выявить микротопографию излучающего пятна, обнаружив в его пределах три токовых шнура.
Кратко описаны результаты применения рассматриваемых тепловизоров к решению задач экспериментальной механики, полученные совместно с сотрудниками ИФТПС СО РАН.
В ряде тепловизионных экспериментов объектом исследования выступала поверхность живого организма (организма человека). Физические свойства такой поверхности определяютРис. 8. Тепловизионные интерферося гидродинамическими, теплофизическими, опграммы полупроводниковых структическими и другими характеристиками кожи и тур, полученных методом прямого приповерхностных тканей. Уникальные проявсращивания, где присутствуют ления живого объекта вскрыли ряд существенскрытые дефекты на границах разных Уподводных камнейФ матричного теплови- дела пластин. Изображения слева получены по оптической схеме "на дения, позволили внести усовершенствования в просвет", справа - "на отражение".
техническую и программную части арсенидиндиевых приборов, глубже понять ряд тонкостей, связанных с функционированием МДП-структур, работающих в режиме неравновесного обеднения в составе многоэлементных ФПУ. При этом и сами Уэкспериментальные образцыФ, изучавшиеся с использованием столь чувствительной и быстродействующей тепловизионной аппаратуры, также представляли немалый академический интерес. В ходе тепловизионных исследований был обнаружен ряд новых, ранее неизвестных, проявлений, характерных для организма человека, что позволило пополнить новыми знаниями, экспериментальными методами и результатами биологическую науку. Применение спектрально-узкополосного матричного тепловидения для задач физиологии человека представлено на примерах изучения механизмов терморегуляции. С высоким пространственным разрешением (56 мкм 56 мкм на поверхности объекта) исследованы отдельные кожные железы и их ограниченные группы. Удалось зарегистрировать температурное поле одиночной потовой железы и пронаблюдать кинетику его изменения в реальном масштабе времени. Количественная картина процесса представлена на рис. 9.
Семилетнее прицельное наблюдение за одним и тем же участком кожи разных людей позволило с помощью тепловидения впервые обнаружить новое природное явление, выраженное в стабильной гиперфункции отдельных потовых желез и их определенных групп, которому было присвоено имя стабильный точечный гипергидроз.
Впервые получены тепловизионные научные результаты исследований в сфере немедицинской косметологии. Определен список физических и физиологических факторов, обосновывающий адекватность применения метода дистанционной термографии в этой области. Обосновано применение тепловидения в системе телемедицины. В условиях лаборатории ИФП СО РАН проведены модельные эксперименты, продемонстрировавшие такую возможность. В октябре 2004 г. в Москве на Научной сессии ОИТ и ВС РАН совместно с ОМН РАН и ОБН РАН соискателем сделан научный доклад на эту тему.
В шестой главе приведено описание новых эмпирических и математических подходов к количественному анализу температурных полей. Основное внимание уделено анализу гетерогенных термограмм, характеризуюРис. 9. Кинетика изменения температурного щихся резко неоднородным распредеполя в окрестности устья выводного протока лением температуры по полю изобра- одиночной потовой железы (наблюдение в реальном масштабе времени).
жения. Установлено, что такие картины возникают, в частности, на поверхности тела человека при физических и общих тепловых нагрузках на организм, но важно, что они периодически встречаются и в ходе обычного обследования людей. К началу диссертационных работ медицинская тепловизионная диагностика не располагала количественными методами анализа и интерпретации резко гетерогенных термограмм.
Представлено несколько подходов к количественному описанию гетерогенных термограмм. Один из них основан на концепциях математической статистики. Значение температуры Tij, соответствующее пикселу с номером (i, j) двумерного матричного изображения, рассматривается как случайная величина в совокупном ансамбле, включающем десятки (а для больших матриц - сотни) тысяч таких дискретных значений. В биомедицинских приложениях неоднородная поверхностная тепловая картина отражает состояние открытой неравновесной термодинамической системы, которую представляет организм человека. В норме полученные интегрально по всей поверхности координатно-температурные статистические характеристики (например, функция распределения Tij) и рассчитанные по ним параметры статистики определяют некоторую базовую линию, отклонения от которой могут свидетельствовать о тех или иных нарушениях. В отличие от классического анализа термограмм, статистические характеристики не замыкаются на частные элементы теплового рисунка. Аккумулируя в себе всю ту же полную информацию об объекте, они отражают состояние исследуемой системы наиболее естественным языком природы - языком термодинамики и статистической физики.
