Радиационная стойкость электронных средств

РАДИАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ

План

• Основные понятия и виды облучения
• Влияние облучения на конструкционные материалы
• Влияние ионизирующего облучения на резисторы
• Влияние радиации на полупроводниковые диоды
• Влияние радиации на транзисторы
• Влияние радиации на коэффициент усиления
• Влияние облучения на электровакуумные приборы и интегральные схемы

Основные понятия и виды облучения

Конструирование РЭА, стойкой к ионизирующему облучению, предусматривает выбор материалов и элементной базы, а также конструктивных решений, уменьшающих влияние радиации.

Ионизирующей радиацией — называется облучение, обладающее свойством проникать в толщу вещества и вызывать в нем ионизацию. При рассмотрении воздействия радиации применяют следующие термины для основных характеристик радиации:

мощность потока и интегральный поток (при корпускулярном излучении),

мощность дозы облучения и доза облучения (при гамма-излучении).

Мощность потока — измеряется количеством частиц, падающих перпендикулярно на площадку 1 см² за все время облучения.

Интегральный поток — полный поток частиц, прошедших через площадку 1 см² за все время облучения.

Мощность дозы — измеряется в рентгенах в секунду (Р/с).

Доза облучения — в рентгенах (Р).

Рентген (Р) — доза гамма — излучения при поглощении которого в 1 см³ сухого воздуха при t = 0 C и нормальном давлении образуются положительные и отрицательные заряды общей величиной в одну электрическую единицу каждого знака.

При дозе 1Р в одном грамме воздуха поглощается энергия 87*10^-7 Дж.

Воздействие радиации на вещество зависит от вида радиации, дозы (потока) облучения, мощности дозы (потока) облучения, распределения энергии радиации по спектру, природы облучаемого вещества, окружающих условий (температуры, влажности и т. д.).

Облучение быстрыми нейтронами носит объемный характер и вызывает нарушение структуры вещества (смещение атомов в кристаллической решетке, образование примесей других элементов и, в частности, образование радиоактивных изотопов); ионизацию (в небольшой степени) вследствие выделения из атомов заряженных частиц.

Облучение быстрыми протонами является поверхностным и вызывает ионизацию и нарушение структуры вещества (в небольшой степени).

Воздействие гамма — лучей также имеет объемный характер. Под влиянием гамма — излучения возникает сильная ионизация, явление фотопроводимости, люминесценция, химические реакции, повышение температуры, изменение анизотропных свойств кристаллических веществ.

Облучение электронами (- излучение) носит поверхностный характер и вызывает ионизацию, вторичную эмиссию, небольшие изменения в решетке вещества, жесткое рентгеновское облучение.

Воздействие — частиц и осколков ядер можно практически не учитывать вследствие малой длины пробега и поверхностного характера.

Воздействие излучения может вызывать обратимые, необратимые или полупостоянные изменения в веществе.

Обратимые изменения возникают одновременно с началом облучения и исчезают с прекращением облучения. Необратимые изменения наступают под воздействием определенной дозы облучения, не исчезают и не уменьшаются после прекращения облучения. Полупостоянные изменения начинаются при облучении, развиваются по мере увеличения дозы и исчезают через некоторое время после окончания облучения.

Влияние облучения на конструкционные материалы

На металлические конструкции ионизирующее облучение влияет слабо (мало). На свойства металлов оказывают влияние только нейтронные потоки большой интенсивности более 10²⁰ нейтр/см². При бомбардировке нейтронами может увеличиться временно прочность на разрыв, измениться текучесть и эластичность, повыситься удельное сопротивление (на 10 — 20%). В месте контакта металлов с органическими материалами может образоваться металлоорганическое соединение.

Органические вещества весьма чувствительны к радиации. Воздействие приводит к преобразованию молекул, сопровождающемуся химическими реакциями, вызывающими необратимые изменения природы вещества и его механических свойств. Преобразование сопровождается выделением газов, которые в соединении с влагой образуют кислоты, оказывающие вредное влияние на изоляционные материалы. Большинство пластмасс получает механическое повреждение при дозах 10⁷— 10⁸ рад. Фенолформальдегид и метилметакрилат становятся хрупкими и деформируются. Полиэтилен и полистирол — вначале увеличивается сопротивление разрыву и твердость, а затем они становятся хрупкими. Большинство пластмасс темнеет и обесцвечивается. Пропитки и изоляционные масла портятся, как и оргматериалы. Синтетический каучук и кремнийорганическая резина твердеют при 10⁸ рад, а натуральный каучук — при 10⁹ рад. Бутиловый каучук превращается в клейкую массу при 10⁸ рад. Изменение электрических свойств органических веществ (проводимость, диэлектрическая проницаемость, угол потерь) носит обратимый характер. Время восстановления зависит от природы материала и условий облучения.

