半导体探测器的辐射损伤及其优化

1.半导体的辐射损伤

辐射与电子相互作用，同时也与晶格原子核相互作用。同电子作用是辐射探测的瞬时效应，同核的作用可以导致材料的永久性变化，常常可以引起探测器损伤。

各种辐射对半导体造成损伤的机制主要是位移效应、电离效应、表面效应。

位移效应是指辐射与晶体原子相互作用时，使原子获得足够能量后离开晶格原来的位置。多数半导体材料晶格原子的位移阈值为10～25eV，能量高的辐射粒子与晶格原子作用可以使原子位移，形成缺陷。这些缺陷如同复合中心，使基区少数载流子寿命减小，降低晶体管的电流增益。

不同类型辐射产生位移效应的微观过程不同，对电离辐射主要是通过库仑散射把能量交给原子，造成的位移缺陷是均匀分布的点缺陷。辐射引入的缺陷可与晶体原有的杂质等作用，形成各类形式的缺陷复合体。

电离效应是指电离辐射使半导体内产生过剩的电子-空穴对，使电导率改变，当加上电场时，这些过剩的电子-空穴对分别向正极和负极运动，形成光电流。瞬时光电流对正常工作的电路是一种扰动。

表面效应是指电离辐射在半导体表面的氧化层中产生电离，结果是使氧化层中建立正电荷并引入界面态。在氧化层中，电子的迁移率远大于空穴的迁移率。这样，在外电场的作用下，电子飘向正电极，造成正电荷总是积聚在半导体-氧化层的界面。引入界面态即是形成表面缺陷。

正电荷的建立使半导体表面反型，形成电通道，增大表面复合速度。界面态可与半导体进行电荷交换。正电荷的建立和界面态均能影响电性能，它们均不稳定。由于不同的氧化物中，电荷的输运机理不同，因此造成的损伤程度不同。表面效应过程复杂，目前在理论和实践方面都还存在需要研究的问题。

2.半导体的辐射损伤容限

辐射对电子学系统的影响，一方面取决于辐射的种类、能量、剂量，另一方面也取决于系统采用的元器件的类型、材料、结构和电路设计。

表A-5为部分器件对一些辐射的损伤容限。表A-6是常用电子元器件的辐射损伤容限。表A-7是部分材料对稳定辐射的相对灵敏度。

表A-5 部分器件对一些辐射的损伤容限

（续）

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表A-6 常用电子元器件的辐射损伤容限

表A-6 常用电子元器件的辐射损伤容限

注：太阳能电池按功率退化50%考虑。(www.xing528.com)

表A-7 部分材料对稳定辐射的相对灵敏度

注：太阳能电池按功率退化50%考虑。

表A-7 部分材料对稳定辐射的相对灵敏度

3.环境（空间）辐射

核爆炸会造成最恶劣的核辐射环境。核爆炸时的中子注量阈值约为10¹³/cm²，可造成半导体器件永久损伤。γ射线对半导体器件的瞬态影响严重，它可导致系统工作状态被严重干扰，存储器中的信号会被抹掉，瞬态破坏的阈值约为10⁵Gy/s。此外，γ射线还可在周围介质中激发很强的电磁场，它也对电子元器件产生瞬时或永久损伤。

外层空间辐射主要来自宇宙射线、太阳耀斑辐射、围绕地球的范·艾伦辐射带等。

范·艾伦辐射带位于赤道上空，它主要为高能质子（30～100MeV）和高能电子（0.4～1MeV），辐射剂量率分别可达到数十Gy/h和1Gy/h。

太阳耀斑辐射主要为高能质子（约30MeV），喷射时间可持续数百分钟至数天。

宇宙射线是高能粒子，具有极大的贯穿能力。地球卫星的电子系统，一年接受的累积剂量可达到100Gy以上。

3.环境（空间）辐射

核爆炸会造成最恶劣的核辐射环境。核爆炸时的中子注量阈值约为10¹³/cm²，可造成半导体器件永久损伤。γ射线对半导体器件的瞬态影响严重，它可导致系统工作状态被严重干扰，存储器中的信号会被抹掉，瞬态破坏的阈值约为10⁵Gy/s。此外，γ射线还可在周围介质中激发很强的电磁场，它也对电子元器件产生瞬时或永久损伤。

外层空间辐射主要来自宇宙射线、太阳耀斑辐射、围绕地球的范·艾伦辐射带等。

范·艾伦辐射带位于赤道上空，它主要为高能质子（30～100MeV）和高能电子（0.4～1MeV），辐射剂量率分别可达到数十Gy/h和1Gy/h。

太阳耀斑辐射主要为高能质子（约30MeV），喷射时间可持续数百分钟至数天。

宇宙射线是高能粒子，具有极大的贯穿能力。地球卫星的电子系统，一年接受的累积剂量可达到100Gy以上。