第1章绪论
1.1引言
随着核能技术和空间技术的发展，越来越多的电子仪器设备不可避免地工作于辐射环境中。这些辐射环境概括起来可分为空间辐射环境和人为辐射环境。空间辐射环境主要来自宇宙射线、太阳耀斑和地球辐射带等，主要成分有高能质子、高能电子、X射线、高能离子等。核电站、核反应堆、加速器、核爆炸等产生的辐射环境为人为辐射环境，辐射成分主要包括X射线、射线、中子等。辐射作用于电子设备，使其发生辐射损伤。不同辐射成分对电子设备的损伤机制和损伤程度不同，如高能离子在电路灵敏体积内沉积能量，引起电路的单粒子效应；高能质子、高能电子会引起半导体器件和电路的累积辐射损伤，还可引起器件的位移损伤。瞬时辐射环境引起仪器设备的瞬时辐射效应，脉冲射线引起瞬时电离辐射效应，脉冲中子引起位移效应。工作于辐射环境下的电子仪器设备，如果不经过加固，可能会因辐射损伤而发生故障，严重的甚至会失效[1]。
本章介绍电子仪器设备可能遭遇的核爆炸辐射环境及其对仪器设备的威胁，包括核爆炸辐射环境及其效应、瞬时电离辐射效应；还介绍本书的基本结构及各章主要内容。
1.2核爆炸辐射环境及其效应
核爆炸辐射成分主要为中子、.射线及X射线，这些辐射成分与空气、武器碎片和系统包裹物等作用可产生次级辐射及电磁脉冲(electromagnetic pulse，EMP)。
核爆炸释放的大部分能量以X射线的形式发射，小部分能量以中子、瞬发.射线的形式发射。核爆炸瞬发辐射后，会剩余热的、放射性的裂变碎片，这些裂变碎片会以紫外光和可见光的形式释放热能，之后裂变碎片会发射低强度的射线和高能电子。在高空核爆炸中，高能电子在地磁场的作用下注入轨道。
如果核爆炸发生在大气层或接近大气层的地方，瞬发辐射会与空气作用，产生次级效应。X射线被空气吸收，空气被加热，产生热辐射和冲击波；中子与空气作用产生次级.射线；.射线与空气作用产生次级电子，这些次级电子又与空气作用产生更多的电子，结果是负电子从爆心发射出来，留下重离子。如果核爆炸发生在密度不变的同质空气中，会形成两个电荷层：内层为正离子层，外层为负电子层，这样会导致局部强电场产生，电场方向从爆心向外，这样就不会有EMP发射出来了。实际上，因为地磁场、地球表面及非同质空气的影响，核爆炸会产生源区EMP。
1.2.1核爆炸射线及其效应
核爆炸射线的强度较X射线低得多，但它的穿透力强，即使在离核爆炸地点较远的地方仍能对设备造成大的损伤。
根据发射时间，射线可分为以下三类[2]。
(1)瞬发
射线：从起爆开始到弹体飞散为止，在1～10.5s时间跨度内释放的.射线。它包括裂变.射线、少量短寿命裂变碎片.射线、中子与弹体物质相互作用产生的俘获.射线和非弹性散射.射线等。这部分.射线的特点是在爆炸的瞬间就释放出来了，在泄漏出弹体之前与弹体物质发生多次相互作用，其中有很大一部分被吸收。泄漏出弹体外的瞬发.射线的强度、能谱、时间谱与核弹的材料及结构密切相关。
(2)缓发
r射线：爆后10.5s开始释放出来的r射线为缓发r射线，主要有裂变产物r射线、俘获r射线、非弹性散射r射线等。
(3)剩余
r射线和同质异能态r射线：包括裂变产物r射线和感生的放射性r射线。
r射线能量较高，一般可穿过设备壳体辐射至电子系统，对电子系统造成损伤。r射线与半导体器件的作用，导致材料电离，产生载流子，载流子输运至外电极，产生光电流，引起电路的瞬时辐射损伤，即发生瞬时电离辐射效应；载流子也可能被陷阱捕获，影响器件的电性能，即发生总剂量效应。
