При воздействии нейтронного импульса эти процессы восстановления не успевают закончиться к моменту его окончания, что проявляется в глубоком кратковременном изменении параметров изделий и схем РЭА, во много раз превосходящем установившееся после облучения значение параметров. Изменение параметров зависит от плотности потока нейтронов, а длительность процесса восстановления (быстрого «отжига») — в основном от свойств материалов и режима работы изделий в РЭА. Кратковременные изменения параметров из-за импульса нейтронов могут привести к полной потере работоспособности аппаратуры на период их времени восстановления.
Эффекты переноса заряда обусловлены передачей кинетической энергии ИИ вторичным частицам и проявляются в виде неустановившихся токов, а также захваченного диэлектриком заряда. При движении вторичных заряженных частиц (например, комптоновских электронов, возникающих под действием фотонов высоких энергий, или протонов отдачи, возникающих при взаимодействии нейтронов с водородосодержащими веществами) создаются электрические и магнитные поля, а также протекают неустановившиеся токи, зависящие от мощности дозы облучения. Эти эффекты могут привести к появлению ложных сигналов и сбоев в аппаратуре или пропаданию полезных сигналов, а также при недостаточной электрической прочности входных и выходных цепей к их перегоранию. Заряд, перенесенный вторичными частицами в непроводящую область, может находиться там в течение длительного времени, он зависит от интегрального потока частиц (дозы облучения).
Входящие в состав ИИ заряженные частицы как первичные, так и вторичные выделяют в веществе энергию преимущественно путем образования вдоль траектории движения электронно-ионных пар. Ионизационными называются эффекты, вызванные этими низкоэнергетичными заряженными носителями. Они отличаются от эффектов переноса заряда, которые определяются как смещение зарядов высокоэнергетичными частицами. Число образующихся электронно-дырочных пар независимо от вида первичных частиц определяется только количеством энергии, выделяемой на ионизацию.
Ионизационные эффекты проявляются в виде переходных эффектов (эффектов свободных носителей): промежуточных релаксационных, долговременных эффектов захваченных носителей и химических.
Переходные эффекты связаны с образованием свободных носителей. Средняя продолжительность существования носителей в полупроводниковых материалах до захвата или рекомбинации может меняться от 10-9 до 10-5 с. Поэтому плотность свободных носителей в зависимости от соотношения между длительностями импульса излучения и времени жизни носителей зависит либо от дозы, либо от мощности дозы излучения.
Возрастание числа свободных электронов и ионизированных атомов приводит к изменению электрофизических характеристик материала (например, удельного сопротивления, диэлектрических потерь) и формированию во внешних цепях ЭРИ приращений токов. Из-за высокой подвижности свободных носителей неравновесное состояние, вызванное ионизацией, обычно быстро исчезает после прекращения облучения. Ионизационный эффект и процесс последующего восстановления равновесного состояния зависят от параметров излучения {мощности дозы гамма-излучения и плотности потока нейтронов, спектрального состава излучения, формы и длительности воздействующего импульса) и физических параметров материалов (главным образом времени существования неравновесных носителей заряда в объеме материала).
В диэлектриках и изоляторах захваченные на «ловушки» носители иногда могут снова высвободиться за счет тепловых эффектов, вызывая промежуточные релаксационные эффекты. В зависимости от энергии ионизации время их релаксации изменяется от долей микросекунды до многих суток, приводя, например, к появлению в радиационно наведенной проводимости составляющих с постепенно возрастающим временем жизни и опадающей амплитудой.
Отдельные носители, генерируемые в диэлектрике и изоляторах, захватываются на глубокие энергетические уровни, их плотность возрастает с ростом дозы и достигает насыщения после заполнения большинства свободных уровней. В этом случае говорят о долговременных эффектах захваченных носителей. И наконец, под действием энергии, высвобождающейся при парной рекомбинации и рекомбинации свободных носителей, возникают химические эффекты, проявление которых в аппаратуре и влияние на работоспособность практически не исследованы.
