Радиационная стойкость электронных средств (стр. 2 из 2)
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.
| Вид конденсаторов | Интенсивность суммарного нейтронного и g-излучения (нейтр/см2+ эрг/кал) | Характер влияния радиации |
| Керамические | 1,3*108 + 2,5*1010 | Обратимые изменения С на 4 - 19% |
| Сегнетокерамические | 1,0*1013 + 8,3*104 | Токи утечки в обратном направленииОбратимые изменения С < 1% |
| Стеклоэмалевые | 2,5*1017 + 6,1*1010 | Изменение сопротивления изоляции на 2 - 3 порядка |
| Слюдяные | 1*1014 + 5,7*108 | Необратимые изменения С < 1% |
| 1,23*108 + 0 | Обратимые изменения С < 1% | |
| Бумажные | 1*1018 + 2,5*1010 | Значение емкости выходит за пределы допусков |
| Бумагомасляные | 1,1*1018 + 0 | Необратимые изменения емкости от +37 до -20% |
| Электролитические | - | Ток утечки возрастает с повышением мощности и дозы облучения |
| Танталовые | (3,4*1012 … 2,5*1018) ++ (5,7*108 … 4,4*1010) | Необратимые изменения емкости от -10 до +3,0% |
| Алюминиевые | то же | Необратимые изменения емкости от -6 до +65% |
| 9*1016 + 0 | Короткое замыкание |
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 g - 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 g - 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 (t), удельная проводимость (r), скорость поверхностной рекомбинации дырок с электронами. Вследствие изменения вышеуказанных параметров уменьшается коэффициент усиления по току b0 (a0), увеличивается обратный ток коллектора (Iк0), 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 b0, определяется из соотношения:
, (1)где fа - граничная частота усиления по току в схеме с общей базой;
b0 - коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером (до начала облучения);
b0об - 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.
| Материал | Тип проводимости транзистора | к |
| Германий n | p-n-p | (4,2 ± 0,2) *107 |
| Германий p | n-p-n | (1,8 ± 0,2) *107 |
| Кремний n | p-n-p | (3,1 ± 0,4) *106 |
| Кремний p | n-p-n | (4,6 ± 3,3) *106 |
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.
| Транзисторы | База | |||||||||||||||||
| Кремниевые | fа ¯ | большойтолщины | ||||||||||||||||
| среднейтолщины | ||||||||||||||||||
| тонкая | ||||||||||||||||||
| Германиевые | fа ¯ | большойтолщины | ||||||||||||||||
| среднейтолщины | ||||||||||||||||||
| тонкая | ||||||||||||||||||
| 1010 | 1011 | 1012 | 1013 | 1014 нейтрсм2 | ||||||||||||||
| 2,5*105 | 2,5*106 | 2,5*107 | 2,5*108 | 2,5*109 | Р | |||||||||||||
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 b0).
Предпочтение следует отдавать германиевым p-n-p транзисторам с высоким значением fа и малым b0 для устройств, работающих в условиях ионизирующей радиации.
При радиации происходит в основном изменение кратковременное Iк0. Причинами изменения являются:
а) ионизация, создаваемая g - 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 g - 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 g - 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.