 |
Испытания ЭС на влияние невесомости. Радиационные воздействия
|
|
|
|
Цель работы: закрепление теоретических знаний об испытаниях ЭС на влияние невесомости и радиационных воздействиях.
В период подготовки к практическому занятию студенты получают в соответствии с указаниями преподавателя необходимую литературу в библиотеке университета и изучают учебные материалы темы № 6 «Испытания ЭС на влияние невесомости. Радиационные воздействия», используя литературу [1, 2], материал, представленный ниже, а также конспект лекций.
Испытания ЭС на влияние невесомости
Испытания ЭС на влияние невесомости проводят для исследования их работоспособности в условиях невесомости. Для имитации этих условий применяют различные методы. Кратковременное состояние невесомости может быть достигнуто с помощью специально оборудованного самолета, выполняющего маневр по кеплеровским траекториям.
Для проведения точных экспериментов по изучению парообразования, кипения, конденсации, поведения топлива в баках и т.д. необходимо, чтобы возмущающие механические силы (например, вибрации) были устранены. С этой целью применяют «плавающие» контейнеры, внутри которых размещают испытываемые изделия и контрольно-измерительную аппаратуру. В начале полета контейнер удерживается на упругих растяжках в середине кабины самолета, но по достижении состояния невесомости растяжки отстегиваются и контейнер движется свободно по эллиптической траектории. Если требуется, чтобы перед наступлением невесомости жидкость длительное время не подвергалась внешним возмущениям, для проведения испытания используют вертикальные башни, с которых сбрасывают контейнеры с приборным оборудованием. При поддержании вакуума внутри башни свободно падающее в ней тело находится в состоянии невесомости в течение всего времени падения. Однако контейнер, падая в вакууме, развивает очень большую скорость (около 2100 км/ч) в конце участка падения. Кроме того, для увеличения продолжительности периода невесомости требуется сооружать высокие башни. Поэтому на практике строят башни без вакуумируемой шахты и приемлемой высоты.
|
|
|
Рис. 4. Схема падающего капсулированного контейнера: 1 - зажимное устройство; 2 - контейнер с испытываемым изделием и контрольно-измерительной аппаратурой; 3 - вакуумированная капсула; 4 - демпфер: 
- высота падения контейнера; 
- высота падения капсулы
Чтобы приблизить условия испытания к условиям невесомости, необходимо уменьшить силу аэродинамического торможения контейнера, отнесенную к единице его массы. С этой целью контейнер с приборным оборудованием помещают внутри верхней части вакуумированной капсулы, которую сбрасывают с вершины башни в обычной атмосфере (рис. 4).
По мере торможения капсулы о воздух внутренний контейнер постепенно приближается к переднему концу капсулы, оставаясь все время в состоянии свободного падения. Для реализации описанного метода испытания высота башни должна быть около 300 м, что обеспечивает имитацию невесомости в течение почти 8 с.
Применение ракет и спутников для исследования влияния невесомости позволяет увеличить время проведения научных экспериментов, но значительно удорожает их.
Радиационные воздействия
Электронные средства, работающие в условиях космоса и на объектах, содержащих радиационные установки, могут подвергаться воздействию радиоактивного излучения. Для измерения поглощенной дозы радиоактивного излучения применяется специальная единица - грей. Грей равен поглощенной дозе радиоактивного излучения, при которой облученному веществу массой 1 кг передается энергия излучения 1 Дж: 
.
|
|
|
Воздействие на ЭС радиоактивного излучения приводит к радиационным повреждениям изделий. При этом различают необратимые (остаточные) и обратимые (временные) нарушения.