Описана процедура регистрации и поэтапной обработки термограмм с использованием статистического подхода, разобраны источники артефактов, представлен ряд методологических особенностей экспериментальной статистической термографии.
Показано, что плодотворным приемом при анализе неоднородных тепловых полей служит построение гистограмм распределения температуры Tij в пределах кадра или его фрагментов, а высокоинформативными характеристиками гистограмм примени тельно к исследованию тепловых картин на коже человека являются средняя поверхностная температура и среднее квадратичное отклонение температуры. Выбор интервала дискретизации T гистограммы должен осуществляться с учетом присущего каждой фоточувствительной ячейке шума Tij(t). В диссертационных исследованиях отношение T к усредненному по матрице среднему квадратичному отклонению величины Tij находилось в пределах 4Ц8, что позволило уверенно регистрировать изменения, на изучение которых была нацелена эта часть работы.
Оригинальные экспериментальные материалы получены при исследовании поверхности тела чеРис. 10. Трансформация гистограммы распределеловека, подверженного физическим ния температуры тела при перегреве организма.
T0, w, A - константы нормального (гауссова) раснагрузкам на велотренажере и обпределения. Здесь T0 33.58C, w 1.03C.
щим тепловым нагрузкам в условиях сауны. Наиболее значимые результаты данных исследований вошли в опубликованную диссертантом монографию и в зарубежный обзор, получив отклик в мировой научной литературе [7, 8]. На рис. 10 продемонстрирована трансформация гистограммы распределения поверхностной температуры под влиянием общей гипертермии. Видно, что после теплового воздействия центр тяжести характеристики переносится вправо. Резкий спад в области высоких температур говорит о том, что организму существенно не хватает скорости отвода тепла по механизму испарения (потоотделения), и происходит интенсивное расширение сети терморегуляторных поверхностных сосудов. Обнаружено, что характерным свойством температурных гистограмм поверхности тела в норме (без нагрузки) является их симметричная форма с одним максимумом. При этом распределение температуры удовлетворительно описывается функцией нормального (гауссова) распределения, что продемонстрировано в верхней части рис. 10.
Замечено, что из гетерогенной термограммы можно получить относительно гомогенную (плавную) путем простой перестановки пикселов, а потому и резко гетерогенная, и достаточно диффузная для восприятия тепловые картины могут давать одни и те же гистограммы. Этим показано, что степень гетерогенности изображения должна рассматриваться, как независимая информативная характеристика теплового поля.
Такая характеристика требует разработки методов ее количественного описания. По скольку интегральная гетерогенная картина на поверхности тела формируется путем наложения проекций заглубленных источников повышенного тепловыделения (в основном, сосудов), актуальным является поиск корреляции между степенью гетерогенности температурной картины и состоянием организма. Описаны и опробованы три алгоритмических подхода к количественному описанию степени гетерогенности:
подход, основанный на Фурье-анализе изображения; подход, использующий вейвлетные преобразования Хаара, и прямой статистический анализ распределения поверхностных локальных очагов гипертермии ("метод затопления трехмерного теплового ландшафта").
Приведены результаты трехмерного компьютерного моделирования теплопереноса в живых тканях, основанные на решении уравнения передачи биологического тепла Пеннеса, с целью изучения применимости тепловидения для исследования процессов в средах с изотропной конвекцией.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ 1. Решена крупная научная проблема, состоящая в разработке и развитии базовых физических принципов построения спектрально-широкодиапазонной многоканальной спектрометрии и коротковолнового спектрально-узкополосного матричного тепловидения на основе использования фоточувствительных арсенид-индиевых МДП-ПЗИ структур с зарядовой инжекцией.
