质子在硅材料中的反冲核反应

如前所述，质子核反应的产物包括反冲核和裂变碎片，在分析质子在半导体硅材料中产生的反冲核分布时，基于内核级联碰撞/核子蒸发的双态核反应模型，采用蒙特卡罗计算方法，获得的质子与半导体材料硅原子的核反应过程反冲核包括了元素周期表中磷元素以前的几乎所有元素，即Li、Be、B、C、N、O、F、Ne、Na、Mg、Al、Si、P。图2-25为基于内核级联碰撞/核子蒸发的双态核反应模型计算的50 MeV能量质子在半导体硅材料中产生的反冲核分布情况，图2-26为基于内核级联碰撞/核子蒸发的双态核反应模型计算的200 MeV能量质子在半导体硅材料中产生的反冲核分布情况，图2-27为基于内核级联碰撞/核子蒸发的双态核反应模型计算的500 MeV能量质子在半导体硅材料中产生的反冲核分布情况。对比图2-25、图2-26及图2-27可以看出，不同能量质子在半导体硅材料中产生的反冲核分布不同，但以产生镁元素核的分布概率最大；随着质子能量增大，产生其他元素核（如碳、氖、钠等）的分布概率也逐渐增大，但能引起产生最大LET值的磷元素反冲核的概率很小。反冲核分布的不同，表明了这些能量粒子在半导体硅材料中的能量损失之不同，即反冲核对质子LET值大小及分布的影响不同，从三个不同质子能量情况的计算结果可知，质子LET值的最大值几乎主要取决于反冲核最大LET值的大小，依据现有质子单粒子效应试验结果和理论分析计算结果，一般认为中等能量（50～500 MeV）范围内的质子在半导体硅材料中产生的LET值小于15.0 MeV·cm2/mg。

图2-25　50 MeV能量质子产生的反冲核分布

图2-26　200 MeV能量质子产生的反冲核分布

图2-27　500 MeV能量质子产生的反冲核分布

通常在做质子单粒子效应试验测试时，质子加速器所提供的常见质子束流能量范围在30～200 MeV。B.Doucin等人采用蒙特卡罗方法（HETC计算代码程序）分别计算了能量为30 100 200 MeV的质子与P型体硅材料相互作用后产生的反冲核的分布情况，并经过了试验测量验证。当质子能量处于30～200 MeV范围内时，质子与P型体硅材料相互作用后产生的反冲核具有如下特点：

第一，具有高原子质量数（A＞25）的二次反冲核的能量都非常低（小于1 MeV），这些高质量数反冲核的射程约为1 μm，所以可以认为其能量都沉积在局部空间范围内，所以就沉积能谱的高能端来说，其贡献很小。(www.xing528.com)

第二，与较重产物相比，虽然中等质量数（12＜A＜24）的二次反冲核产额比较小，但由于这些核反应产物碎片具有的平均初始能量处于2～6 MeV，且射程在几微米以上，其易诱发器件发生单粒子翻转。

第三，质量较轻的核反应碎片（α离子、氚核、氘核）具有较高的初始能量，其数值高达7 MeV以上，但其在电子器件材料中的阻止本领非常低，其数值小于0.5 MeV/μm，而其射程较长，大于40 μm。