Возникающие при облучения неравновесные носители в результате их направленного дрейфа и диффузии в p-n - переходе и прилегающих к нему областях вызывают переходные токи во внешних цепях полупроводниковых приборов и компонент ИС, называемые первичными ионизационными токами. Направление этих токов соответствует направлению токов через обратносмещенные переходы. Первичные ионизационные токи, протекающие во входных цепях транзисторов, могут умножаться за счет усилительных свойств транзисторов. Степень усиления зависит от схемы включения транзистора и электрического режима его работы. Токи в выходных цепях, обусловленные умножением первичных ионизационных токов, называют вторичными. Изменяется также проводимость материала, особенно в изолирующих и слаболегированных областях полупроводниковых приборов (каналы и изолирующий слой затвора полевого транзистора).
Кроме указанных эффектов на работу полупроводниковых приборов могут оказывать влияние утечки по воздуху между электродами, возникающие при ионизации. Этот эффект может стать определяющим для приборов с малой (ниже 10-13 … 10-14 А*с*Р-1) чувствительностью к гамма-излучению.
Таким образом, ионизационные эффекты в ЭРИ при воздействии гамма- и нейтронного излучений вызывают образование избыточных зарядов, появление которых в диэлектриках и изоляторах понижает их изолирующие свойства, приводит к возникновению токов утечки, а в полупроводниках к образованию ионизационных токов. В результате возникают обратимые изменения параметров аппаратуры, находящейся во включенном состоянии, что может приводить к временной потере ее работоспособности, ложным срабатываниям, сбоям и пропаданию полезного сигнала.
Эффекты, вызванные действием ЭМИ.
В реальных условиях работы ЭРИ в составе аппаратуры на них могут
воздействовать непосредственно электромагнитные поля,
трансформированные по форме и ослабленные экранами объекта или блоков
аппаратуры, и импульсные электрические напряжения и токи, наводимые
полем ЭМИ на схемных соединениях и в самих изделиях.
В общем случае при действии ЭМИ на изделия электронной техники имеют место следующие эффекты:
• проникновение ЭМИ внутрь корпусов и искажение внутренних электрических и магнитных полей изделий;
• возникновение ЭДС и токов на корпусах, выводах, металлизации и других проводящих элементах;
• воздействие на изделия электрических импульсов, приходящих с других элементов РЭА, паразитных антенн
Степень влияния этих эффектов на работоспособность ЭРИ неодинакова. Наиболее существенное влияние на работоспособность изделий в составе аппаратуры оказывают импульсные напряжения, наведенные ЭМИ на протяженных соединительных линиях, антеннах и т. п., электрически связанных с этими изделиями. При воздействии импульсных перенапряжений в изделиях могут наблюдаться:
• пробои p-n - переходов у полупроводниковых приборов;
• пробои вакуумных и газонаполненных промежутков;
• расплавление и обрывы токоведущих дорожек, мест пайки (сварки) проводов из-за термо- и электродинамических напряжений;
• сбои в работе и появление ложных сигналов.
Эти явления присущи наиболее чувствительным к излучению (изделиям, таким, как полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы. Основные отказы этих изделий связаны с электрическими (влияющими на величину и распределение токов в структуре приборов) и тепловыми (определяющими повышение температуры отдельных участков этой структуры) процессами. Возникновение электрического (лавинного или туннельного) пробоя приводит к резкому возрастанию обратного тока перехода, который может превысить допустимое значение. После воздействия импульса перенапряжения, если электрический пробой не перешел в тепловой, значение обратного тока возвращается к первоначальному (допробойному).
Вторичный пробой является основной причиной необратимых изменений в p-n - переходах при воздействии импульсных перенапряжений. Вторичный пробой связан с протеканием тока и выделением мощности на отдельных небольших по площади участках области перехода. По мере выделения тепла на отдельных участках полупроводника сопротивление их меняется, в результате чего возможно перераспределение токов в других участках p-n - перехода. Этот эффект кумуляции характерен как для биполярных транзисторов, так и для МОП - транзисторов, тиристоров, точечных и плоскостных диодов и других приборов с переходами. Кумуляция тока и мощности в основном связана с наличием: