Радиационные эффекты в диэлектриках

Причиной разделения радиационной электризации диэлектриков на поверхностную и объемную является не только отличие глубин локализации внедренного электрического заряда, но также и существенное отличие в указанных двух случаях физических процессов накопления заряда, потоков первичных заряженных частиц, приводящих к его накоплению, и временных характеристик процессов.

При заряжении в горячей магнитосферной плазме характерные величины первичных токов составляют ~10-10-10-8 А?см-2, а продолжительность заряжения изменяется от долей секунды до десятков минут. Большие времена относятся к реальным КА, на которых в процессе заряжения происходит перераспределение зарядов. Поверхностная электризация диэлектриков внешней оболочки КА в значительной степени определяется вторично- эмиссионными процессами включая фотоэлектронную эмиссию.

Объемное заряжение диэлектрических материалов КА под действием электронов РПЗ характеризуется следующими параметрами: ток электронов, ~10-13-10-11 А см-2, характерные времена заряжения измеряются часами. Вторично-эмиссионные токи в этом случае не оказывают влияния на процесс формирования внедренного объемного заряда. Существуют два подхода к описанию и анализу явления поверхностной радиационной электризации диэлектриков. При рассмотрении поверхностной электризации реальных КА, когда главной целью является получение картины распределения потенциала и напряженности электрического поля на поверхности аппарата и в прилегающем пространстве, вычисляется суммарный заряд на элементе поверхности без описания его распределения в приповерхностном слое диэлектрика. В этом случае уравнение для полного тока J, текущего через элемент поверхности, записывается в виде

J= J_e ? J_i? (дJ_e ? зJ_e + гJ_i+ J_ph) ± J_cond,

где J_e и J_i - электронный и ионный токи плазмы; д, з, г - коэффициенты истинной вторичной электронной эмиссии, отражения электронов, ионно-электронной эмиссии; J_ph - ток фотоэлектронной эмиссии; J_cond - токи утечки на металлический корпус КА и соседние элементы поверхности за счет объемной и поверхностной проводимости диэлектрика.

Величины первичных и вторичных токов, входящих в уравнение, зависят от потенциала КА относительно окружающей космической плазмы, причем для вторичных токов эта зависимость проявляется и через изменение значений вторично-эмиссионных коэффициентов, обусловленное изменением энергии первичных электронов и ионов. Равновесное значение потенциала КА определяется из решения уравнения при условии J =0. Для реальных КА сложной конфигурации с неоднородной поверхностью потенциалы отдельных ее участков могут значительно отличаться из-за различия электрофизических свойств находящихся на них диэлектрических материалов, различия условий попадания первичных частиц окружающей плазмы на эти участки, неодинакового освещения их Солнцем и т.д. При этом потенциал металлического корпуса КА не остается постоянным в процессе заряжения.

Во втором подходе, используемом в ряде случаев для анализа и интерпретации результатов лабораторных экспериментов по облучению диэлектриков электронами с энергией ~10-100 кэВ, предполагается возникновение в приповерхностной области двойного электрического слоя за счет ухода вторичных электронов из непосредственно примыкающего к поверхности слоя толщиной ~10-50 нм и локализации первичных электронов на глубине в несколько десятков микрометров.

Объемная электризация диэлектриков при их облучении электронами с энергиями ~1?10 МэВ, определяется следующими основными процессами:

¦ торможением первичных электронов в диэлектрике за счет ионизационных и радиационных потерь энергии;

¦ термализацией электронов в веществе с захватом их на ловушки разных типов;

¦ стоком электронного заряда из объема диэлектрика к облучаемой поверхности и подложке за счет токов, обусловленных собственной и радиационной проводимостью диэлектрика.

По мере накопления внедренного заряда в объеме диэлектрика возникает внутреннее электрическое поле, оказывающее воздействие на движение носителей заряда в диэлектрике. Токи и электрические поля в заряжаемом диэлектрике могут быть описаны общей системой уравнений, основанных на уравнении непрерывности, законе Ома в дифференциальной форме и уравнении Пуассона для данного вещества:

где с - плотность объемного заряда; j - вектор плотности тока; j_i - вектор плотности тока инжектируемых носителей; уE - составляющая тока в электрическом поле с напряженностью E, определяемая проводимостью диэлектрика у; ? - потенциал, создаваемый внедренным зарядом.

В свою очередь, проводимость диэлектрика у c учетом ее радиационной составляющей описывается выражением, приведенным в предыдущем разделе.

Характерные модельные распределения по глубине диэлектрика z напряженности электрического поля E и потенциала ?, рассчитанные для электронов с энергией 1 МэВ без учета собственной и радиационной проводимости диэлектрика, показаны на рисунке 1.

Рисунок 1 - распределение по глубине диэлектрика z напряженности электрического поля E и потенциала ?

Экспериментальными и расчетными методами исследовалась также динамика накопления объемного заряда в облучаемых диэлектриках.

На рисунке 1 приведена зависимость потенциала поверхности образца эпоксидного материала толщиной 725 мкм от времени при его облучении электронами со спектром, характерным для РПЗ в области ГСО. Данные лабораторных измерений (кривая 1) показаны вместе с результатами расчетов, выполненных при различных значениях темновой проводимости и коэффициента радиационной электропроводности. Видно, что без учета радиационной проводимости (кривая 2, Am = 0) при стандартной величине у₀=5•10^-17 Ом^-1•см^-1 рассчитанный потенциал примерно в 2,5 раза превосходит экспериментальное значение. Наилучшее согласие с экспериментом наблюдается при Am=1•10^-14 (кривая 3), а при Am=6.5•10^-14 (кривая 5) рассчитанный потенциал значительно меньше полученного экспериментально. Кривая 4 показывает результаты расчета при у₀=5•10^-15 Ом^-1•см^-1 и Am = 0, которые также близки к экспериментальным данным.

Таким образом, возникновение радиационной проводимости в рассматриваемом случае эквивалентно увеличению собственной проводимости примерно на 2 порядка.

Рисунок 2 - зависимость от времени облучения потенциала поверхности эпоксидного образца: 1 - экспериментальные данные; 2-5 - результаты расчетов

Приведенные данные свидетельствуют об отмечавшемся выше существенном влиянии радиационной проводимости на процессы накопления объемного заряда в диэлектриках. Следствием поверхностной и объемной электризации диэлектрических материалов под действием космического излучения является возникновение электрических разрядов на КА, которые вызывают сбои в работе бортовых систем за счет создаваемых электромагнитных помех, а также могут приводить к необратимым повреждениям элементов оборудования. Возникновение электрических разрядов в диэлектриках КА может инициироваться воздействием других факторов космического пространства, в частности высокоскоростными ударами твердых микрочастиц естественного и искусственного происхождения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

полупроводник ядерный легирование

Рассмотрены физические основы и практические результаты использования проникающих излучений в технологии ядерного легирования полупроводниковых материалов (Si, GaAs), а также в производстве полупроводниковых приборов, в том числе мощных кремниевых диодов, тиристоров и транзисторов. Показана высокая эффективность применения радиационной технологии для повышения быстродействия изделий электронной техники, исключения операции диффузии золота или платины, улучшения качества, снижения себестоимости и повышения выхода годных приборов.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Ф.П. Коршунов. Вестник Академии наук СССР, 11, 80 (1982).

2 Вопросы радиационной технологии полупроводников. Под ред. Л.С.

Смирнова. Наука, Новосибирск (1980). 296 с.

3 Д. Динс. Радиационные эффекты в твердых телах. Изд-во иностранной литературы, М. (1960). 243 с.

4 Ф.П. Коршунов, Ю.В. Богатырев, В.А. Вавилов. Воздействие радиации на интегральные микросхемы. Наука и техника, Минск (1986). 254 с.

5 И.Б. Козлов, А.Г. Литвинко, П.Ф. Лугаков, С.В. Мищук, В.Д. Ткачев. ФТП 6, 10, 2048 (1972).

6 К. Ларк-Горовиц. Кн. «Полупроводниковые материалы». Под ред. В.М. Тучкевича. ИЛ, -М. (1954). С.62.

7 Ш.М. Миранашвили, Д.И. Нанобашвили. ФТП 4, 10, 1879 (1970).

8 Ф.П. Коршунов. Радиация и полупроводники. Наука и техника, Минск (1979). 83 с.

9 Л.С. Смирнов, С.П. Соловьев, В.Ф. Стась, В.А. Харченко. Легирование полупроводников методами ядерных реакций. Наука, Новосибирск (1981). 182 с.

10 Ф.П. Коршунов, Л.М. Карпович, Е.С. Солодовников, В.И. Утенко, В.Ф.

Шох. Известия АН Беларуси, серия физ.-мат. наук, 2, 50 (1995).

11 Л.М. Карпович, Ф.П. Коршунов, Е.С. Солодовников, В.И. Утенко, А.В. Фотин, В.Ф. Шох. Доклады АНБ 36, 11, 982 (1992).

12 В.С. Вавилов, В.Ф. Киселев, Б.Н. Мукашев. Дефекты в кремнии и на его поверхности. Наука, М. (1990). 216 с.

13 Ф.П. Коршунов, В.Я. Красницкий, А.В. Мудрый, Ю.В. Богатырев, В.И.

14 Кульгачев, С.Б. Ластовский. Материалы Междунар. сем. «Конверсия научн. исслед. в Беларуси в рамках деятельности МНТЦ». Ч.2. Минск (май 1999 г.). С.178.

14 Ф.П. Коршунов, Ю.В. Богатырев, А.И. Дударчик, Н.Ф. Голубев, В.И. Кульгачев, С.Б. Ластовский. Известия НАНБ, серия физ.-техн. наук, 2, 80 (2000).

15 Ф.Л. Хауэр. ТИИЭР 76, 4, 36 (1988).

16 Ф.П. Коршунов, Ю.В. Богатырев, С.Б. Ластовский и др. Труды Х Межнационального совещания «Радиационная физика твердого тела». М. (2000). С.470.

Размещено на Allbest.ru