3676
.pdfМинистерство 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
Предисловие .................................................................................................................................. |
5 |
|
Темы практических занятий. ........................................................................................................ |
6 |
|
Тема 1. |
Введение. Радиационная среда и её основные характеристики. ................................. |
7 |
Тема 2. |
Взаимодействие радиации и ионизирующих излучений с материалами |
|
электронной техники................................................................................................................... |
11 |
|
Тема 3. Формирование дозовых радиационных эффектов в полупроводниках и |
|
|
диэлектриках ................................................................................................................................ |
13 |
|
Коллоквиум по разделам 1-3 ...................................................................................................... |
15 |
Тема 4. Радиационные эффекты в дискретных полупроводниковых приборах и элементах
интегральных схем ...................................................................................................................... |
16 |
Тема 5. Радиационные эффекты в интегральных схемах. ....................................................... |
16 |
Тема 6. Одиночные радиационные эффекты в условиях воздействия отдельных |
|
заряженных частиц ...................................................................................................................... |
17 |
Коллоквиум по разделам 4-6 ...................................................................................................... |
17 |
Темы рефератов ........................................................................................................................... |
18 |
Список вопросов на зачет ........................................................................................................... |
19 |
Библиографический список........................................................................................................ |
21 |
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
Законы сохранения в |
В ядерных реакциях до и после превращения остается не- |
||||||||||||
изменным суммарное зарядовое и массовое число, число |
|||||||||||||
ядерных реакциях |
|||||||||||||
банрионов и лептонов |
|||||||||||||
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N – число атомов, нераспавшихся к |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
моменту времени t; |
|
Закон радиоактивного |
N N |
|
|
|
e t |
N0 – число нераспавшихся атомов в |
|||||||
распада |
0 |
начальный момент времени (t = 0); |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
– постоянная радиоактивного рас- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
пада. |
|
Период полураспада |
T |
|
|
|
|
ln 2 |
|
– постоянная радиоактивного рас- |
|||||
|
|
|
|
|
|||||||||
1 |
2 |
|
|
пада. |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
При радиоактивном рав- |
|
N A |
|
B |
В – постоянная радиоактивного рас- |
||||||||
|
пада; А – постоянная радиоактивно- |
||||||||||||
|
|
|
A |
||||||||||
новесии изотопов А и В |
|
N B |
|
|
|
|
|
го распада. |
|||||
Активность радиоак- |
A |
dN |
N |
Число атомов в одном моле (число |
|||||||||
тивного вещества |
dt |
|
Авогадро) 6,0210 +23 моль-1 |
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.