Современная электроника №5/2022

ВОПРОСЫ ТЕОРИИ 58 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2022 Ионизирующие излучения и их воздействие на полупроводниковые материалы (по данным литературных источников). Часть 1 к.т.н. Оксана Вовк, к.т.н. Михаил Марченко, д.т.н. Владимир Соколов МОКБ «Марс» – филиал ФГУП «ВНИИА», государственная коорпорация по атомной энергии «Росатом» Введение Развитие современной космической техники, освоение новых орбит, расши- рение круга задач, решаемых с помо- щью космических аппаратов, а также производство новых видов вооруже- ний (с увеличенным радиусом действия и поражающей способностью), повыше- ние требований к достоверности резуль- татов, получаемых с помощью косми- ческих аппаратов, требует улучшения точности прогнозирования работо- способности космических аппаратов в полях ионизирующих излучений. Решение этих задач связано, пре- жде всего, с определением механизмов воздействия факторов космического пространства на аппаратуру. Для это- го необходимо, в частности, обратить внимание на состав факторов космиче- ского пространства и способы оценки воздействия этих факторов на радио- электронную аппаратуру. Если рассмотреть основополагающие принципы воздействия ионизирующих излучений на ЭРИ, образующих аппа- ратуру, то эти вопросы достаточно под- робно изучены. Фактически одновре- менно с развитием полупроводниковой электроники и ракетно-космического приборостроения активно разрабаты- валась концепция радиационной стой- кости и надёжности ЭРИ, создавались моделирующие установки, и в результа- те был наработан обширный материал по систематизации изменения параме- тров изделий в результате радиацион- ных воздействий, создавалась норма- тивная база оценки стойкости изделий при проведении НИОКР. Однако при постоянстве физических процессов взаимодействия заряженных частиц с материалами аппаратуры раз- рабатываются комплектующие новых классов, микросхемы со всё возрастаю- щей степеньюинтеграции, полупрово- дниковые изделия с низкими уровнями темновых токов и уровнемшумов и пр. Владение физико-аналитическим аппаратом описания воздействия ионизирующих излучений на матери- алы позволяет оценивать стойкость и разрабатывать рекомендации по мини- мизации результатов влияния факто- ров космического пространства на различные приборы, изготовленные на основе этих материалов. Состав ионизирующих излучений космического пространства Общеизвестно [1], что космическое излучение подразделяется на галакти- ческое и солнечное. Галактическое излучение, вызванное внешними по отношению к Солнечной системе источниками, распределяется в пространстве изотропно. Из-за взаи- модействия с магнитным полем Солн- ца, испытывающим циклические моду- ляции, интенсивность галактического излучения подвержена периодическим изменениям. Около 90% галактиче- ского излучения приходится на долю протонов, от 7 до 15% – на долю аль- фа-частиц, около 1% – на ядра тяжё- лых элементов. Энергетический спектр галактического излучения – 10 8 ...10 20 эВ. Из-за малой плотности галактического излучения (1–2 част/см 2 ⋅ с) средняя доза облучения космического объекта на его поверхности не превышает 10 рад. Солнечное ионизирующее излучение связано с хромосферными процесса- ми на Солнце, которые имеют нерегу- лярный характер, проявляясь в пери- од повышенной солнечной активности (до 10 вспышек, длящихся несколько суток в год). В состав солнечного излу- чения входят протоны (90%), осталь- ные 10% приходятся на альфа-части- цы и ядра других элементов. Плотность потока частиц может составлять 10 6 част/см 2 ⋅ с при энергии до 10 7 эВ. Интенсивность солнечного излуче- ния изменяется от вспышки к вспышке, годовые дозы радиации могут состав- лять 10 3 ...10 4 рад на поверхности кос- мического аппарата. Радиационные пояса Земли образу- ются захваченными магнитным полем Земли заряженными частицами с энер- гией от сотых долей до десятков мил- лионов электрон-вольт. Внутренний радиационный пояс Земли состоит из протонов с энерги- ей 20...800 МэВ и максимальным пото- ком порядка 10 4 част/см 2 ⋅ с и электронов с энергией 20 кэВ – 1 МэВ и расположен на расстоянии около 4000 км от Земли. Внешний радиационный пояс Зем- ли состоит в основном из электронов с энергией до 1 МэВ и расположен на расстоянии около 17 000 км от Земли. Радиационные пояса Земли имеют сложное асимметричное строение, определяемое структурой магнитно- го поля Земли, и подвержены влия- нию потоков солнечного ионизирую- щего излучения [1]. Доза ионизирующего излучения, которую может накопить бортовая аппаратура при нахождении в радиа- ционном поясе в течение 5 лет, состав- ляет 5 × 10 4 ...2 × 10 5 рад [4]. Это достаточ- но высокая доза. Магнитное поле Земли надёжно защищает всё, находящееся на Земле, и международную космическую стан- цию от воздействия ионизирующих излучений космического пространства. Высота орбиты международной кос- мической станции постоянно меняется в диапазоне от 340 до 417 км над уров- нем моря. Данный диапазон высот выбран по целому ряду причин, как оптимальный с точки зрения всех плюсов и минусов. Например, пере- ход с 360-километровой орбиты на 410-километровую позволил заметно снизить расход топлива на поддержа- ние орбиты, но увеличил дозу облуче- ния экипажа примерно на 20%. Однако средняя доза, получаемая космонавтом на МКС за полугодовую экспедицию, примерно равна сред- ней дозе ликвидатора Чернобыль- ской аварии. И это примерно одна