На неорганические вещества (материалы) радиация воздействует меньше, чем на органические. При облучении нейтронами возможно объемное расширение (1% при облучении потоком 10²⁰ нейтр/см²). Кварц и стекло теряют прозрачность при больших дозах.

Таблица 1

Характеристики радиационной стойкости материалов.

Под допустимой дозой (потоком) понимается величина, при которой характеристики материала ухудшаются на 25%; допустимая доза определяется при помощи потока нейтронов и мощности дозы гамма — облучения соответственно 10¹¹ — 10¹² нейтр/ (см²*с) и (10⁶ — 10⁷) Р/ с.

Влияние ионизирующего облучения на резисторы

Следствием воздействия может быть пробой в связующих и пропитывающих изоляцию материалах, изменение свойств основного материала резистора, появление проводимости из — за ионизации материала каркаса и покрытия.

Величина и знак изменения сопротивления резистора определяются основным материалом резистора, номинальной величиной сопротивления, размерами, величиной приложенного напряжения и особенностями технологии изготовления. Чем больше величина сопротивления, тем большие обратимые изменения вызываются облучением; поэтому резисторы с сопротивлением порядка 10⁹ Ом могут быть ненадежны.

Облучение резисторов потоком быстрых нейтронов вызывает как необратимые, так и обратимые изменения (в зависимости от величины потока), а гамма — излучения — только обратимые изменения.

Таблица 2

Изменение номинального сопротивления резисторов (%) при кратковременном воздействии нейтронного облучения.

Таблица 3

Величины нейтронного потока при котором возникают необратимые изменения в резисторах и короткое замыкание, нейтр/см²

Рисунок 1 — Зависимость сопротивления тонкопленочных (1 — 3) и проволочных (4) резисторов от длительности гамма — облучения при общей дозе 2*10⁹ Р.

Импульсное (длительность импульса 0,1 мс) гамма — облучение дозой 10³ Р при мощности дозы 10⁷ Р/с в резисторах различных номиналов вызывает обратимые изменения.

Таблица 4.

При малых дозах импульсного нейтронного и гамма облучения, воздействующих одновременно, изменение параметров резисторов разных типов носит обратимый характер (величина изменения определяется не конструкцией, а размерами резисторов). Характеристики резисторов полностью восстанавливаются через 1 — 5 мс после облучения.

4. Влияние ионизирующего облучения на конденсаторы Ионизирующее облучение вызывает обратимое или необратимое изменение емкости и обратимое изменение величины утечки и тангенса угла потерь.

Нейтронная радиация приводит к необратимым и обратимым изменениям характеристик конденсаторов, а гамма — облучение — в основном — к обратимым изменениям. Общей причиной этого является изменение электрических характеристик диэлектрика (диэлектрической постоянной и сопротивления).

Кроме того происходит выделение газов при облучении в электролитических конденсаторах и конденсаторах с масляным заполнением, что может привести к их разрушению.

Таблица 5.

Влияние радиации на конденсаторы.

Сегнетокерамические конденсаторы подвергались импульсному облучению, остальные — непрерывному.

Влияние радиации на полупроводниковые диоды

Воздействие радиации на полупроводниковый диод зависит от того, какой эффект использован в качестве основы его работы, вида материала, удельного сопротивления его, а также конструктивных особенностей диода.

Германиевые диоды.

При облучении нейтронами проводимость диодов (плоскостных и точечных) в обратном направлении увеличивается, в прямом — уменьшается. При потоках более 10¹³ нейтр/см² выходят из строя, при — 10¹¹ нейтр/см² — происходит значительное изменение характеристик. При таких условиях облучения они могут работать в схемах, на работоспособность которых не сказывается существенно изменение характеристик проводимости диодов в обратном направлении.

При воздействии малых доз — облучения (10⁴ Р при мощности дозы 6*10⁴ Р/ч) обратный ток плоскостных диодов возрастает на 10%, на такую же величину уменьшается емкость p — n перехода, а также возникают фототоки. Через несколько дней после облучения параметры восстанавливаются до первоначального уровня.

Кремниевые диоды.

Под воздействием нейтронной радиации проводимость точечно-контактных диодов уменьшается в прямом и обратном направлениях; у плоскостных диодов проводимость в прямом направлении также уменьшается. Повреждение диодов обусловливается изменением характеристик проводимости в прямом направлении. Изменение характеристик тем больше, чем больше мощность потока. Доза 10¹² нейтр/см² нейтронного облучения вызывает заметное изменение характеристик диода.