Необратимые нарушения связаны с изменением структуры применяемых в ЭС материалов и, прежде всего, полупроводниковых. К таким нарушениям относятся: перегруппировка атомов в кристаллической решетке; появление вакансий; междоузельных атомов, дислокаций; внедрение инородных атомов. Обратимые нарушения, например в ИС, наблюдаются при переходе электронов и дырок в неравновесное состояние, которое из-за большой подвижности носителей заряда быстро восстанавливается после прекращения облучения. Тем не менее, и обратимые изменения могут ухудшать параметры ЭС, вызывая увеличение токов утечки и снижение сопротивления изоляционных, полупроводниковых и проводящих материалов технике испытаний под радиационными дефектами обычно понимают только необратимые нарушения.
В зависимости от вида и энергии излучения процессы, приводящие к нарушениям, могут происходить по всему объему применяемого в ЭС материала или только в приповерхностном его слое. Нейтроны и гамма-кванты обладают высокой проникающей способностью, и, поэтому вызываемые ими изменения, как правило, носят объемный характер. Естественно, они могут приводить одновременно и к поверхностным изменениям. Альфа-частицы и осколки ядер вследствие малой длины их пробега в веществе воздействуют только на поверхность. Протоны и электроны (бета-излучение) могут приводить к дефектам как в поверхностном слое, так и в объеме материала, поскольку глубина их проникновения зависит от энергии частиц и возникновения в данном материале вторичных ионизирующих излучений (нейтронов, гамма-квантов и т.д.).
Влияние радиоактивных излучений на электрические свойства полупроводников связано с появлением новых энергетических уровней в запрещенной зоне. Некоторые из них (центры рекомбинации) могут захватывать носители зарядов, в результате чего уменьшается эффективное время жизни последних и заметно ухудшаются основные параметры полупроводниковых приборов и ИС. Интенсивность возникающих при облучении процессов рекомбинации носителей зарядов существенно различна для разных полупроводниковых материалов. Например, на дефектах в кристаллической решетке кремния, облученного нейтронами, рекомбинация в 10 раз активнее, чем на дефектах в облученном германии. Поэтому германий - радиационно более стойкий материал, чем кремний. Как правило, материалы с меньшим удельным электрическим сопротивлением являются радиационно более стойкими.
|
|
|
Наиболее чувствительны к облучению в полупроводниковых приборах р-n-переходы и область базы. Транзисторы с узкой базой выдерживают большую дозу облучения, чем транзисторы с широкой базой, так как эффективность работы транзистора тем выше, чем меньше рекомбинирует при прохождении через базу инжектированных в нее неосновных носителей. Следовательно, высокочастотные транзисторы радиационно более стойкие, чем низкочастотные.
Наряду с нарушениями структуры материалов при облучении происходит также их нагрев (радиационный разогрев) вследствие преобразования поглощенной энергии радиоактивного излучения в тепловую. В связи с этим в ряде случаев целесообразнее использовать в ЭС материалы, менее стойкие к облучению, но более стойкие к воздействию повышенных температур.
Изменение стокозатворной характеристики полевого транзистора с p-n-переходом после радиоактивного облучения его в реакторе потоками быстрых нейтронов показано на рисунке 6, причем кривой с большим порядковым номером соответствует большая энергия излучения. При нулевом напряжении на затворе ширина обедненного слоя у p-n-перехода затвора минимальна, а ток максимален. Максимальный ток в канале транзистора определяется главным образом концентрацией свободных носителей заряда в канале. Поскольку при облучении быстрыми нейтронами эта концентрация уменьшается, уменьшается и максимальный ток.
Рис. 5. Изменение стокозатворной характеристики полевого транзистора при облучении его быстрыми нейтронами:
0 - до облучения; 1-4 - после облучения.
Стокозатворная и стоковая характеристики полевых транзисторов с p-n-переходом практически не зависят от поверхностных эффектов, что определяет их высокую стойкость к радиоактивным излучениям. Предельная поглощенная доза для них может составлять 107 Гр.
|
|
|
Рис. 6. Схема образования напряженных (НС) и оборванных (ОС) валентных связей между атомами на границе раздела двух материалов с различными кристаллическими решетками.
