Ефектът на проникващата радиация върху електронните продукти
Глава 1. Видове проникваща радиация и техните основни характеристики
Радиоелектронното оборудване на съвременните обекти на космическата и ядрената технология работи под въздействието на йонизиращо лъчение. Според състава на частиците йонизиращото лъчение се разделя на следните основни видове: у-лъчение, неутронно, електронно, протонно.
В допълнение към тези видове радиация, алфа частици (a), фрагменти от делене и други частици, които се срещат в ядрен реактор или в зона на ядрена експлозия, също могат да имат забележим ефект върху материалите и продуктите, но тежките частици имат много ниска проникваща способност и няма да повлияят на продуктите. Действието на други частици (неутрино, мезони и др.), възникващи в космически условия или в активната зона на ядрен реактор, може да бъде практически пренебрегнато поради изключително ниската им степен на въздействие.
Основните характеристики на йонизиращото лъчение са енергията на частиците, изразена в електронволта (eV), и плътността на потока на частиците, изразена като броя на частиците, преминаващи през единица площ за единица време. Понастоящем, както у нас, така и в чужбина, е обичайно да се използва броят на частиците, преминаващи през площ от 1 cm 2 за 1 s, като мярка за плътността на потока на частиците φ.
При реални условия йонизиращото лъчение обикновено има сложно енергийно разпределение на частиците - енергийния спектър. Нивото на излагане на проникваща радиация зависи от времето на излагане на радиация с дадена плътност на потока върху веществото и се изразява чрез броя на частиците, преминали през площ от 1 cm 2 по време на облъчване с интегрален поток.
Други характеристики на въздействието върху веществото на радиация със сложен енергиен спектър са дозата и мощността на дозата. Дозата радиация е количеството енергияпредавана на веществото чрез радиация на единица маса, мощност на дозата - стойността на дозата, отнесена към единица време.
Действието на йонизиращите лъчения върху материалите и продуктите може да се раздели на импулсно (за много кратко време) и продължително (продължително).
Има голяма разлика между влиянието на импулсното лъчение в резултат на ядрен взрив и непрекъснатото лъчение, действащо върху обекти с атомни електроцентрали и космически обекти.
Въздействието на непрекъснатото проникващо лъчение води до постепенна необратима промяна в електрическите параметри на електронните продукти, причинена главно от размествания на атоми, т.е. нарушения в структурата на материала, както и лека промяна в химичния състав (активиране).
Импулсното лъчение, действащо за кратко време (10 -7 -10 -3 s), заедно с необратима промяна в електрическите параметри на електронни продукти, подобно на ефекта на непрекъснато проникващо лъчение, създава много висока плътност на йонизация както в самите облъчени продукти, така и около продуктите (йонизация на въздуха). Това, като правило, води до обратима промяна в електрическите параметри на продуктите.
Следователно при условия на излагане на йонизиращо лъчение се изследват необратими промени в електрическите параметри на материалите и електронните продукти в зависимост от интегралния поток на частиците или радиационната доза и обратими промени в зависимост от плътността на потока или мощността на дозата.
Глава 2. Ефектът на радиацията върху структурните материали на електронните продукти
Вече е установено [26–36], че основните параметри на реалните кристали (електрическа и топлопроводимост, механични, оптични и магнитни свойства,коефициенти на дифузия и др.) са свързани с точкови дефекти. Следователно тези дефекти (и техните вторични образувания) ще определят комплекса от електрически параметри на онези елементи на електронната технология, чиято основа е кристалната структура.
В резултат на въздействието на ядрената радиация във всички твърди тела, независимо от вида на структурата, могат да възникнат размествания на атоми с образуването на свободни места и интерстициални атоми. С натрупването на тези дефекти, когато броят им стане сравним с първоначалния брой, присъщ на този материал или продукт, електрическите свойства започват да се променят значително.
