3806

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.С. Камалова, Н.Ю. Евсикова, Н.Н. Матвеев

Радиационные эффекты в полупроводниковых структурах

Методические указания для самостоятельной работы студентов

по всем специальностям

ВОРОНЕЖ 2018

3

УДК 620.3 (063) Ф50

Панюшкин Н.Н. Радиационные эффекты в полупроводниковых структурах [Электронный ресурс]: методические указания для самостоятельной работы студентов по всем специальностям / Н.С. Камалова, Н. Ю. Евсикова, Н. Н. Матвеев ; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж, 2018. – 19 с. – ЭБС ВГЛТУ.

В методических указаниях приводятся содержание разделов изучаемой дисциплины, учебно-методические рекомендации по организации самостоятельной работы студентов по всем видам работ, предусмотренных учебными планами направлений, образцы оформления решения задач и отчета по результатам экспериментальных исследований.

Методические указания предназначены для студентов всех специальностей. Они могут быть использованы при самоподготовке студентами всех направлений подготовки и форм обучения, а также при дистанционном обучении.

Табл. 7. Ил. 4. Библиогр.: 6 наим.

Печатается по решению учебно-методического совета ФГБОУ ВО «ВГЛТУ».

Рецензент: заведующий кафедрой цифровых технологий факультета компьютерных наук ВГУ, доктор физико-математических наук, профессор Кургалин С.Д.

Ответственный редактор Панюшкин Н.Н.

Коллектив авторов, 2018

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

4

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

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. Одной из форм обучения студента является самостоятельная работа над учебным материалом, которая состоит из следующих этапов:

1)проработка лекций;

2)оформление отчетов по результатам экспериментальных исследова-

ний;

3)выполнение индивидуальных и расчетных заданий;

4)самостоятельная подготовка сообщений и докладов на студенческую конференцию;

5)подготовка к коллоквиумам и зачету.

Основная цель данных методических указаний – помочь студентам организовать и проконтролировать самостоятельное углубленное изучение этой дисциплины для формирования профессиональных навыков самостоятельной деятельности по разработке, внедрению, контролю, оценке и корректировке применения новейших современных, в том числе и инновационных, технологий.

Методические указания предназначены для студентов всех специальностей. Они могут быть использованы при самоподготовке студентами всех направлений подготовки и форм обучения, а также при дистанционном обучении.

6

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ

Целью изучения дисциплины «Радиационные эффекты в полупроводниковых структурах» является получение студентами фундаменталь-ных физических знаний в области будущей профессиональной деятель-ности и формирование научного мировоззрения. В основу курса положен принцип экспериментального и теоретического моделирования физических процессов, лежащих в основе современных технологий.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

•изучение законов природы в их взаимосвязи;

•овладение фундаментальными принципами и методами решения на- уч-но-технических задач;

•формирование навыков 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;

•освоение основных физических теорий, позволяющих описать радиационные эффекты в полупроводниковых структурах и в среде, и определение пределов применимости этих теорий для решения современных и перспективных профессиональных задач;

•ознакомление студентов с историей и логикой развития физики радиационных воздействий и основных её открытий.

В результате освоения дисциплины бакалавр должен:

знать:

основные физические явления и основные законы физики; границы их применимости, применение законов в важнейших практических приложениях;

основные физические величины и физические константы, их определение, смысл, способы и единицы их измерения;

фундаментальные физические опыты и их роль в развитии науки;

назначение и принципы действия важнейших физических приборов;

уметь:

объяснить основные наблюдаемые природные и техногенные явления и эффекты с позиций фундаментальных физических взаимодействий;

указать, какие законы описывают данное явление или эффект;

истолковывать смысл физических величин и понятий;

записывать соотношения для физических величин в системе СИ;

работать с приборами и оборудованием современной физической лаборатории;

7

использовать различные методики физических измерений и обработки экспериментальных данных;

использовать методы адекватного физического и математического моделирования, а также применять методы физико-математического анализа

крешению конкретных естественнонаучных и технических проблем;

владеть:

навыками использования основных общефизических законов и принципов в важнейших практических приложениях;

навыками применения основных методов физико-математического анализа для решения естественнонаучных задач;

навыками использования методов физического моделирования в инженерной практике.

СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛОВ ДИСЦИПЛИНЫ

4.2 Содержание разделов дисциплины

Раздел 1. Введение 1

Радиационные излучения. Закон радиационного распада. Виды радиационных излучений. Активность. Радиационная среда и её основные характеристики. Ионизирующее излучение ядерного взрыва. Электромагнитный импульс ядерного взрыва. Ионизирующие излучения ядерных установок. Ионизирующие излучения космического пространства. Характеристики ионизирующего излучения. Параметры, характеризующие взаимодействие ионизирующего излучения с веществом. Дозиметрия ионизирующего излучения.

Раздел 2

Поглощение радиации материалами. Пробег альфа-частиц. Пробег бетачастиц. Закон Буггера-Ламберта при поглощении гамма-излучения. Особенности оценки радиационной обстановки. Взаимодействие ионизирующих излучений с материалами электронной техники. Параметры и виды энерговыделения. Эффекты смещения. Теория дефектообразования. Смещение атомов под действием нейтронов. Смещение атомов под действием заряженных частиц. Смещение атомов при воздействии гамма-квантов. Ионизационные эффекты в объёме полупроводника под действием нейтронов и заряженных частиц.

Ионизация под действием гамма-квантов. Усиление дозы. Ядерные реакции, сопровождающие воздействие ионизирующих излучений. Радиационные термостабильные центры в полупроводниках. Влияние ионизирующих из-

8

лучений на параметры полупроводника - время жизни, подвижность, удельное электрическое сопротивление.