Изменение параметров МДП-транзисторов в результате воздействия радиоактивного излучения обусловлено главным образом радиационными дефектами в диэлектрике затвора и на границе диэлектрик-полупроводник. Повышенная концентрация дефектов в переходном слое связана с различием в строении и физических свойств полупроводника и диэлектрика. Контактирование двух материалов с различными кристаллическими решетками приводит к возникновению дефектов в виде оборванных и напряженных валентных связей в переходном слое (рис. 6). При воздействии радиационного излучения на структуру диэлектрик - полупроводник наблюдается увеличение плотности поверхностных состояний и образование пространственного заряда в объеме диэлектрика. Плотность наведенного облучением заряда определяется поглощенной дозой ионизирующего излучения, значением и полярностью приложенного к затвору напряжения, концентрацией ловушек. В пленке диоксида кремния в результате облучения происходит накопление положительного пространственного заряда. Это приводит к изменению поверхностной концентрации носителей заряда, образованию поверхностных проводящих каналов, появлению поверхностного тока утечки и уменьшению пробивного напряжения.
Стойкость резисторов к радиоактивному излучению зависит от технологии их изготовления и исходных материалов. Пленочные металлические резисторы обладают большей радиационной стойкостью, чем углеродистые. В свою очередь, резисторы из чистых металлов имеют большую радиационную стойкость, чем резисторы из сплавов или оксидов металлов. Степень радиационных нарушений в пленочных углеродистых резисторах зависит от вида защитного покрытия. Резисторы, опрессованные в пластмассу, противостоят облучению лучше резисторов с корпусами из керамики, стекла и эпоксидной смолы, причем стойкость резисторов повышается, если вместо воздуха корпуса заполнены внутри азотом или гелием.
Диффузионные резисторы ИС подвержены резкому влиянию радиации. Их стойкость существенно зависит от изоляции элементов ИС. Наименее чувствительны к радиоактивному излучению резисторы, с диэлектрической изоляцией, а наиболее чувствительны — резисторы, изолированные р-n-переходом. Это объясняется тем, что обратно включенные р-n-переходы оказывают шунтирующее действие при радиоактивном излучении, так как обратный ток диодов в результате облучения значительно возрастает. Поэтому в ЭС, эксплуатируемых при повышенном уровне радиации, нежелательно применять ИС с изоляцией элементов при помощи обратносмещенных р-n-переходов.
|
|
|
Радиационная стойкость конденсаторов определяется технологией их изготовления и применяемыми материалами. Как показывает практика, органические диэлектрики почти на порядок более чувствительны к радиоактивным излучениям, чем неорганические. Барьерная емкость закрытого р-n-перехода, часто используемая в качестве конденсатора ИС, очень чувствительна к облучению. При больших дозах облучения эта емкость существенно увеличивает время задержки включения логических ИС, а следовательно, ухудшает их быстродействие. Тонкопленочные структуры типов МДМ и МДП, также используемые в качестве конденсаторов ИС, радиационно более стойки. Наиболее чувствительным параметром тонкопленочных конденсаторов является проводимость диэлектрической пленки, которая при облучении в большинстве случаев увеличивается.
Радиационная стойкость катушек индуктивности определяется в основном степенью повреждения материалов. Катушки индуктивности без сердечника и пленочные спиральные катушки индуктивности наиболее стойки к радиации. За счет радиационного изменения активного сопротивления катушки индуктивности может незначительно измениться только добротность. Однако этот эффект не проявляется при облучении потоками плотностью до 1018 см-2 – с-1. Индуктивность пленочных спиральных катушек с ферромагнитными пленками при облучении в реакторе или на гамма-установке большими дозами (105 Гр) уменьшается за счет радиационного изменения магнитной проницаемости сердечников. При таких дозах облучения в катушках индуктивности, покрытых защитными лаками или смолами, происходят механические разрушения конструкции катушек и уменьшение сопротивления изоляции.
|
|
|