2. Подробно изучены физические процессы и явления, протекающие в МДПструктурах и фотоэлементах на основе узкозонных полупроводников типа A3B5 InSb и InAs, что было направлено на построение на новой элементной базе многоканальной спектрометрии и матричного тепловидения. При этом а) установлено, что доминирующим механизмом при инжекции и растекании заряда в МДП-структурах при T 80 К в сильном электрическом поле E 106 В/см является механизм туннелирования электронов; адекватным приближением для количественного описания туннелирования при этом служит барьер треугольной формы;
б) обнаружен эффект снижения эффективности зарядовой инжекции в МДПструктурах при подаче серии коротких импульсов напряжения по сравнению с одиночным импульсом суммарной длительности и такой же амплитуды; явление объяснено влиянием неравновесного обеднения поверхности InAs;
в) обнаружен эффект латерального растекания заряда (электронов) по поверхности низкотемпературного пиролитического SiO2; приводящий к созданию охранного кольца на образцах p-типа и увеличению фотоответа на образцах n-типа;
г) с помощью разработанного прецизионного автоматизированного ИК зонда обнаружена высокая (на уровне десятков процентов) избыточная латеральная фоточувствительность ПЗИ-элементов, обусловленная диффузионным подтеканием дырок, фотогенерированных в краевых областях ячейки, под полевой электрод и контактные площадки;
д) показано, что при отсоединении фоточувствительной ячейки от ячейки мультиплексора на соседних площадках возникает избыточный фотоответ, обусловленный подтеканием "чужих" фотоносителей; методом ИК-зондирования исследована "ана томия" избыточного фотоответа.
3. Достоверно показано, что арсенид-индиевые фоточувствительные ПЗИэлементы со структурой МДП можно полноценно использовать в многоканальных линейчатых и матричных ФПУ, предназначенных для широкодиапазонной спектрометрии и спектрально-узкополосного тепловидения. При этом доказано, что InAs может рассматриваться как оптимальный материал для применения в тепловизорах медицинского и иного назначений, когда не требуется изучать объекты слишком низких (например, меньших 10С) температур.
4. Разработан новый метод измерения фундаментальных физических параметров МДП-структур, основанный на анализе их зарядовой нестабильности в сильном электрическом поле. Экспериментально определены значения параметров МДП-структур на основе InSb и InAs - высота потенциальных барьеров на границе металлдиэлектрик, полупроводник-диэлектрик, глубина энергетических уровней ловушек в диэлектрике, эффективная масса электрона в запрещенной зоне диэлектрика. Установлено, что с учетом поверхностного изгиба зон InAs в сильном электрическом поле высота потенциального барьера для электронов на границе InAsЦSiO2 составляет 3.3 - 3.4 эВ для значения эффективной массы электрона в барьере (0.55Ц0.50)m0, где m0 - масса свободного электрона.
5. Выявлены источники избыточного шума, характерные для каналов линейчатых гибридных микросхем; разработан и реализован метод его эффективного подавления, основанный на использовании импульсной лазерной коррекции in-situ.
6. Для инфракрасной (до 3.05 мкм) и, одновременно, видимой (от 0.5 мкм) областей спектра разработан и практически реализован метод многоканальной спектрометрии; для работы в данном диапазоне впервые созданы широкополосные многоканальные спектрометры на базе арсенид-индиевых МДП-ПЗИ многоэлементных линейных детекторов излучения.
7. На базе матричного арсенид-индиевого МДП-ПЗИ фотоприемника коллективно при участии соискателя разработан тепловизор, доведенный до уровня промышленного образца, рекомендованный Минздравом РФ к серийному производству и применению в медицинской практике и внесенный в Государственный реестр изделий медицинского назначения и медицинской техники.
8. Разработано и освоено новое направление в экспериментальной физике - коротковолновое (вблизи длины волны 3 мкм) спектрально-узкополосное матричное тепловидение - и всесторонне подтверждена его высокая информативность.
9. Показано, что коротковолновое спектрально-узкополосное тепловидение может быть с успехом использовано как инструмент исследования и средство измерений физических величин в различных областях физики - экспериментальной механике, лазерной физике, физике полупроводниковых приборов, физике живых систем и т. д.
10. На основе применения в тепловидении коротковолновых спектральноузкополосных ИК детекторов разработаны и реализованы новые аналитикоэкспериментальные методы физических исследований (определение спектрального коэффициента излучения поверхности, диаграмм направленности источников излучения, дефектоскопия скрытых полостей в слоистых системах и др.).
11. Расширены экспериментальные возможности тепловидения в плане количественного изучения новых для этого метода объектов и природных явлений (адсорбция, перспирация, распределение энергии в потоке ЭМ излучения и др.), а также в плане математической обработки температурных полей; осуществлен количественный подход к анализу многих тепловых явлений, ранее представленных в тепловидении лишь на уровне качественного описания термограмм (особенности процессов теплообмена и терморегуляции живых организмов и др.).