Раздел 3

Основные дозиметрические величины. Доза облучения. Эффективная доза. Формирование дозовых радиационных эффектов в полупроводниках и диэлектриках. Структура SiO2. Виды дефектов в SiO2, ответственные за накопление заряда. Поверхностные состояния. Накопление заряда на границе Si/ SiO2. Экспериментальные методы исследования радиационноиндуцированного заряда в SiO2 и плотности поверхностных состояний – метод вольт – фарадных характеристик; метод подпороговых вольт-амперных характеристик; метод надпорговых вольт - амперных характеристик; метод накачки заряда. Механизмы формирования радиационно-индуцированного заряда в структуре Si/SiO2. Модель процесса генерации радиационноиндуцированного заряда. Первичный выход заряда. Транспорт дырок через SiO2. Генерация и релаксация заряда в объёме SiO2. Механизмы накопления поверхностных состояний. Латентное накопление поверхностных состояний. Температурная релаксация поверхностных состояний. Граничные ловушки.

Раздел 4

Радиационные эффекты в дискретных полупроводниковых приборах и элементах интегральных схем. Долговременные радиационные эффекты в диодах. Долговременная деградация параметров биполярных транзисторов. Температурный отжиг долговременных радиационных эффектов. Переходный ионизационный ток p-n-перехода. Изменение параметров полупроводника в неравновесном состоянии. Фундаментальная система уравнений. Модель Вирса-Роджерса. Модифицированные схемотехнические модели элементов интегральных схем. Вторичные переходные радиационные эффекты: вторичный фототок, тиристорный эффект.

Раздел 5

Радиационные эффекты в интегральных схемах. Особенности радиационных эффектов в интегральных схемах. Долговременные радиационные эффекты в биполярных интегральных схемах. Переходные радиационные эф-фекты в биполярных интегральных схемах. Долговременные радиационные эффекты в униполярных интегральных схемах. Переходные радиационные эффекты в униполярных интегральных схемах. Показатели радиационной стойкости интегральных схем различного технологического исполнения. Радиационные эффекты в аналоговых интегральных схемах. Особенность радиационных

9

эффектов в БИС. Воздействие низкоинтенсивного ионизирующего излучения.

Раздел 6

Одиночные радиационные эффекты в условиях воздействия отдельных заряженных частиц. Классификация и краткое описание одиночных событий. Параметры, характеризующие одиночные события. Параметры – критерии чувствительности полупроводниковых приборов и микросхем к одиночным событиям. Физика одиночных событий. Генерация носителей заряда. Рекомбинация неравновесных носителей заряда. Процесс переноса неравновесных носителей. Сбор генерированного заряда.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПО ОРГАНИЗАЦИИ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ

Методические указания студентам по организации самостоятельной работы в соответствии с рабочей программой дисциплины включают в себя:

методические рекомендации по работе над конспектом лекций;

методические рекомендации по подготовке к практическим занятиям;

методические рекомендации по выполнению индивидуальных заданий;

методические рекомендации по подготовке к экспериментальным исследованиям;

методические рекомендации по изучению рекомендованной литературы;

методические рекомендации по подготовке рефератов;

методические рекомендации по подготовке к зачету.

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАБОТЕ НАД КОНСПЕКТОМ ЛЕКЦИЙ

В ходе лекционных занятий необходимо вести конспектирование учебного материала. При этом надо обращать внимание на категории, формулировки, раскрывающие содержание тех или иных явлений и процессов, научные выводы и практические рекомендации, выделять важные моменты, усваивать положительный опыт в ораторском искусстве.

Желательно оставить в рабочих конспектах поля, на которых следует делать пометки из рекомендованной литературы, дополняющие материал прослушанной лекции, подчеркивающие особую важность тех или иных теоретических положений, а также отмечать вопросы, вызвавшие затруднение, с целью дальнейшего их разрешения. В ходе лекции рекомендуется задавать

10

преподавателю уточняющие вопросы с целью уяснения теоретических положений, разрешения спорных ситуаций.

Необходимо систематически прорабатывать лекционный материал в течение семестра, для этого надо изучать основную литературу, знакомиться с дополнительной литературой, при этом учитывать рекомендации преподавателя и требования учебной программы. Следует дорабатывать свой конспект лекций, делая в нем соответствующие записи из литературы, рекомендованной преподавателем и предусмотренной учебной программой.

Внимательная работа над лекционным конспектом поможет давать правильные ответы на вопросы текущего контроля, фронтальные опросы в конце лекций.

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ СТУДЕНТАМ ПО ПОДГОТОВКЕ К ПРАКТИЧЕСКИМ ЗАНЯТИЯМ

Важной составной частью изучения дисциплины «Радиационные эффекты в полупроводниковых структурах» являются практические занятия, в ходе которых теоретический материал, изученный на лекциях, закрепляется путем анализа результатов экспериментальных исследований и решения расчетных и качественных задач различного уровня сложности. Подготовка к практическому занятию делится два этапа:

1)организационный;

2)закрепление и углубление теоретических знаний.

На первом этапе студент планирует свою самостоятельную работу, которая включает:

1)уяснение задания на самостоятельную работу;

2)подбор рекомендованной литературы;

3)составление плана работы, в котором определяются основные пункты предстоящей подготовки.

Составление плана дисциплинирует и повышает организованность в работе.

Задача практических занятий по дисциплине «Радиационные эффекты

вполупроводниковых структурах» заключается в:

•овладение фундаментальными принципами и методами решения на- уч-но-технических задач;

•формирование навыков 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;