Влияние ионизирующего облучения на конденсаторы

Ионизирующее облучение вызывает обратимое или необратимое изменение емкости и обратимое изменение величины утечки и тангенса угла потерь.

Нейтронная радиация приводит к необратимым и обратимым изменениям характеристик конденсаторов, а гамма – облучение – в основном – к обратимым изменениям. Общей причиной этого является изменение электрических характеристик диэлектрика (диэлектрической постоянной и сопротивления).

Кроме того происходит выделение газов при облучении в электролитических конденсаторах и конденсаторах с масляным заполнением, что может привести к их разрушению.

 

Таблица 10.5.

 

Влияние радиации на конденсаторы.

 

Вид конденсаторов	Интенсивность суммарного нейтронного и g-излучения (нейтр/см^2+ эрг/кал)	Характер влияния радиации
Керамические	1,3*10^8 + 2,5*10^10	Обратимые изменения С на 4 – 19 %
Сегнетокерамические	1,0*10^13 + 8,3*10^4	Токи утечки в обратном направлении Обратимые изменения С < 1 %
Стеклоэмалевые	2,5*10^17 + 6,1*10^10	Изменение сопротивления изоляции на 2 – 3 порядка
Слюдяные	1*10^14 + 5,7*10^8	Необратимые изменения С < 1 %
1,23*10^8 + 0	Обратимые изменения С < 1 %
Бумажные	1*10^18 + 2,5*10^10	Значение емкости выходит за пределы допусков
Бумагомасляные	1,1*10^18 + 0	Необратимые изменения емкости от +37 до –20 %
Электролитические	-	Ток утечки возрастает с повышением мощности и дозы облучения
Танталовые	(3,4*10^12 … 2,5*10^18) + + (5,7*10^8 … 4,4*10^10)	Необратимые изменения емкости от –10 до +3,0 %
Алюминиевые	то же	Необратимые изменения емкости от –6 до +65 %
9*10^16 + 0	Короткое замыкание

 

Сегнетокерамические конденсаторы подвергались импульсному облучению, остальные – непрерывному.

 

Влияние радиации на полупроводниковые диоды

Воздействие радиации на полупроводниковый диод зависит от того, какой эффект использован в качестве основы его работы, вида материала, удельного сопротивления его, а также конструктивных особенностей диода.

Германиевые диоды.

При облучении нейтронами проводимость диодов (плоскостных и точечных) в обратном направлении увеличивается, в прямом – уменьшается. При потоках более 10¹³ нейтр/см² выходят из строя, при - 10¹¹ нейтр/см² – происходит значительное изменение характеристик. При таких условиях облучения они могут работать в схемах, на работоспособность которых не сказывается существенно изменение характеристик проводимости диодов в обратном направлении.

При воздействии малых доз g - облучения (10⁴ Р при мощности дозы 6*10⁴ Р/ч) обратный ток плоскостных диодов возрастает на 10 %, на такую же величину уменьшается емкость p – n перехода, а также возникают фототоки. Через несколько дней после облучения параметры восстанавливаются до первоначального уровня.

Кремниевые диоды.

Под воздействием нейтронной радиации проводимость точечно – контактных диодов уменьшается в прямом и обратном направлениях; у плоскостных диодов проводимость в прямом направлении также уменьшается. Повреждение диодов обусловливается изменением характеристик проводимости в прямом направлении. Изменение характеристик тем больше, чем больше мощность потока. Доза 10¹² нейтр/см² нейтронного облучения вызывает заметное изменение характеристик диода.

Диоды могут быть использованы при облучении нейтронным потоком 10¹³ - 10¹⁷ нейтр/см², если изменение характеристик в прямом направлении не влияет на работу схемы.

Воздействие g - облучения (мощность дозы 10⁶ Р/ч) вызывает обратимые изменения обратного тока, составляющие 10^-8 А.

Характер воздействия облучения электронами и протонами на германиевые и кремниевые диоды аналогичен нейтронному.

 

Влияние радиации на транзисторы

Воздействие быстрых нейтронов вызывает нарушение кристаллической решетки материала (основной эффект) и ионизацию (вторичный эффект). Вследствие этого изменяются параметры полупроводниковых материалов – время жизни основных носителей (t), удельная проводимость (r), скорость поверхностной рекомбинации дырок с электронами. Вследствие изменения вышеуказанных параметров уменьшается коэффициент усиления по току b₀ (a₀), увеличивается обратный ток коллектора (I_к0), возрастают шумы транзистора. Изменение коэффициента усиления является необратимым, а изменения обратного тока могут быть обратимыми и необратимыми.

Протоны и электроны влияют на характеристики транзисторов также как и нейтронное облучение.

 

Влияние радиации на коэффициент усиления

Максимальный интегральный поток частиц Ф, который может выдерживать транзистор для заданного изменения параметра b₀, определяется из соотношения:

, (10.1)

где f_а – граничная частота усиления по току в схеме с общей базой;

b₀ – коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером (до начала облучения);

b₀^об - коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером (после облучения);

к – постоянная, зависящая от типа транзистора (нейтр/с)/см².

 

Таблица 10.6.

Значения коэффициента к.

 

Материал	Тип проводимости транзистора	к
Германий n	p-n-p	(4,2 ± 0,2)*10^7
Германий p	n-p-n	(1,8 ± 0,2)*10^7
Кремний n	p-n-p	(3,1 ± 0,4)*10^6
Кремний p	n-p-n	(4,6 ± 3,3)*10^6

Как видно из таблицы наибольшую радиационную стойкость имеют германиевые p-n-p транзисторы. Они при прочих равных условиях выдерживают поток быстрых нейтронов на 1 – 2 порядка больше, чем кремниевые. Ориентировочно для оценки радиационной стойкости можно пользоваться диаграммой.

 

Транзисторы

База

Кремниевые

fа ¯

большой толщины

средней толщины

тонкая

Германиевые

fа ¯

большой толщины

средней толщины

тонкая

10^10

10^11

10^12

10^13

10^14 нейтр см^2

2,5*10^5

2,5*10^6

2,5*10^7

2,5*10^8

2,5*10^9

Р

Левые границы прямоугольников соответствуют тем значениям потоков и доз, при которых становятся заметными необратимые изменения, а правые границы – значения потоков и доз, при которых характеристики транзисторов находятся на грани пригодности (в качестве критерия годности выбрано изменение коэффициента усиления b₀).

Предпочтение следует отдавать германиевым p-n-p транзисторам с высоким значением f_а и малым b₀ для устройств, работающих в условиях ионизирующей радиации.

При радиации происходит в основном изменение кратковременное I_к0. Причинами изменения являются:

а) ионизация, создаваемая g - лучами, изменяющая поверхностные свойства полупроводника;

б) свойства материала корпуса, окружающего переход;

в) разрушения в полупроводниках, обусловленные нейтронами.

Ионизация, создаваемая радиацией, инжектирует избыток носителей в транзистор, вследствие чего возникают значительные шумы. Например, облучении потоком g - лучей при мощности дозы 2*10⁶ Р/ч приводит к возрастанию шумов на 2 дб. Шумы исчезают при выходе из поля излучения.