12. Визуализирован и исследован тепловой эффект, связанный с адсорбцией молекул газа на твердой поверхности и названный "эффектом теплового пламени". Обнаружено его изменение в пределах порядка величины. Оценено, что с помощью матричного тепловидения возможно изучать кинетику начальных стадий адсорбции при эффективном покрытии поверхности адсорбента слоем молекул адсорбата с эффективной толщиной всего десятые и сотые доли монослоя. Этот результат открывает широкие перспективы перед тепловидением как экспериментальным методом для его применения в физике поверхности твердого тела, химической и молекулярной физике.
13. Обнаружен ряд новых температурных проявлений при тепловизионном исследовании кожи человека как физического объекта живой природы:
а) при изучении кожи лица в ИК диапазоне обнаружена аномальная нестабильность температуры в области носа (увеличение за несколько минут на 9 градусов при сохранении почти неизменной на остальной площади); обращено внимание на возможное использование данного явления применительно к медицине;
б) зарегистрировано новое явление природы - стабильный точечный гипергидроз;
в) установлено, что физические и общие тепловые нагрузки на организм приводят к резкой гетерогенности тепловой картины поверхности тела;
г) обнаружено, что характерная для организма в спокойном состоянии функция распределения его поверхностной температуры близка к функции нормального распределения; показано, что фундаментальной задачей является анализ трансформаций гистограмм поверхностного распределения температуры и поиск обуславливающих эти трансформации причин.
14. Обоснована и продемонстрирована адекватность применения методов математической статистики для анализа тепловых изображений, получаемых в сфере биомедицинского тепловидения.
15. С целью количественного описания степени гетерогенности термограмм предложены и опробованы математические методы, основанные на Фурье-анализе теплового изображения, вейвлетных преобразованиях Хаара и прямом статистическом анализе распределения поверхностных локальных очагов гипертермии. Показана адекватность разработанного метода компьютерного анализа тепловых полей.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Монографии:
1. Вайнер Б.Г. Матричное тепловидение в физиологии : Исследование сосудистых реакций, перспирации и терморегуляции у человека. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2004. - 96 с.
2. Система кровообращения и артериальная гипертония: биофизические и генетико-физиологические механизмы, математическое и компьютерное моделирование/ Авторы: Багаев С.Н., Бибердорф Э.А., Блохин А.М., Вайнер Б.Г., Евшин И.С., Захаров В.Н., Иванова Л.Н., Колпаков Ф.А., Леонова Т.И., Маркель А.Л., Медведев А.Е., Москалев А.С., Орлов В.А., Панов С.В., Попова Н.И., Самсонов В.И., Семисалов Б.В., Тарков М.С., Трохинин Ю.Л., Фомин В.М., Фомин Ю.Н., Шарипов Р.Н., Якобсон Г.С./ Отв. ред. Л.Н.Иванова, А.М.Блохин. - Новосибирск, Изд-во СО РАН, 2008, 252 с.
- с. 205Ц249.
3. Body temperature regulation/ The authors: B.G.Vainer, A.D.Flouris, S.S.Cheung, S.Yahav, D.Shinder, et al./ Austin B. Cisneros and Bryan L. Goins, Editors. - Nova Science Publishers, Inc., New York, 2009. - 360 pp.
Статьи в рецензируемых международных журналах:
4. Vainer B.G. Focal plane array based infrared thermography in fine physical experiment. - J. Phys. D: Appl. Phys., 2008, vol. 41, no. 6, p. 065102 (12 pp.).
5. Vainer B.G. Quantitative characterization of vapour adsorption on solid surfaces and estimation of emissivity of solids using narrow-band short-wave infrared thermography.
- Quantitative Infrared Thermography (QIRT Journal), 2008, vol. 5, no. 2, p. 175Ц193.
6. Vainer B. G., Moskalev A. S. Heterogeneous thermograms: the methods of attack.
- Acta Bio-Optica et Informatica Medica, 2008, vol. 14, no. 2, p. 143Ц144.
7. Vainer B.G. FPA-based infrared thermography as applied to the study of cutaneous perspiration and stimulated vascular response in humans. - Phys. Med. Biol., 2005, vol.
50, p. R63ЦR94.
8. Vainer B. G. Limitary operation conditions affecting CID short-wave infrared detector performance. - Meas. Sci. Technol., 2004, vol. 15, no. 5, p. 821Ц830.
9. Vainer B. G. Treated skin temperature regularities revealed by IR thermography. - Proc. SPIE, 2001, vol. 4360, p. 470Ц481.
