3676

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова»

Радиационные эффекты в полупроводниковых структурах

Методические указания к практическим занятиям

для студентов по всем специальностям

ВОРОНЕЖ 2018

2

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова»

Н.Н. Панюшкин, Н.Ю. Евсикова, Н.С. Камалова, Н.Н. Матвеев, В.И. Лисицын

Радиационные эффекты в полупроводниковых структурах

Методические указания к практическим занятиям

для студентов по всем специальностям

ВОРОНЕЖ 2018

3

УДК 620.3 (063) Ф50

Радиационные эффекты в полупроводниковых структурах [Электронный ресурс]: методические указания к практическим занятиям для студентов по всем специальностям / Н.Н. Панюшкин, Н.Ю. Евсикова, Н.С. Камалова, Н.Н. Матвеев, В.И. Лисицын; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж, 2018. – ЭБС ВГЛТУ.

В методических указаниях приводятся темы практических занятий, задачи по дисциплине, основные соотношения для решения задач, и вопросы на коллоквиумы. Все задания нацелены на формирование способности находить решение поставленным задачам, разрабатывать физические и математические модели процессов, происходящих в микроструктуре новейших материалов и изменений характеристик полупроводниковых приборов под воздействием радиации.

Методические указания предназначены для использования на практических занятиях у студентов всех специальностей, направлений и профилей подготовки ВГЛТУ всех форм обучения, в учебных планах которых предусмотрено изучение дисциплины «Радиационные эффекты в полупроводниковых структурах».

Издается по решению кафедры общей и прикладной физики ФГБОУ ВО «ВГЛТУ».

Ответственный редактор: Панюшкин Н.Н.

Коллектив авторов, 2018

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», 2018

4

ОГЛАВЛЕНИЕ

Тема 4. Радиационные эффекты в дискретных полупроводниковых приборах и элементах

ПРЕДИСЛОВИЕ

Дисциплина «Радиационные эффекты в полупроводниковых структурах» изучает фундаментальные законы возникновения, поглощения радиационных излучений, а также вызываемые ими эффекты в полупроводниковых приборах, которые активно используются в современной технике. Дисциплина формирует у слушателей навыки по применению положений физики радиационных эффектов в полупроводниковых структурах к грамотному научному анализу ситуаций, с которыми специалисту придется сталкиваться при создании или использовании новой техники и новых технологий. Поэтому освоение данной дисциплины необходимо широкому кругу специалистов технического, технологического и экономического профиля.

Необходимо заметить, что физические теории, позволяющие описать радиационные эффекты в полупроводниковых структурах, и в среде позволяют определить пределы применимости этих теорий для решения современных и перспективных профессиональных задач. При освоении дисциплины «Радиационные эффекты в полупроводниковых структурах» чрезвычайно высокую значимость имеет организация практических занятий, т.к. теоретические знания необходимо уметь грамотно применять на практике.

В методических указаниях приводятся темы практических занятий, задачи по дисциплине, краткие теоретические сведения для решения задач, и вопросы на коллоквиумы. Все задания нацелены на формирование способности находить решение поставленным задачам, разрабатывать физические и математические модели процессов, происходящих в микроструктуре новейших материалов и изменений характеристик полупроводниковых приборов под воздействием радиации.

Методические указания предназначены для использования на практических занятиях у студентов всех специальностей, направлений и профилей подготовки ВГЛТУ всех форм обучения, в учебных планах которых предусмотрено изучение дисциплины «Радиационные эффекты в полупроводниковых структурах».

6

Темы практических занятий по дисциплине «Радиационные эффекты в полупроводниковых структурах»

1.Введение. Радиационная среда и её основные характеристики.

2.Взаимодействие радиации и ионизирующих излучений с материалами электронной техники.

3.Формирование дозовых радиационных эффектов в полупроводниках и диэлектриках.

4.Коллоквиум по темам 1-3.

5.Радиационные эффекты в дискретных полупроводниковых приборах и элементах интегральных схем.

6.Радиационные эффекты в интегральных схемах.

7.Одиночные радиационные эффекты в условиях воздействия отдельных заряженных частиц.

8.Коллоквиум по темам 4-6.

9.Зачет по дисциплине.