Основите на теоретичните идеи за процеса на възникване на радиационни дефекти са изложени в трудовете на Бор [28], Зайц [29], Дийн и Винярд [30, 37], Кинчин и Пийз [31], Кейуел [38, 39], Харисън [40], Вавилов [27, 32, 41] и други изследователи. Повечето от тези теории, когато изчисляват общия брой премествания, се основават на опростени концепции (моделът на взаимодействието на твърди топки) и като правило не отчитат влиянието на нееластични процеси. В теорията на Линдхард [42], разработена от Щайн [43], тези процеси са взети предвид.
Основната отправна точка на теорията за радиационните увреждания в твърдото тяло е предположението за образуването на първични дефекти като двойка Френкел (свободно място и интерстициален атом) в кристална решетка в резултат на еластичен сблъсък на движеща се частица с атомно ядро или с атом на вещество.
Глава 3. Ефектът на радиацията върху полупроводникови устройства и интегрални схеми
В момента има значителен брой произведения, посветени на изследването на механизмите на разграждане на биполярни транзистори под въздействието на проникваща радиация. Някои от тях са широко обобщени, напрмонографии на В. С. Вавилов, Н. А. Ухин [27] и Ф. Ларин [116].
Експериментално е доказано, че повечето от параметрите на биполярните транзистори се променят по време на облъчване. Сред тях обаче може да се разграничи основният - статичният коефициент на пренос на ток, чието намаляване по време на облъчване ограничава радиационната устойчивост на много класове вериги, базирани на транзистори [(27, 116).
В общия случай промяната в този параметър се дължи на промяна както в обема, така и в повърхностни свойства на полупроводниците. Както е показано по-горе, радиацията, която губи по-голямата част от енергията си по време на еластичното разсейване, създава главно радиационни дефекти в обема на полупроводника, което води до промяна в живота, концентрацията и подвижността на носителите на заряд. Излъчванията, които при преминаване през вещество губят енергията си поради нееластично разсейване, йонизират газа в корпуса на устройството, генерират и възбуждат свободни носители на заряд, което може да доведе до промяна в повърхностните свойства на полупроводниците поради улавяне на генерирани носители от повърхностни нива или отлагане на заредени йони върху кристалната повърхност.
За транзистори без дрейф с хомогенна достатъчно дебела основа при наличие само на обемни промени, като се използва теоретично известната връзка между граничната честота на коефициента на пренос на ток във верига с общ емитер и рекомбинационни загуби: в основата [117], както и връзката (2.22), може да се получи израз, описващ промяната в коефициента на пренос на статичен ток във верига с общ емитер при облъчване.
Глава 4. Въздействие на радиацията върху пиезокварцови материали и изделия
Пиезокварцовите продукти са най-критичните функционални елементи на електронното оборудване. Благодарение на късметлияБлагодарение на комбинацията от механични, електрически и оптични свойства, кристалният кварц заема изключително място в науката и технологиите (високо стабилни кварцови осцилатори, електрически филтри, ултразвукови устройства). Кварцът е комбинация от силициеви атоми с кислородни атоми. Въпреки че силициевият оксид е широко разпространено съединение на земята, прозрачните кварцови кристали, подходящи за използване в електронната индустрия, са доста редки.
В природата има две модификации на прозрачния кристален кварц: а-кварц (с температура на образуване до 573°C) и р-кварц (с температура на образуване от 573 до 880°C). Тези модификации на кварца се различават по своята структура и имат напълно различни електрически свойства. Само а-кварцът има свойството на пиезоелектричен ефект. Структурата на а- и (3-кварца) се основава на три шестоъгълни решетки, вмъкнати една в друга, докато 13-кварцът има хексагонална симетрия, а а-кварцът има тригонална.
Изследването на ефекта на радиацията върху кварца представлява интерес както от гледна точка на определяне на възможните промени в параметрите на кварцови продукти (резонатори, филтри, линии за забавяне и други), работещи при интензивно облъчване, така и от гледна точка на възможността за насочени промени във физичните свойства на кварцовите кристали и параметрите на готовите продукти чрез въвеждане на дозирани количества радиационни дефекти.