10. Vainer B. G. Excess lateral photo-response caused by technological and constructive defects in the IR-sensitive hybrid microcircuits. - J. Cryst. Growth, 2000, vol. 210, no.
1Ц3, p. 356Ц360.
11. Vainer B. G., Kamaev G. N., Kuryshev G. L. Application of the narrow spectral range InAs-FPA-based IR camera for the investigation of the interface voids in silicon wafer bonding. - J. Cryst. Growth, 2000, vol. 210, no. 1Ц3, p. 351Ц355.
Статьи в рецензируемых российских журналах:
12. Вайнер Б. Г. Фундаментальные проблемы функционирования многоэлементных ПЗИ-фотоприемников на основе узкозонных полупроводников. - Электроника Сибири, 2008, № 3, с. 87Ц94.
13. Вайнер Б. Г. Тепловидение и спектрометрия, реализованные с использованием арсенид-индиевых многоэлементных ПЗИ-фотоприемников. - Электроника Сибири, 2008, № 3, 2008, с. 95Ц102.
14. Маркель А. Л., Вайнер Б. Г. Инфракрасная термография в диагностике рака молочной железы: обзор зарубежной литературы. - Терапевтический архив, 2005, т.
77, № 10, с. 57Ц61.
15. Вайнер Б. Г. Тепловизионный мониторинг в косметологии. - Инновации, 2005, № 7, с. 119Ц122.
16. Вайнер Б. Г. Влияние напряжения смещения на поверхностное распределение локального фотоотклика в МДП ПЗИ-ячейках, частично экранированных от латеральной засветки. - Автометрия, 2002, т. 38, № 6, с. 88Ц104.
17. Лукин Е. С., Иванов А. М., Вайнер Б. Г. Тепловизионные исследования в экспериментальной механике. - Дефектоскопия, 2003, № 6, с. 70Ц77.
18. Вайнер Б.Г. Коротковолновые матричные тепловизоры - оптимальное средство медицинской диагностики и контроля. - Больн. лист, 2002, № 9, с. 14Ц21.
19. Вайнер Б. Медицинское тепловидение высокого разрешения: новые возможности. - Врач, 1999, № 2, с. 25Ц27.
20. Вайнер Б. Матричные тепловизионные системы в медицине. - Врач, 1999, № 10, с. 30Ц31.
21. Курышев Г.Л., Ковчавцев А.П., Вайнер Б.Г., Гузев А.А., Базовкин В.М., Строганов А.С., Субботин И.М., Захаров И.М., Ефимов В.М., Постников К.О., Ли И.И., Валишева Н.А., Панова З.В. Медицинский тепловизор на основе матричного ФПУ 128128 для диапазона длин волн 2.8Ц3.05 мкм. - Автометрия, 1998, № 4, с. 5 - 12.
22. Вайнер Б. Г., Костин В. В., Курышев Г. Л. Увеличение фотоответа в структурах металЦдиэлектрикЦполупроводник (МДП) после приложения сильного электрического поля. - ФТП, 1983, т. 17, № 10, с. 1885Ц1886.
23. Вайнер Б. Г., Курышев Г. Л. Механизмы зарядовой нестабильности в МДПструктурах на основе InSb с диэлектриками, синтезированными при низкой температуре. - Микроэлектроника, 1981, т. 10, № 4, с. 327Ц332.
24. Вайнер Б. Г., Курышев Г. Л. Определение высоты барьера AlЦAl2O3 и положения центроида накопленного заряда в МДП-структурах на основе InSb. - Микроэлектроника, 1981, т. 10, № 4, с. 367Ц369.
25. Вайнер Б. Г., Колосанов В. А., Курышев Г. Л. Накопление заряда в МДПструктурах на основе InSb. - ФТП, 1979, т. 13, № 4, с. 735Ц740.
26. Вайнер Б. Г., Колосанов В. А., Курышев Г. Л. Распределение заряда в МНОП-транзисторе на кремнии при наличии градиента электрического поля вдоль поверхности. - Микроэлектроника, 1976, т. 5, № 5, с. 424Ц429.
Патенты и авторское свидетельство:
27. Вайнер Б. Г., Камаев Г. Н., Курышев Г. Л. Устройство для контроля скрытой границы раздела контактирующих поверхностей (варианты). Патент РФ № 21871на изобретение, выд. 10.08.2002 г. Приоритет от 18.05.99 г.
