Современная электроника №5/2022

ВОПРОСЫ ТЕОРИИ 60 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2022 В настоящее время основная часть фактически всех электронных ком- плектующих состоит из полупрово- дников. Полупроводники являются более чув- ствительными к уровню радиационных воздействий, чем остальные компонен- ты ЭРИ (стёкла и другие диэлектрики, металл) [5]. Ионизирующие излучения теряют в материалах ЭРИ энергию, передавая её веществу. В табл. 1.2 приведены уров- ни энергии, приводящие к поврежде- нию или деградации электронных ком- плектующих [8]. Согласно табл. 1.2 микросхемы теря- ют работоспособность при воздей- ствии энергии 10 –7 ...10 –3 Дж. Поэтому рассмотрим подходы к ана- лизу взаимодействия ионизирующих излучений с полупроводниками. При постоянстве физических процес- сов взаимодействия заряженных частиц с материалами аппаратуры существу- ют два основных подхода к описанию воздействия ионизирующих излуче- ний на материалы аппаратуры, кото- рые полезно иметь в виду при оценке этих процессов. Один подход состоит в разделении воздействия излучений на атомные столкновения и ионизацию. Другой подход описывает эти же процессы в терминах поглощённой дозы. Хорошо известно, что ионизиру- ющие излучения в полупроводнико- вых материалах теряют свою энергию в основном за счёт двух физических процессов: атомных столкновений и ионизации [8]. При упругих столкно- вениях атомы полупроводника выби- ваются из равновесных положений в кристаллической решётке, в результа- те чего образуются различного типа дефекты. Основные типы радиацион- ных дефектов, возникающих в различ- ных полупроводниковых материалах при воздействии ионизирующих излу- чений, энергетические уровни, созда- ваемые этими дефектами в запрещён- ной зоне и термическая устойчивость этих дефектов исследованы и доста- точно подробно описаны, в частно- сти, в [9]. Если говорить о первичных радиационных дефектах, например, в кремнии, то это вакансии и междо- узельные атомы (френкелевские пары), подвижные даже при очень низких температурах. В [9] на осно- ве обширного экспериментального и литературного материала указыва- ется, что в результате их взаимодей- ствия с исходными технологическими примесями кристаллов, в зависимо- сти от температуры облучения, пред- варительной термической обработки образцов образуются вторичные ради- ационные дефекты, которые иденти- фицируются как: ● А-центр (комплекс вакансия + атом кислорода) Е с –0,17 эВ; ● Е-центр (комплекс вакансия + атом фосфора) Е с –0,40 эВ; ● углерод, кислород, дивакансия Е с – 0,45 эВ; ● сложный дефект, включающий в себя кислород и углерод, Е v +0,35 эВ; ● комплекс (окончательная природа не установлена) Е v +0,45 эВ; ● комплекс бор + дивакансия Е v +0,21 эВ; ● междоузельный кислород или дива- кансия Е v +0,27 эВ. Также в [9] утверждается, что основ- ные дефекты, образующиеся при облу- чении кремния различными видами радиации, в основном совпадают. В [10] говорится о том, что протонное излучение с энергией 3 МэВ и электрон- ное облучение создаёт дефекты, образу- ющие в запрещённой зоне n -кремния, легированного фосфором, центры с глубокими энергетическими уровнями, только протонное излучение создаёт большее их количество. Это А-центры, дивакансии, Е-центры и сложные ком- плексы. Согласно [11] в кремнии типа КДБ10 после облучения электронами с энерги- ей 4,5 МэВ, обнаружен уровень, соответ- ствующий К-центру, в кремнии КДБ10, облучённом электронами 7 МэВ, обна- ружены уровни, соответствующие А-центру. Потоки протонов, входящие в состав космических излучений, характеризу- ются значительным диапазоном энер- гий (0,001…700 МэВ) [2, 3]. Большие поглощённые дозы протонного излу- чения в тонких приповерхностных сло- ях вызывают протоны низких энергий. Образование радиационных дефек- тов характерно для протонов сред- них энергий (1...10 МэВ). Для прото- нов высоких энергий (более 200 МэВ) характерно развитие различных видов ядерных реакций [1]. Эффективность введения дефектов протонами с увеличением энергии протонов имеет обратную зависимость, чем у нейтронов. С увеличением энер- гии протонов эффективность введения дефектов уменьшается. Установлено, что с ростом энергии протонов от 2 до 60 МэВ критериаль- ные уровни стойкости транзисторов повышаются в 2–4 раза [12]. Аналогичные результаты получе- ны и во многих других работах. Такой характер изменения параметров полу- проводниковых приборов от энергии протонов могут объяснить результа- ты, приведённые в [13], где определе- но, что с ростом энергии протонов эффективность введения дефектов и коэффициент радиационного измене- ния диффузионной длины уменьшают- ся. Причём рекомбинация идёт через точечные дефекты и области разупо- рядочения, а с ростом энергии прото- нов роль областей разупорядочения возрастает. Факт того, что с ростом энергии про- тонов коэффициент радиационного изменения времени жизни в кремнии р -типа уменьшается, изложен также в [14, 15, 16, 17]. Таблица 1.2 . Уровни энергии, приводящие к повреждению или деградации различных электронных компонентов Тип компонента Пороговая энергия, Дж Генераторы, электродвигатели (большие), трансформаторы 10 4 ...10 6 Реле (контакты, обмотки), измерительные приборы, малые электродвигатели 10 –3 ...10 0 Вакуумные электронные лампы 10 –3 ...10 1 Мощные проволочные резисторы 10 –3 ...10 2 Плёночные (тонкослойные) резисторы 10 –4 ...10 –2 Композиционные и проволочные резисторы 8 × 10 –5 ...10 0 Конденсаторы 10 –4 ...10 –3 Конденсаторы (танталовые на низком напряжении) 10 –6 ...10 0 Катушки индуктивности 10 –2 ...10 –1 Маломощные переключательные диоды 10 –6 ...10 –2 Выпрямительные и стабилизирующие диоды 8 × 10 –5 ...6 × 10 –1 Микроволновые диоды 10 –7 ...10 –4 Транзисторы средней и высокой мощности 5 × 10 –5 ...5 × 10 –2 Маломощные транзисторы 10 –6 ...5 × 10 –3 Интегральные микросхемы 10 –7 ...10 –3 Чувствительные элементы ЭВМ 10 –7 ...10 –3