辐射电离效应

电子材料中的中性原子或分子受到辐射而电离，致使电学性能发生变化的现象，或电离效应。

辐射电离效应

简介

具有一定能量的辐射，由于光电效应、康普顿效应、正负电子对效应或辐射粒子的碰撞，都可以把中性原子或分子上的电子激发或碰撞出来成为自由电子。失去电子的原子或分子成为荷正电荷的离子，就产生了电子-空穴对；自由电子能量足够时，会碰撞材料中其他中性原子或分子而产生新的电子-空穴对。一般荷电粒子穿过各种物质，只要损失大于30电子伏的能量，就能产生一对电子－空穴对。这些过剩的电子－空穴对是造成电离损伤的主要来源^[1]。

影响

电离效应对于金属的影响不大，因为金属导带中的电子和空穴的能态本来就很多，电离后增加的数目不足以影响其电学性能的变化。对于半导体和绝缘体，电子从价带跃迁到导带，其电学性能、化学性能和物理机械性能都会受到影响。

小剂量的稳态辐照产生累积电离损伤效应，大剂量率的脉冲辐照产生瞬时效应。绝缘或充填材料除了累积电离损伤效应外，也产生瞬时电离损伤效应，即感生电导率的变化，在核爆炸条件下这种效应十分重要。一般有机绝缘材料在电离辐射条件下会裂解变色、发脆、机械强度和绝缘性能下降。电离效应对于半导体器件的影响，主要是形成瞬时光电流和表面效应。

类型

半导体

半导体器件在电路中辐照生成的电子-空穴对，在偏压和浓度梯度的作用下运动，穿过界面形成光电流，穿过一个PN结的电流称为初始光电流，穿过双结的电流称为二次光电流。光电流的大小与辐照类型、剂量率有关，也与器件的物理特性、外部电压和阻抗有关。一般晶体管在辐照剂量率约为107拉德/秒，脉冲宽度约为100纳秒的条件下，会产生显著的光电流（毫安级）。这种附加的光电流会影响电路的正常工作，严重的可以击穿或烧毁器件，在微电路中出现闭锁，造成间接永久损伤效应。

表面效应

表面效应是指电离辐射在半导体器件表面的氧化层中产生电离的影响。辐射在氧化层中产生的电子－空穴对，在偏压的作用下，电子比空穴的漂移速度大，电子越过界面流入半导体（负偏压）或金属(正偏压)中，留下的空穴在氧化层中建立起正电荷。另外，电离辐射在半导体和氧化层界面附近产生复合中心和陷阱中心。陷中心叫做界面态，能与半导体的导带或价带迅速交换电荷，所以也叫电荷转移效应。实验表明，界面态分布在界面到氧化层中50埃的范围内。陷阱中心俘获电子或发射电子所需时间与陷阱距界面的距离成指数关系。辐照后，电导恢复时间很长，所以这种损伤变化又叫做半永久效应。正电荷和界面态改变了半导体表面特性，使电位发生变化。近表面处反型，构成导电的沟道，影响表面复合速度，使双极晶体管的增益下降，反向漏电流增大，结电容增大，使金属-氧化物-半导体器件的C-V特性和转移特性漂移。此外，电离辐射还会引起化学效应，电离对电子材料能起催化剂的作用，改变材料的分子结构，引起化学变化，影响电子材料的电学性能。

参考资料

[1] 激发碰撞什么意思[引用日期2019-07-09]