28. Вайнер Б.Г., Ли И.И., Курышев Г.Л., Ковчавцев А.П., Базовкин В.М., Захаров И.М., Гузев А.А., Субботин И.М., Ефимов В.М., Валишева Н.А., Строганов А.С.
Матричный тепловизор. - Патент РФ № 2152138 на изобретение, выд. 27.06.2000 г.
Приоритет от 30.11.98 г.
29. Беленький В. Я., Вайнер Б. Г. Метод оценки эффективности действия косметических средств и процедур. - Патент РФ № 2142634 на изобретение, выд.
10.12.1999 г. Приоритет от 15.09.97 г.
30. Вайнер Б. Г. Способ считывания сигнала в многоэлементном линейном при боре с зарядовой инжекцией. Авт. свид. на изобретение № 1639349, 1990 г. Приоритет от 16.06.1989 г. Опубл. в RU БИПМ, № 12, 27.04.2000, с. 446.
Материалы (труды) международных конференций:
31. Vainer B., Moskalev A. Heterogeneous thermograms: the methods of attack. - In:
QIRT2008, 9-th International Conference on Quantitative InfraRed Thermography, Proceedings, July 2-5, 2008, Krakow-Poland. - Edited by Boguslaw Wiecek. - Poland, Technical University of Lodz, Institute of Electronics, 2008, p. 157Ц164.
32. Tarkov M. S., Vainer B. G., Evaluation of a thermogram heterogeneity based on the wavelet Haar transform. - IEEE International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON-2007). Proceedings. - Tomsk: The Tomsk IEEE Chapter & Student Branch. Russia, Tomsk, April 20Ц21, 2007, p. 145Ц152.
33. Ivanov A. M., Lukin E. S., Vainer B. G. Evaluation of storage energy of the constructional steel during plastic deformation. - In: QIRTТ2006, 8-th conference on Quantitative InfraRed Thermography, Italy, Padova, June 28-30, 2006. - Italy, 2006, 6 pp. - Proceedings on-line: 34. Вайнер Б. Г. Изучение физиологических функций организма человека методами матричного тепловидения. - В сб.: II Евразийский конгресс по медицинской физике и инженерии "Медицинская физика-2005", Москва, 21Ц24 июня, 2005. Сборник материалов. - 2005, Москва, МГУ им. М.В.Ломоносова, с. 340Ц341.
35. Vainer B., Belozerov P., Baranov V. Use of IR thermography for bioheat transfer studies. - In: Proc. 7th Intern. Conf on Quantitative IR Thermography, July 5Ц8, 2004, von Karman Inst. for Fluid Dynamics, Rhode-St-Genese, Belgium, 2004, p. J.8.1ЦJ.8.4.
36. Vainer B. G., Kurishev G. L. Irregular pixel defects in hybrid IR-sensitive integrated circuits and their effect on results of measurements in medicine and multichannel spectrometry. - In: 2002 6-th International Conference on Actual Problems of Electronic Instrument Engineering, APEIE-2002, Novosibirsk, September 23Ц26, 2002. Proceedings, Volume 1. - Russia, Novosibirsk, State Techn. Univ., 2002, p. 77Ц85.
37. Вайнер Б. Г. Фотоотклик МДП-ПЗИ-ячеек многоэлементных линейчатых структур при засветке от источника излучения с динамическими пространственновременными характеристиками. В сб.: Материалы VI Международной конференции Актуальные проблемы электронного приборостроения, АПЭП-2002, Новосибирск, 23Ц26 сентября, 2002. В 7 томах. Том 2. - Новосибирск, НГТУ, 2002, с. 124Ц131.
38. Vainer B. G. Narrow spectral range infrared thermography in the vicinity of 3 m operating wavelength // In: Quantitative InfraRed Thermography 5, Eurotherm Seminar 64, QIRTТ2000, Reims, France, July 18-21, 2000. Proceedings. Ed. by D.Balageas, J.L.Beaudoin, G.Busse, and G.M.Carlomagno // France, UTAP URCA, 2000. P. 84Ц91.
39. Vainer B. G., Kupershtokh A. L. Measurements of statistical lag time of breakdown in thin amorphous layers of SiO2. Conference record of the IEEE International Symposium on Electrical Insulation, Arlington, Virginia, USA, June 7Ц10, 1998. - Washington, IEEE, 1998, vol. 1, p. 169Ц172.