Диоды могут быть использованы при облучении нейтронным потоком 10¹³ — 10¹⁷ нейтр/см², если изменение характеристик в прямом направлении не влияет на работу схемы.

Воздействие — облучения (мощность дозы 10⁶ Р/ч) вызывает обратимые изменения обратного тока, составляющие 10^-8 А.

Характер воздействия облучения электронами и протонами на германиевые и кремниевые диоды аналогичен нейтронному.

Влияние радиации на транзисторы

Воздействие быстрых нейтронов вызывает нарушение кристаллической решетки материала (основной эффект) и ионизацию (вторичный эффект). Вследствие этого изменяются параметры полупроводниковых материалов — время жизни основных носителей (), удельная проводимость (), скорость поверхностной рекомбинации дырок с электронами. Вследствие изменения вышеуказанных параметров уменьшается коэффициент усиления по току ₀ (₀), увеличивается обратный ток коллектора (I_к0), возрастают шумы транзистора. Изменение коэффициента усиления является необратимым, а изменения обратного тока могут быть обратимыми и необратимыми.

Протоны и электроны влияют на характеристики транзисторов также как и нейтронное облучение.

Влияние радиации на коэффициент усиления

Максимальный интегральный поток частиц Ф, который может выдерживать транзистор для заданного изменения параметра ₀, определяется из соотношения:

(1)

где f_а — граничная частота усиления по току в схеме с общей базой;

₀ — коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером (до начала облучения);

₀^об — коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером (после облучения);

к — постоянная, зависящая от типа транзистора (нейтр/с) /см².

Таблица 6.

Значения коэффициента к.

Как видно из таблицы наибольшую радиационную стойкость имеют германиевые p-n-p транзисторы. Они при прочих равных условиях выдерживают поток быстрых нейтронов на 1 — 2 порядка больше, чем кремниевые. Ориентировочно для оценки радиационной стойкости можно пользоваться диаграммой.

Левые границы прямоугольников соответствуют тем значениям потоков и доз, при которых становятся заметными необратимые изменения, а правые границы — значения потоков и доз, при которых характеристики транзисторов находятся на грани пригодности (в качестве критерия годности выбрано изменение коэффициента усиления ₀).

Предпочтение следует отдавать германиевым p-n-p транзисторам с высоким значением f_а и малым ₀ для устройств, работающих в условиях ионизирующей радиации.

При радиации происходит в основном изменение кратковременное I_к0. Причинами изменения являются:

а) ионизация, создаваемая — лучами, изменяющая поверхностные свойства полупроводника;

б) свойства материала корпуса, окружающего переход;

в) разрушения в полупроводниках, обусловленные нейтронами.

Ионизация, создаваемая радиацией, инжектирует избыток носителей в транзистор, вследствие чего возникают значительные шумы.

Например, облучении потоком — лучей при мощности дозы 2*10⁶ Р/ч приводит к возрастанию шумов на 2 дб.

Шумы исчезают при выходе из поля излучения.

Влияние облучения на электровакуумные приборы и интегральные схемы

На электровакуумные приборы излучение влияет слабо, пока не произойдет разрушение стеклянного баллона. Фотоумножители и электроннолучевые трубки повреждаются оптически, еще до полного отказа вследствие потемнения стекла колбы.

В настоящее время доказано, что радиационная стойкость ИС в металлостеклянных корпусах сравнима с ЭВП.

8. Методы конструирования, направленные на уменьшение влияния облучения на характеристики РЭА

При конструировании необходимо:

правильно подбирать и располагать элементы,

шире использовать керамические изоляторы в частях переключателей, разъемах, гнездах и т. д.,

применять стеклоткань и другие неорганические материалы для манжет, кабельной изоляции и др.,

применение элементов из неорганических материалов, слюдяных и керамических конденсаторов,

применять пленочные и металлопленочные сопротивления,

тщательно продумывать схему расположения, для уменьшения токов утечки и пробоя,

экранировать наиболее чувствительные элементы,

правильно выбирать материалы деталей конструкции,

правильно выбирать полупроводниковые приборы.

Для защиты от — лучей хорошо экранируют, защищают — свинец, уран, торий, висмут, вольфрам, золото, платина, ртуть и некоторые другие тяжелые материалы.

Для защиты от нейтронов применяют экраны из смеси легких и тяжелых элементов (бетон с повышенным содержанием воды), бороль (сплав карбида бора с алюминием), литий, бериллий, железо, медь, вольфрам, висмут.