Краткий разбор причин, типов дефектов, их влияния на параметры полупроводников и стратегий компенсации.
1) Причины радиационного повреждения
- Ионизирующее излучение (TID): гамма, рентген, электронные/протонные потоки — генерируют заряды в диэлектриках (оксиды) и на интерфейсах Si/SiO2.
- Неионизирующее повреждение (NIEL, displacement damage): протоны, нейтроны, тяжелые ионы выбивают атомы из решётки — вакансии, интерстиции и комплексы.
- Одиночные события (SEE): тяжелые ионы/протоны создают локальные густые потоки носителей — SEU, SET, SEL, SEB.
2) Какие дефекты формируются
- Точечные дефекты: вакансии (V), интерстиции (I).
- Комплексы: VO (vacancy-oxygen), V2 (divacancy), VP (vacancy-phosphorus), Ci, CiOi и др.
- Глубокие уровни в запрещённой зоне — трапы рекомбинации/генерации и зарядовые центры.
- В оксидах/на интерфейсе: захваченный заряд $Q_{ot}$ в SiO2 и увеличенная плотность интерфейсных состояний $D_{it}$.
3) Как дефекты влияют на параметры приборов
- Ток утечки (dark/leakage): увеличивается пропорционально флюенсу: $\Delta I=\alpha \Phi V$, где $\alpha$ — коэффициент повреждения тока, $\Phi$ — флюенс, $V$ — объём.
- Время жизни носителей / захваты: уменьшается: $\frac{1}{\tau }=\frac{1}{{\tau }_0}+\beta \Phi$ — ухудшение CCE (charge collection efficiency): собранный заряд $Q\propto e^{-t_{coll}/\tau }$.
- Сдвиг эффективной концентрации допантов $N_{eff}$ и напряжения полного обеднения: $V_{dep}=\frac{q{N}_{eff}{d}^2}{2\epsilon }$ — может происходить type inversion; увеличивается требуемое смещение для детекторов.
- Шум и S/N: растёт из‑за утечек и фликкера от интерфейсных состояний.
- MOSFET: сдвиг порога $\Delta V_{th}\approx -\frac{Q_{ot}}{C_{ox}}$, потеря подвижности из‑за $D_{it}$, деградация транзисторных параметров, увеличение субпорогового тока.
- CCD/CMOS-датчики: ухудшение CTI (charge transfer inefficiency), снижение квантовой эффективности, пиксельные сбои.
- SEE: одиночные сдвиги состояний (SEU), искажения сигналов (SET), лавинный ток/заклинивание (SEL, SEB) — мгновенные отказа или длительные повреждения.
4) Стратегии компенсации и смягчения
- Выбор технологии:
- Si-on-insulator (SOI), глубокий эпитаксиальный слой, высокоомные подложки, p‑bulk (n‑on‑p) для датчиков — снижает чувствительность к NIEL/TID.
- Радиационно-ускоренные процессы (gettering, легирование O).
- Проектирование на уровне компоновки:
- Enclosed Layout Transistors (ELT), guard rings, толстый полисиликон, защитные диэлектрики.
- Изолирующие/разделяющие структуры для предотвращения latchup.
- Электронные меры:
- ECC и скраббинг для памяти (SECDED, periodic scrub).
- Тройная модульная избыточность (TMR), избыточные блоки и мониторинг целостности.
- Hardened-by-design (HBD) ячейки регистров и SRAM.
- Ограничители тока, схемы автоотключения и восстановление питания для борьбы с SEL/SEB.
- Операционные меры:
- Охлаждение — существенно снижает утечку и скорость генерации.
- Повышение (и контроль) напряжения смещения для компенсации увеличенного $V_{dep}$ (в пределах безопасного режима).
- Периодическая калибровка, коррекция смещения/компенсация параметров ПО.
- Термическая отжиг/анниляция (в допустимых условиях) для частичного восстановления дефектов.
- Защита и системные меры:
- Экранирование (массовое и материальное) с учётом вторичных частиц и массы.
- Использование дозиметров и мониторинга флюенса для адаптивного управления.
- Проектирование с запасом по напряжениям/токам и тестирование в условиях эквивалентных миссии.
- Специфические для детекторов:
- Переход на n‑on‑p или 3D‑структуры для лучшей устойчивости к NIEL.
- Сегментация, дополнительная электроника сбора, коррекция CTI программно.
Краткое правило оценки деградации: для многих параметров существует линейная аппроксимация по флюенсу/дозе (в пределах рабочей области), поэтому проектирование должно базироваться на ожидаемом $\Phi$ и дозе $D$ для миссии и включать меры мониторинга/коррекции.
Если нужно, могу привести пример расчёта прироста тока и требуемого охлаждения для заданного флюенса/объёма.