Испытания ЭС на влияние невесомости. Радиационные воздействия (стр. 1 из 4)

Министерство образования Республики Беларусь

Белорусский государственный университет информатики и

радиоэлектроники

Кафедра РЭС

Реферат

на тему:

"Испытания ЭС на влияние невесомости. Радиационные воздействия"

Минск 2008

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.

Рисунок 1 - Схема падающего капсулированного контейнера:

1 — зажимное устройство; 2 — контейнер с испытываемым изделием и

контрольно-измерительной аппаратурой; 3 — вакуумированная капсула;

4 — демпфер: H1 — высота падения контейнера;

H2 — 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 (рисунок 1). 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: 1 Гр= 1 Дж/кг.

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 2, 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.

Рисунок 2 - 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.

Рисунок 3 - 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 (рисунок 3). 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.