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輻射位移效應

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輻射位移效應是指高能輻射導致半導體材料的原子離開原晶格位置而轉移到別的位置上的一種核輻射效應。高能粒子或高能輻射造成的次級粒子,與物質晶格原子核發生彈性碰撞,將其一部分能量傳遞給晶格原子。當傳遞能量大於晶格原子的位移閾能時,晶格原子獲得動能而離開原來位置,轉移到別的位置上而成為間隙原子,原來的晶格位置缺一個原子形成空位。一般半導體材料的位移閾能在10~25電子伏之間。

1 輻射位移效應 -輻射位移效應

輻射位移效應是指高能輻射導致半導體材料的原子離開原晶格位置而轉移到別的位置上的一種核輻射效應。高能粒子或高能輻射造成的次級粒子,與物質晶格原子核發生彈性碰撞,將其一部分能量傳遞給晶格原子。當傳遞能量大於晶格原子的位移閾能時,晶格原子獲得動能而離開原來位置,轉移到別的位置上而成為間隙原子,原來的晶格位置缺一個原子形成空位。一般半導體材料的位移閾能在10~25電子伏之間。

當高能中子、電子、質子、重的荷電粒子和γ射線輻照半導體材料時,使其中產生位移,造成缺陷,改變其原有電學性能,這叫做輻射位移損傷。輻射粒子與原子核之間碰撞的能量傳遞,是各自質量的函數,一般能量相同的重粒子比輕粒子損傷嚴重些。中子和γ射線輻照,由於不帶電荷,穿透很深,造成材料體內的均勻損傷;電子、質子特別是重荷電粒子輻照,由於帶電荷穿入較淺,只造成一定深度的損傷。定量地描述輻射造成的位移損傷,須考慮輻射的強度、能譜分佈和時間譜分佈的影響。位移損傷可以小劑量長期累積,如航天器在高空受到范·艾倫輻射帶中電子和質子的輻照;也可以是瞬間大劑量,如核爆炸在一瞬間內釋放出極高強度的中子和γ射線,在100納秒內即能造成嚴重的位移損傷。

位移損傷在晶格中造成缺陷,間隙原子和空位構成夫倫克耳缺陷,又叫點缺陷。高能輻射與物質相互作用,開始都形成點缺陷;但在室溫下不穩定,空位在運動中有時與間隙原子複合,缺陷消除。有時形成不同特點的兩大類缺陷。①簡單缺陷:最多包括幾個原子聯合在一起形成相對穩定的缺陷,如雙空位、三空位、空位和雜質的複合物等;②缺陷團:每團包含200~1000個點缺陷,團中心是直徑約為 500埃的無序原子區並帶有電荷。周圍是一層直徑約2000埃的耗盡層區,帶有相反的電荷。這兩類缺陷的形成破壞晶格的位能,在禁帶中形成新的電子能級,起複合中心的作用,影響材料的性質。

對於半導體材料,最重要的參數是載流子濃度n,遷移率μ和壽命τ,它們與輻照通量φ的關係為

n(φ)=n(0)±φdn/dφ

μ(φ)=μ(0)-φdμ/dφ

1/τ(φ)=1/τ(0)+輻射位移效應φ

式中n(φ)、n(0)、μ(φ)、μ(0)、τ(φ)、τ(0)分別代表輻照后及輻照前的載流子濃度、遷移率及壽命,輻射位移效應為材料壽命損傷常數。dn/dφ、dμ/dφ輻射位移效應都與材料和輻射的種類、能量有關。輻照使多子濃度減小(這叫做載流子去除效應)、壽命和遷移率退化,因而引起半導體器件參數的變化。

對輻照效應的研究,就是研究不同的輻照對象在不同輻射條件下的參數變化規律和損傷容限。

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