Типы излучений и взаимодействие их с веществом

Нейтроны. Быстрые нейтроны при взаимодействии с веществом образуют структурные радиационные дефекты в основном в результате упругого взаимодействия с ядрами атомов вещества.[4] При таком взаимодействии быстрый нейтрон передает ядру атома часть своей кинетической энергии, зависящей от угла упругого соударения, в результате чего ядро увлекает с собой электронную оболочку атома.

Быстрое смещение атома в процессе отдачи может привести к его ионизации, если скорость атома будет больше скорости орбитальных электронов. Энергия, передаваемая быстрыми нейтронами ядрам атомов мишени при упругом взаимодействии, имеет значение от 0 до Е_{а макс}.

Основными типами дефектов в материалах при облучении быстрыми нейтронами являются:

1) пары Френкеля с широким набором расстояний, разделяющих вакансию и междоузельный атом;

2) области разупорядочения, размер которых может достигать 30-50 нм и более;

3) сложные дефекты, являющиеся следствием взаимодействия вакансий и междоузельных атомов между собой и сатомами исходных химических примесей (например дивакансий в различных зарядовых состояниях, А - и Е -центры в облученном кремнии и ряд центров в германии и арсениде галлия);

4) тепловые клинья и пики смещения, проявляющиеся при больших интегральных потоках быстрых нейтронов;

5) дислокации, если их исходная плотность в кристалле не менее 10² см^-2.

Протоны. При взаимодействии с веществом протоны теряют свою кинетическую энергию за счет упругого рассеяния на атомах и ядрах вещества и неупругого взаимодействия с ядрами и электронными оболочками атомов [4]. При упругом взаимодействии атомы облучаемого вещества увеличивают свою кинетическую энергию при достаточно большой полученной энергии и становятся источником вторичных дефектов смещения и ионизации в веществе. При неупругом рассеянии протонов протекают ядерные реакции, в результате которых образуются «звезды» из нейтральных и заряженных частиц, а также возникают электромагнитные излучения. Механизм взаимодействия вторичных частиц с веществом аналогичен механизму рассеяния первичных частиц

Основными типами дефектов при облучении полупроводников протонами в широком диапазоне энергий являются:

1) простые дефекты типа пар Френкеля;

2) области разупорядочения;

3) сложные дефекты

Электроны. При взаимодействии с веществом энергия электронов расходуется главным образом на неупругое рассеяние на атомах, что вызывает их ионизацию[4]. Наряду с этим определяющим процессом имеется некоторая возможность упругого рассеяния, связанного с кулоновским взаимодействием электрона с ядром атома. Этот процесс может приводить к смещению атомов в междоузлия.

Как и для протонов, при упругом взаимодействии электрона с атомом вещества наиболее вероятна передача малых количеств энергии.

Электронное облучение создает в основном в качестве первичных дефектов простые дефекты с равномерным распределением их по объему облучаемого материала. Распределение их по толщине облучаемого образца может оказаться сильно неравномерным при торможении электронов в мишени. При электронном облучении может происходить образование сложных дефектов типа комплексов«простой дефект + химическая примесь», дивакансий и др. При больших интенсивностях электронного излучения наблюдается сильная ионизация в веществах с малой плотностью свободных электронов.

Гамма - кванты. При прохождении γ - квантов через вещество наряду с определяющим процессом ионизации материала может происходить смещение атомов при упругих столкновениях комптоновских электронов с атомами вещества.[4] Взаимодействие γ-квактов с веществом в интервале энергий Е _γ= 0 - 10 МэВ осуществляется за счёт трёх механизмов: фотоэффекта, эффекта Комптона

Первый эффект преобладает при низких, второй - при промежуточных и третий - при очень высоких значениях энергий γ - квантов. В результате всех трех процессов возникают электроны с энергиями, сравнимыми с энергиями воздействующих γ - квантов. Поэтому γ - облучение приводит к внутренней бомбардировке вещества быстрыми электронами. Энергия комптоновских электронов зависит от энергии падающего γ - кванта и атомного веса мишени.

При γ - облучении основными типами первичных и вторичных дефектов являются

1) пары Френкеля, однородно распределенные (в отличие от случая электронного облучения) по объему образца;

2) сложные дефекты типа комплексов «простой дефект + химическая примесь».

При больших значениях мощности дозы γ - излучения происходит сильная ионизация вещества и окружающей его газовой среды, что может вызвать значительное изменение электрофизических свойств облучаемого образца. В материалах со сложной химической структурой (особенно органических), стеклах разных марок, керамических и других диэлектрических материалах электронной техники существенную роль в образовании необратимых повреждений, помимо непосредственных смещений атомов, играют ионизационные эффекты, на которые в основном расходуется вся энергия γ -излучения, заряженных частиц и нейтронов. Исследования показали, что стабильные структурные изменения, возникающие в этих материалах, будут определяться поглощенной дозой независимо от вида излучения.

 

5.2.2 Влияние радиации на работу полупроводниковых приборов

С точки зрения разработки интегральных схем, устойчивых к радиации, рассматривают два основных типа излучений [2]:

1. Ионизирующая радиация: рентгеновские лучи и гамма-лучи.

2. Нейтронное излучение

Основным видом ионизирующей радиации, которая оказывает влияние на интегральные схемы, являются гамма-лучи.

Воздействие гамма-излучения приводит к образованию избыточных носителей в кремнии (Электронно-дырочных пар). Ионизация, обусловленная гамма-излучением, может оказывать влияние на работу схемы благодаря одному из трех механизмов:

1. Возникновению фототока

2. Полному нарушению работы транзистора

3. Ухудшению свойств поверхности

Возникновение фототока является наиболее существенным эффектом воздействия ионизирующего излучения. Импульс ионизирующего излучения при воздействии на р-n переход приводит к появлению фототока благодаря образованию электронно-дырочных пар в обедненном слое перехода. Образовавшиеся носители затем дрейфуют или диффундируют через обедненный слой. Движение этих носителей и представляет собой фототок, который сохраняется в течение импульса ионизирующего излучения и затем спадает до нуля.

При нейтронном излучении столкновения между нейтронами и атомами кремния приводит к необратимым дефектам в кристаллической решетке кремния. В результате соударений некоторые атомы кремния смещаются из узлов кристаллической решетки. Дефекты такого вида называют "нейтронным смещением". Атомы кремния, смещенные из узлов кристаллической решетки, действуют как центры рекомбинации и рассеивания и приводят к уменьшению времени жизни неосновных носителей и их подвижности.

Образование центров рекомбинации, обусловленное нейтронным смещением, вызывает уменьшение времени жизни неосновных носителей. Так как многие параметры транзисторов, такие, как коэффициент усиления, обратный ток утечки и время накопления, зависит от времени жизни неосновных носителей, общие характеристики транзисторов в сильной степени подвержены влиянию нейтронного излучения. На рис.5.2.1 не слишком ли длинный номер рисунка? приведена типовая зависимость снижения коэффициента усиления для транзисторов, применяемых в интегральных схемах, при облучении потоком нейтронов.

Рис.5.2.1− Зависимость коэффициента усиления транзисторов ИС от дозы при нейтронном облучении.

1-n-p-n транзистор

2-p-n-p транзистор

3- боковой p-n-p транзистор

Снижение подвижности носителей приводит к увеличению удельного сопротивления полупроводникового материала. На рис.5.2.2 приведена зависимость изменения удельного сопротивления кремния n-типа от дозы нейтронного облучения.

Рис.5.2.2 − Зависимость удельного сопротивления кремния n-типа от дозы нейтронного облучения.