7

Тема 1. Введение. Радиационная среда и её основные характеристики

АЛГОРИТМ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

1.Записать ядерную реакцию распада.

2.Воспользовавшись законами радиоактивного распада, сохранения массы и заряда, найти ответ.

3.Если нужно, использовать определения активности и других характеристик радиационной обстановки.

ОСНОВНЫЕ ФОРМУЛЫ

Варианты индивидуальных заданий

Вариант 1

1. В результате α-распада ядра 92238U образуется ядро с другим зарядо-

вым и массовым числом. Период полураспада 4,47∙109 лет. Запишите уравнение реакции, определите массовое и зарядовое число дочернего ядра. Определите, через какое время распадется 0,25 атомов от начального.

2. В результате β– - распада ядра 91234 Pa образуется ядро с некоторым

зарядовым и массовым числом. Период полураспада 1,18 мин. Запишите уравнение реакции, определите число электронов, образовавшихся из 3 мо-

лей 91234 Pa через 1 мин. Определите активность радиоактивного вещества.

3. Некоторое ядро X претерпело β+ , α и β– - распад. Определите, как и на сколько у дочернего ядра изменилось зарядовое и массовое число, и сколько распадется материнских ядер, через время, равное 0,5T1/2 . Сколько

8

электронов и позитронов образуется из 1 моля исходного вещества за это время?

4. Некоторое ядро X претерпело 3 β+ и 4α - распадов. Определите, как и на сколько у дочернего ядра изменилось зарядовое и массовое число, и сколько останется материнских ядер, через время равное 0,2T1/2.

Вариант 2

1. В результате α-распада ядра 92234U образуется ядро с неизвестным

зарядовым и массовым числом. Период полураспада 2,45∙105 лет. Запишите уравнение реакции, определите массовое и зарядовое число дочернего ядра. Определите, через какое время распадется 0,4 атомов от начального.

2. В результате β– - распада ядра протактиния 91234 Pa образуется ядро с некоторым зарядовым и массовым числом. Период полураспада 1,18 мин. Определите число электронов, образовавшихся из 5 молей 91234 Pa , если на те-

кущий момент осталось 0,75 атомов от начального. Определите активность радиоактивного вещества.

3.Некоторое ядро X претерпело 3 β+ - распада. Определите, на сколько меньше зарядовое и массовое число у дочернего ядра, и сколько останется материнских ядер через время, равное 0,3T1/2.

4.Некоторое ядро X претерпело β+ и β– - распад. Определите, как и на сколько у дочернего ядра изменилось зарядовое и массовое число, и сколько распадется материнских ядер через время, равное 0,8T1/2.

Вариант 3

1. В результате α-распада ядра 92238U образуется ядро с другим зарядо-

вым и массовым числом. Период полураспада 4,47∙109 лет. Запишите уравнение реакции, определите массовое и зарядовое число дочернего ядра. Определите, через какое время распадется 0,25 атомов от начального.

2. В результате β– - распада ядра урана 90234U образуется ядро с некото-

рым зарядовым и массовым числом. Период полураспада 24,1 суток. Запишите уравнение реакции, определите число электронов, образовавшихся из 2 молей материнских ядер за 10 суток. Определите активность радиоактивного вещества.

3. В результате α-распада и двух β– - распадов ядра 92238U образуется ядро с другим зарядовым и массовым числом. Определите, сколько останется ядер 92238U через время, равное трети периода полураспада, и сколько элек-

тронов и α-частиц образуется из 1 кг урана.

4. Некоторое ядро X претерпело β+ и β– - распад. Определите, как и на сколько у дочернего ядра изменилось зарядовое и массовое число, и сколько распадется материнских ядер через время, равное 0,8T1/2.

9

Вариант 4

1. В результате α-распада ядра 90230Th образуется ядро с некоторым за-

рядовым и массовым числом. Период полураспада тория 8∙104 лет. Запишите уравнение реакции, определите массовое и зарядовое число дочернего ядра. Определите через какое время останется 0,25 атомов от начального.

2. В результате β– - распада ядра астата 85218 At образуется ядро с некото-

рым зарядовым и массовым числом. Период полураспада 2 с. Запишите уравнение реакции, определите число электронов, образовавшихся из 3 молей материнских ядер за секунду. Определите активность радиоактивного вещества.