40. Kogan E., Kovchavtsev A., Kurishev G., Logvinsky L., Pan M., Polovinkin V., Sagdeev D., Subbotin I., Vainer B. IR spectrometer with 512 InAs-cell MOS detector. - In:
Opto-92. Palais des Congres, 14Ц16 Avril, 1992. Douziemes Journees Professionnelles. Fi bres Optiques, Lasers, Optique, Visualisation, Optoelectronique. - Paris, ESI publications, 1992, p. 620Ц622.
41. Вайнер Б. Г. МДП-структуры на узкозонных полупроводниках типа A3B5 в сильном электрическом поле. - В сб.: 35 Internationales Wissenschaftliches Kolloquium.
22Ц25.10.1990. Heft 4. - DDR, Technische Hochschule Ilmenau, 1990, с. 44Ц47.
Материалы (труды) всесоюзных и всероссийских конференций:
42. Вайнер Б. Г. Определение высоты потенциального барьера для электронов на границе InSbЦSiO2 и InAsЦSiO2. - В сб.: IХ Всесоюзный симпозиум "Электронные процессы на поверхности и в тонких слоях полупроводников", Новосибирск, 15Циюня 1988 г. Ч. 1. - Новосибирск, СО АН СССР, 1988, с. 68Ц69.
43. Вайнер Б. Г., Жмуриков Е. И. Низковольтный гистерезис в МДП-структурах на основе InSb с анодно окисленной поверхностью. - В сб.: VII Всесоюзный симпозиум по электронным процессам на поверхности полупроводников и границе раздела полупроводникЦдиэлектрик. - Новосибирск, СО АН СССР, 1980, Ч. 1, с. 36Ц37.
ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. Woolaway J. T. New sensor technology for the 3- to 5-m imaging band. - Photonics Spectra, 1991, vol. 25, no. 2, p. 113Ц119.
2. Свойства структур металл-диэлектрик-полупроводник/ Авторы: А.В.Ржанов, Т.Е.Ковалевская, И.Г.Неизвестный, В.Н.Овсюк, А.К.Захаров, А.А.Гузев, Г.Л.Курышев, С.П.Синица, С.В.Покровская, В.А.Гриценко, А.С.Волков, С.И.Стенин, О.П.Пчеляков, Е.Н.Труханов, М.П.Синюков/Под. ред. чл.-корр. РАН А.В.Ржанова. - Наука, М., 1976. - 280 с.
3. Приборы с зарядовой связью: Пер. с англ./Под ред. Д.Ф.Барба. - М.: Мир, 1982. - 240 с.
4. Fowler R. H., Nordheim L. Electron emission in intense electric fields. - Proc. Roy.
Soc., 1928, vol. 119, no. A781, p. 173Ц181.
5. Cherkassky V. S., Knyazev B. A., Kubarev V. V., Kulipanov G. N., Kuryshev G. L., Matveenko A. N., Petrov A. K., Popik V. M., Scheglov M. A., Shevchenko O. A., Vinokurov N. A. Imaging techniques for a high-power THz free electron laser. - Nuclear Instruments & Methods in Physics Research, Section A, 2005, vol. 543, No. 1, p. 102Ц109.
6. Винокуров Н. А., Князев Б. А., Кулипанов Г. Н., Матвеенко А. Н., Попик В.
М., Черкасский В. С., Щеглов М. А. Визуализация излучения мощного терагерцового лазера на свободных электронах с помощью термочувствительного интерферометра.
- ЖТФ, 2007, т. 77, вып. 7, с. 91Ц100.
7. Bagavathiappan S., Saravanan T., Philip J., Jayakumar T., Raj B., Karunanithi R., Panicker T. M. R., Korath M. P., Jagadeesan K. Infrared thermal imaging for detection of peripheral vascular disorders. - J. Med. Phys., 2009, vol. 34, no. 1, p. 43Ц47.
8. Ferreira J.. A., Mendonca L. C. S., Nunes L. A. O., Andrade Filho A. C. C., Rebelatto J. R., Salvini T. F. Exercise-associated thermographic changes in young and elderly subjects. - Annals Biomed. Eng., 2008, vol. 36, no. 8, pp. 1420Ц1427.
Подписано в печать 2009 г. Формат 60x90 1/16.
Усл. печ. л. 2,0. Уч.-изд. л.. Тираж 100 экз. Заказ. Бесплатно.
630090, Новосибирск,,, Ротапринт.