Ensayo de daños por desplazamiento

DAÑOS POR DESPLAZAMIENTO

El daño por desplazamiento es el resultado de interacciones nucleares, normalmente dispersas, que provocan imperfecciones de estructura cristalina. El daño por desplazamiento repercute negativamente en la vida útil de una minoría de transistores. Un efecto típico sería la degradación de la ganancia y la fuga de corriente en los transistores bipolares.

FIGURE: Principio del daño por desplazamiento

El desplazamiento atómico puede producirse sobre todo balísticamente mediante transferencia de energía cinética. A medida que una partícula con carga pasa a través de la materia, la energía de la partícula se disipa por la alteración de los electrones orbitales y de las colisiones elásticas con los núcleos del material. El daño por desplazamiento se produce a causa del daño no ionizante a largo plazo acumulativo procedente de las radiaciones ionizantes. La colisión entre una partícula entrante y un átomo de estructura cristalina desplaza, en consecuencia, el átomo de su posición de estructura cristalina original. En el espacio, las partículas que producen daño por desplazamiento son los protones de todas las energías, los electrones con energías superiores a 150 keV y los neutrones.

Una colisión elástica puede proyectar un átomo desde su posición de estructura cristalina normal. El átomo expulsado se conoce como “átomo primario expulsado” que, a su vez, puede provocar una cascada de desplazamientos atómicos antes de quedar en reposo eventualmente.

Como se puede ver en la figura anterior, el átomo desplazado se convierte en un intersticial y la posición que anteriormente ocupaba el átomo queda vacía. Algunos átomos desplazados pueden generar desplazamientos secundarios. Por ejemplo, el átomo desplazado puede colisionar con otro y sustituirlo en el material.

Cuando se produce un daño por desplazamiento, la partícula incidente genera imperfecciones al colisionar con un átomo del cristal (átomo en retroceso), lo que provoca daños en las características eléctricas de ciertos dispositivos. El ensayo de daño por desplazamiento consiste en medir derivas de parámetros para diferentes fluencias de protones.

FIGURA: Configuración de daño por desplazamiento.

Las energías que se suelen usar para este ensayo son:

50 – 60 MeV para energía de ensayo de protones
10 MeV para matrices de detectores
1-3 MeV para electrones y 3 – 10 MeV protones para células solares

Lo ideal es examinar los especímenes sometiéndolos a diferentes niveles de energía.

El daño por desplazamiento depende de la pérdida de energía no ionizante (es decir, energía y transferencia de momento a átomos de estructura cristalina), lo que depende de la masa y la energía del cuanto del incidente. No se puede usar una simple medida como para la radiación ionizante, ya que el daño por desplazamiento debe especificarse para una energía y un tipo de partícula específica.

El daño por desplazamiento se manifiesta a sí mismo de tres formas importantes:

Formación de estados de medio hueco, lo que facilita la transición de electrones desde la valencia hasta la banda de conducción. En las regiones con carencias, esto provoca que se genere una corriente; es decir, un aumento de la corriente de los diodos de unión PN con polarización inversa. En las uniones con polarización directa o en las regiones sin carencias, los estados de medio hueco facilitan la recombinación; es decir, la pérdida de carga.
Los estados próximos a los bordes de la banda facilitan la acción de las trampas, donde la carga se captura y se libera transcurrido cierto tiempo.
Un cambio en las características del dopado (densidad del donante o receptor) (1).

_{1) Fuente: Introduction to Radiation-Resistant Semiconductor Devices and Circuits, Helmuth Spieler, Ernest Orlando Lawrence Berkeley National Laboratory}