Влияние ионизирующего облучения на конденсаторы

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 направлении Обратимые 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 (I_к0), 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 f_а - граничная частота усиления по току в схеме с общей базой;

b₀ - коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером (до начала облучения);

b₀^об - 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 ¯

большой толщины

средней толщины

тонкая

Германиевые

fа ¯

большой толщины

средней толщины

тонкая

1010

1011

1012

1013

1014 нейтр см2

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 f_а и малым b₀ для устройств, работающих в условиях ионизирующей радиации.

При радиации происходит в основном изменение кратковременное I_к0. 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.