Сред електрофизичните свойства на кварца, чувствителни към ефектите на йонизиращото лъчение, включват:
механични (константи на еластичност, вътрешно триене); електрически (стабилност на честотата, диелектрична константа, проводимост, тангенс на диелектричните загуби, пиезоелектрични свойства);
магнитна (магнитна пропускливост,парамагнитен резонанс); оптични (образуване на допълнителни ленти за поглъщане на светлина, поява на цветни центрове, въртене на поляризационната равнина и др.); топлинна (коефициент на топлопроводимост).
Преминаването на радиация през кристален кварц се съпровожда от редица сложни процеси, сред които основна роля играят следните:
изместване на атоми и бомбардиращи частици; процеси на електрон-дупка или йонизация (генериране и рекомбинация на двойки електрон-дупка, улавяне на електрони и дупки от капани, образуване на цветни центрове);
радиационно стимулирана дифузия на точкови дефекти (примеси, ваканции), придружена от промени в концентрациите на различни електронни и дупкови центрове;
заместване в процеса на облъчване на алкални йони-компенсатори в близост до А-центрове с водородни йони;
разрушаване на колоидно-диспергирани включвания на неструктурни примеси, често срещани в синтетичните кристали.
Впоследствие ще бъде показано, че степента на влияние на всеки от тези процеси върху образуването на радиационни дефекти в кварца ще зависи от концентрацията на структурни дефекти в изходната суровина и тяхната природа.
Промяната в параметрите на кварца в резултат на излагане на радиация е обратима и необратима. Необратимите промени в параметрите се дължат на процесите на изместване на атомите, а обратимите - на тяхната йонизация.
Глава 5
Кондензаторите по своя дизайн са система, състояща се от електроди (плочи), разделени от диелектрик. В зависимост от вида на диелектрика кондензаторите се разделят на следните класове: хартиени, филмови, слюдени, керамични, стъклокерамични, електролитни и оксидно-полупроводникови.
Да предоставянеобходимата стабилност на характеристиките и повишаване на експлоатационната надеждност, секциите на кондензатора се поставят в метални или изолационни кутии на запечатана или запечатана структура и, ако е необходимо, секциите също се импрегнират с органични материали (парафин, церезин, кондензаторно масло и др.).
Като електроди в кондензаторите се използва метално фолио (мед, алуминий) или тънък слой метал (цинк, алуминий), нанесен директно върху диелектрика.
Ако секциите са импрегнирани с органични материали в кондензатори от слюдено фолио, за да се увеличи стабилността на параметрите, тогава радиационната устойчивост на такива продукти става сравнима с радиационната устойчивост на кондензатори с органичен диелектрик.
В електролитните и оксидно-полупроводниковите кондензатори основният диелектрик е тънък оксиден филм, получен по време на производствения процес върху един от електродите на кондензатора. В електролитните кондензатори електролитът е разтвор на борна или сярна киселина. В оксидно-полупроводниковите кондензатори мангановият диоксид играе ролята на електролит.
Под действието на йонизиращо лъчение в електролитни кондензатори настъпва радиолиза на електролита, придружена от отделяне на газообразни продукти. В резултат на това има нарушение на уплътненията и катастрофално влошаване на електрическите параметри (предимно капацитет). В течните електролитни кондензатори с обемен порест анод, изработен от танталов и ниобиев оксид, най-малко устойчивият на радиация елемент е уплътнително уплътнение от органофлуорен каучук, което губи необходимите пластични свойства при дози [113, 227]. В резултат на това разтворът на сярна киселина може да се разлееграниците на запечатания обем и предизвикват допълнителни промени в характеристиките на кондензаторите и дори водят до нарушаване на неговата производителност.
Причината за влошаването на електрическите параметри на оксидно-полупроводниковите кондензатори под въздействието на радиация при високи интегрални потоци е намаляването на съпротивлението на мангановия диоксид и съответно неизправността на кондензаторите.