3. В результате 3-х α-распадов ядра 92234U образуется ядро с некоторыми зарядовым и массовым числом. Определите, сколько останется ядер 92234U

через время, равное четверти периода полураспада, и сколько электронов и α- частиц образуется из 1 моля исходного вещества за это время.

4. Некоторое ядро X претерпело β+ , α и β– - распад. Определите как и на сколько у дочернего ядра изменилось зарядовое и массовое число, и сколько распадется материнских ядер через время, равное 0,5T1/2.

Вариант 5

1. В результате α-распада ядра 92238U образуется ядро с другим зарядо-

вым и массовым числом. Период полураспада 4,47∙109 лет. Запишите уравнение реакции, определите массовое и зарядовое число дочернего ядра. Определите время распада 0,25 атомов от начального.

2. В результате β– - распада ядра висмута 83214 Bi образуется ядро с неко-

торым зарядовым и массовым числом. Период полураспада висмута 19,7 мин. Запишите уравнение реакции, определите массовое и зарядовое число дочернего ядра. Определите, через какое время распадется 0,75 атомов от начального, число электронов, образовавшихся за это время из 2 молей материнских ядер. Определите активность радиоактивного вещества.

3. В результате α-распада и двух β– - распадов ядра 84218 Po образуется ядро с некоторым зарядовым и массовым числом. Определите, сколько останется ядер 84218 Po через время, равное двум пятым периода полураспада, и

сколько электронов и α-частиц образуется из 100 г исходного вещества.

4. Некоторое ядро X претерпело 3 β+ и 4α - распадов. Определите, как и на сколько у дочернего ядра изменилось зарядовое и массовое число, и сколько останется материнских ядер через время, равное 0,4T1/2.

Вариант 6

1. В результате α-распада ядра висмута 83214 Bi образуется ядро с некоторым зарядовым и массовым числом. Период полураспада 19,7 мин. Запи-

10

шите уравнение реакции, определите массовое и зарядовое число дочернего ядра. Определите, через какое время распадется 0,4 атомов от начального.

2. В результате β– - распада ядра 83210 Bi образуется ядро с некоторым

зарядовым и массовым числом. Период полураспада 5,01 дней. Запишите уравнение реакции, определите массовое и зарядовое число дочернего ядра. Определите, через какое время распадется 0,75 атомов от начального и число электронов, образовавшихся за это время из 2 молей материнских ядер. Определите активность радиоактивного вещества.

3. В результате 5-ти α-распадов ядра 92234U образуется ядро с некоторыми зарядовым и массовым числом. Определите, сколько останется ядер 92234U через время, равное трем четвертям периода полураспада, и число ядер

гелия, образовавшихся из 5 г исходного вещества.

4. Некоторое ядро X претерпело β+ и β– - распад. Определите, как и на сколько у дочернего ядра изменилось зарядовое и массовое число, и сколько распадется материнских ядер через время, равное 0,75T1/2.

Вариант 7

1. В результате α-распада ядра астата 85218 At образуется ядро висмута с

некоторым зарядовым и массовым числом. Период полураспада 2 с. Запишите уравнение реакции, определите массовое и зарядовое число дочернего ядра. Определите, через какое время распадется 0,25 атомов от начального.

2. В результате β– - распада ядра полония 91234 Po образуется ядро с не-

которым зарядовым и массовым числом. Период полураспада 1,18 мин. Запишите уравнение реакции, определите массовое и зарядовое число дочернего ядра. Определите, через какое время распадется 0,75 атомов от начального, и число электронов, образовавшихся из 20 г исходного вещества за это время. Определите активность радиоактивного вещества.

3. В результате трех β– - распадов ядра астата 85218 At образуется ядро полония (Po) с некоторым зарядовым и массовым числом. Определите, сколько останется ядер 85218 At через время, равное двум пятым периода полу-

распада, и сколько электронов образуется за это время из 3 г вещества.

4. Некоторое ядро X претерпело β+ , α и β– - распад. Определите, как и на сколько у дочернего ядра изменилось зарядовое и массовое число, и сколько распадется материнских ядер через время, равное 0,5T1/2.