永久輻射效應

永久輻射效應是輻射效應的一種。輻射效應是指射線同物質的相互作用。所有的射線，不管它是帶電的或是不帶電的，也不管是粒子還是電磁波，它們都能與物質發生相互作用，當它們穿過物質時，或者是被物質部分地或全部地吸收，或者是從一定厚度的物質中穿透出去。

材料或器件受高能粒子轟擊後，晶格原子發生位移和電離，室溫下，其性能在長時間（大於1000s）內不能恢復正常。

基本介紹

• 中文名：永久輻射效應
• 外文名：permanent radiation effect
• 危害：輻射位移效應，輻射電離效應等

產生背景

隨著核武器、空間技術和核能技術的發展，越來越多的電子設備需要在輻射（包括空間輻射）環境中工作，而輻射會對電子設備產生影響，特別是對半導體器件的作用尤為靈敏。一般說來，輻射會降低電子材料、元件、器件和設備的電性能。研究核輻射效應的目的，是為了揭示各種輻射的規律及其影響程度。就輻射效應的作用時間來說，如輻射源除去後，效應立即消除，稱為瞬時效應；如永遠不能恢復，則稱為永久效應；也有經一段時間後恢復的稱為半永久效應。為了進一步弄清輻射如何產生影響，需要對損傷機制進行研究。

內涵

核輻射效應有兩方面的涵義，一是通常所指的涵義，即核輻射對電子材料、元件、器件和設備的影響效應；另一是指核輻射直接轉換為電磁場的效應，即核電磁脈衝效應。

凡是能量大於200eV的中子入射時，都能使晶格原子產生位移。被位移的原子稱為間隙原子，在原子原來的位置留下一個空位。晶體內形成的間隙原子-空穴通常稱為弗蘭克爾（Frenkel）缺陷，又稱為簡單缺陷或點缺陷。在室溫下，這種缺陷是不穩定的，空位可在晶格內移動，移動過程中可與間隙原子複合。但如移動至雜質附近，形成雜質-空位複合體，或兩個空位形成雙空位，則在室溫下，它就相當穩定，將長期影響半導體材料的性能；只有在數百C高溫退火條件下這種缺陷才會消失。高能中子輻射一般在半導體材料內形成缺陷群，在室溫下更為穩定。

入射電子時，如果其能量甚高，足以克服庫侖禁止而充分接近晶格原子核，則會發生庫侖散射，電子將部分能量傳遞給原子，使其位移，也產生弗蘭克爾缺陷，在晶體中留下永久性損傷。Y射線入射時，通過光電效應、康普頓效應及電子對產生三種過程產生高能電子，該電子再與晶格原子核作用，此時情況就與入射電子時相同。質子與晶格原子作用也類似於電子，只是情況更為複雜。重離子與晶格原子的作用則類似於中子，形了成的體損傷在室溫下都不能恢復。

另外，當瞬時電離輻射足夠強時，它在反向偏置的半導體結內形成的光電流足夠大，就足以使結燒毀，給器件造成的損傷也不能恢復。在y射線脈衝作用下，PN結隔離的TTL積體電路的NPNP閉鎖，也會使結造成永久性損傷。

永久性輻射損傷

永久性輻射損傷一般與下列因素有關:輻射粒子的注量、能譜和劑量率；受輻照樣品的溫度、材料類型、摻雜濃度和非活性雜質濃度；原始缺陷數量；切片晶向；輻射時少數載流子的注入電平；輻照後樣品經歷、時間、溫度和測量時的注入電平等。

組成內容

表面效應

在一些半導體器件的鈍化層界面上產生的電離和缺陷，有時也稱為表面效應。基於材料的損傷，對不同原理、不同結構和工藝的元件器件又會產生不同的電性能影響。可用微觀損傷的物理模型，解釋輻射引起巨觀電參數的變化規律。實際上,各種輻射效應往往並不是單一地存在；不過,在某種特定條件下，其中某一種效應是主要的。例如，位移效應一般屬於永久效應，但在退火條件下也可部分或全部恢復；電離效應一般屬於瞬時效應，但在結擊穿條件下也可能成為永久效應。為了保證電子設備能適應預定的輻射環境而正常工作，一般需要進行抗輻射加固的研究和設計，包括元件器件的加固、電路的加固和結構、材料的加固等。對一個實際的電子系統的抗輻射加固技術很複雜,除了理論分析之外,往往需要通過實驗和藉助電子計算機進行反覆的模擬和輔助設計。經過專門加固的電子系統，可使抗輻射能力提高2～3個數量級以上。輻射效應、損傷機制和加固技術的研究逐步發展，緊密結合，已形成一門嶄新的分支學科──抗輻射電子學。

早在50年代初期，由於反應堆技術和核武器的發展，人們對輻射效應開展了研究工作。60年代，由於核武器和空間技術的進一步發展，另一方面由於半導體器件的廣泛套用，在抗輻射電子學方面不僅更加系統地開展輻射效應的研究，而且利用核物理和固體物理等各種先進技術基本上弄清了微觀的損傷機制；同時也開展了器件加固技術的研究。70年代，核加固技術的研究已取得很大成就，從研究階段進入到工程套用階段。抗輻射電子學是一門多學科交叉的邊緣學科，特別是核物理、固體（半導體）物理及電子學互相滲透的學科。

電磁脈衝

核電磁脈衝是另外一種重要的輻射效應，即由核爆炸時輻射出的極強脈衝γ射線產生的電磁效應。不論高空、低空、地面或地下核爆炸都伴隨產生電磁脈衝現象。這種電磁場具有場強高(～10伏/米)分布範圍廣(高空核爆炸時可達數千公里)頻譜寬(從數千赫到數百兆赫)等特點。它的破壞力極強，而防護卻比較困難。由於這種核電磁脈衝為核爆炸時周圍的介質（如空氣）所產生，有時也稱為環境電磁脈衝。

此外,在70年代後期,人們廣泛地研究了輻射電荷轉移效應產生的其他一些類型的電磁脈衝現象，如強脈衝γ射線直接打到金屬殼體在內部激勵產生的電磁場，稱為內電磁脈衝；又如脈衝γ射線或 X射線打到金屬殼體上產生高速飛離的電子，引起金屬中電荷的再分布而感生的電磁場，稱為系統感生電磁脈衝。這兩種電磁脈衝的場強，也都能達到10伏/米以上，而且無法用外部電磁禁止的方法來防止。因此，研究其產生機制、分布規律、對電子系統的影響，以及防護技術，在軍事上，特別對於空間飛行器具有極為重要的意義。

主要危害編輯

輻射對材料造成的損傷，主要有三大類：

①、使材料的原子離開原來的晶格位置，產生位移，稱為輻射位移效應；

②、使材料中的原子電離，稱為輻射電離效應；

③、高能輻射產生的次級荷電粒子，在運動中穿過材料界面，因電荷轉移形成瞬時電流和場，稱為電荷轉移效應。