第04章核辐射失效及抗核加固.doc

第四章核辐射失效及抗核加固1*核辐射环境由于核武器技术/空间技术和核动力的发展，大量的电子设备和系统必然要处于在核武器爆炸和其它核环境下工作。核辐射环境对于电子系统来说是目前存在的最恶劣环境。核武器爆炸时，除了产生大火球和蘑菇云外，还会产生具有巨大破坏作用的冲击波/光热辐射/放射性沉降物/核辐射和核电磁脉冲等。其中，核辐射和核电磁脉冲对电子和电力系统/电子元器件的破坏作用最为严重。电子元器件所受的辐射损伤可以分为永久损伤/半永久损伤和瞬时损伤等几种情况。永久损伤就是在辐射源去除后，元器件仍丧失工作性能不能恢复性能效应；半永久损伤是辐射源去除后，在不太长的时间内元器件可逐渐地自行恢复性能；瞬时损伤效应是指在辐射源消失后，元器件的工作性能能立即得到恢复。人造地球卫星和宇宙飞船在空间飞行时，将受到空间各种高能粒子的轰击。空间辐射的主要来源是天然辐射带和高空核爆炸造成的人工辐射带。天然辐射带又称为范艾伦辐射带，它是由于地球附近存在着大量的带电粒子，在地磁场作用下它们始终在地磁场的“捕获区”内运动而构成。天然辐射带象一条很宽很厚的带子围绕在地球周围，其主要成分是质子和电子。它又分内辐射和外辐射两部分。内带位于160----800Km的高度间，由能量小于500MeV的质子和和能量小于1MeV的低能电子组成。外带位于800----3200Km的高度间，主要是由能量为0.4KeV到1.6KeV的电子组成。范艾伦带的电子和质子构成了空间飞行器的主要威胁，飞行器外表面的太阳能电池和内部的晶体管/集成电路等将受到损伤。中/低轨道的卫星主要是受内辐射带中质子和电子的影响；高轨道卫星则主要是受到外辐射带中的电子和太阳质子事件粒子的影响。高空核爆炸产生的大量的高能粒子，在地磁场的作用下沿磁力线来回运动，并逐渐扩散而形成一个围绕地球的辐射带，它称之为人工辐射带。人工辐射带由高能电子组成，它的强度比天然辐射带强得多，对卫星和飞船的电子设备/仪器仪表和电子元器件等都有较大的破坏作用。核反应堆和同位素电池等也会在其周围产生一定程度的核辐射。我们把这种环境称为核动力环境。核反应堆周围的核辐射主要是中子和γ射线；其中中子引起的损伤比较严重。2*核辐照效应极其机理核武器爆炸时产生的中子和γ射线和核电磁脉冲，以及空间辐射中的电子/质子和高能粒子，虽然都能造成电子器件和电子系统的损伤，但它们对不同器件的损伤机理却不相同。中子在半导体内产生位移效应，引起半导体器件的永久损伤；γ射线在半导体器件的表面钝化层内产生电离效应，引起半永久损伤；瞬时γ辐射在反偏的半导体PN结中产生瞬时光电流；核爆炸时产生的核电磁脉冲会在电子系统内部和外部产生很强的感应电流，它们将引起电子系统的瞬时干扰和永久损伤。空间辐射中的高能电子能引起电离效应；质子能引起位移效应。高能质子/高能中子还能引起单粒子效应。一．位移效应中子不带电，它具有很强的穿透能力，可以足够地靠近被照射材料原子的原子核。当中子与原子核发生弹性碰撞时，晶格原子在碰撞中获得能量后离开了它原来的点阵位置，成为晶格中的间隙原子，并在原来的位置上留下一个空位，因而形成了一个空位---间隙原子对。通常将它们称为弗兰克尔（Frenkel）缺陷。这种现象称为位移效应。硅晶格原子的位移阈值约为15eV。中子弹性碰撞产生的高能晶格原子又能使更多的晶格原子位移，从而在晶体内形成了局部损伤区---缺陷群。由于位移效应破坏了半导体晶格的势能，因而在禁带中形成了新的电子能级；它可以起复合中心和杂质补偿中心以及载流子散射中心的作用，所以引起载流子浓度/电导率和少数载流子寿命及迁移率等大大下降，直接影响半导体特性。位移效应对半导体材料性能的影响有以下三方面：1．减少半导体多数载流子的密度。由于孔穴---间隙原子对在禁带中形成的新电子能级，可以充当多数载流子的复空中心，从而引起了半导体中多数载流子的减少，这种现象称为多子去除效应。把每平方厘米中的一个中子消除的自由多数载流子数目定义为载流子去除率，用以衡量中子对多数载流子的影响程度。因为载流子的去除率与半导体的费米能级有关，而费米能级主要取决于杂质浓度，因此，去除率直接与掺杂浓度有关。载流子去除效应将引起N型和P型硅趋向于本征硅（即电阻率增大）。这种效应是以多数载流子为导电机理的半导体器件特性衰退的主要原因。位移效应和多子去除效应对双极器件的危害最大，它增大了发射结空间电荷区的产生----复合电流，缩短了基区少子寿命，从而引起电流放大系数下降，饱和压降增大以及微波管的截止频率下降等。2．载流子迁移率的衰减。中子辐照引起多数载流子密度和迁移率降低。3．影响少数载流子寿命。少数载流子寿命是中子辐照引起半导体材料特性变化的最灵敏参数，它是以少数载流子为导电机理的半导体器件对中子辐照特别灵敏的主要原因。处于低注入下工作的双极