1).射线瞬时电离辐射效应
核爆炸.射线与半导体材料相互作用，感生大量电子空穴对，在器件内产生很强的瞬时光电流，造成电路瞬时扰动、翻转、闩锁，甚至烧毁，除烧毁外，其他效应都是瞬时效应。在辐射脉冲过后，或重新加电后，只要器件接受的累积剂量不超过永久损伤阈值，器件功能及参数都可恢复，器件的性能不会发生退化。瞬时电离辐射效应亦称为瞬时剂量率效应。
2)r射线总剂量效应核爆炸r射线与金属氧化物半导体(metal-oxide-semiconductor，MOS)中的二氧化硅绝缘层相互作用，感生电子空穴对，在外加电场的作用下，电子会很快被拉出氧化层，在输运过程中，部分电子与空穴复合，没有被复合的空穴以相对较慢的速度向SiO2/Si界面输运，在界面处被陷阱捕获，产生氧化物陷阱电荷及界面态，影响器件的电性能，从而影响电路及系统的性能。
1.2.2核爆炸X射线及其效应
高空核爆炸能量的70%～85%是以X射线的形式释放的，X射线的能量为100eV～100keV[2]。在近地轨道，X射线可被空气吸收，放出可见光或者近红外光，但在空气稀薄的轨道，X射线几乎是毫无衰减地传输。X射线可对空间飞行器的壳体或导弹壳体造成严重损伤。对于电子系统来说，如果没有一定的屏蔽，X射线也会对其造成比较大的辐射损伤。在近地面核爆炸中，X射线几乎被空气吸收，产生强冲击波，作用于设备。
1)X射线的热力学效应
X射线的热力学效应主要发生于设备壳体，包括壳体的材料响应和结构响应。当X射线辐照壳体后，能量沉积在受照面极薄的一层材料中，一是产生向内传播的热击波，当热击波足够强时，将造成壳体表面的层裂破坏；二是壳体材料液化、汽化后向外喷发，产生作用于壳体的冲量，当冲量足够强时，不仅会使壳体永久变形，还会使壳体屈曲而解体。
2)X射线的电离辐射效应
高能X射线可穿透武器壳体，入射至电子系统，使电子系统中的半导体器件和电路的材料发生电离效应，感生光电流，发生电路扰动或闩锁等瞬时电离效应，进而导致武器装备电子系统出现逻辑错误、干扰乃至烧毁。涉及的效应有剂量率效应和总剂量效应。
1.2.3核爆炸中子辐射环境及其效应
核爆炸中子分为瞬发中子和缓发中子。核爆炸时伴随裂变反应或聚变反应释放出来的中子为瞬发中子，核爆炸产生的裂变产物释放的中子为缓发中子。一般情况下，瞬发中子强度比缓发中子强度大两个量级以上，对于瞬时电离辐射效应，缓发中子的影响可忽略。
核爆炸中子可穿透武器壳体，入射到导弹和飞行器内部，作用于电子系统，使其性能发生变化。核爆炸中子辐射效应主要包括中子位移效应和中子单粒子效应。
1)中子位移效应中子入射半导体材料，与材料原子发生碰撞，导致材料原子偏离正常晶格位置成为间隙原子，并留下一个空位，即形成缺陷。位移缺陷破坏了晶格结构及周期势场，在晶体禁带中引入一个或多个稳定的电子能级，引起材料及器件的电性能发生变化，进而影响系统的功能。
2)中子单粒子效应
单个中子与半导体材料中的原子发生核反应，产生带电粒子，带电粒子在器件灵敏区发生电离，感生大量电荷，当感生电荷超过器件的临界电荷时，电路的状态就会发生改变，发生单粒子效应。
中子单粒子效应存在中子能量阈值，即高于一定能量的中子才可使半导体器件发生单粒子效应。对于特征尺寸较大的器件/电路，核爆炸中子单粒子效应引起的损伤相比于中子位移损伤可不考虑。目前，电子系统采用了大量先进的、特征尺寸小的器件及电路，发生单粒子效应的中子能量阈值大幅降低，致使核爆炸中子单粒子效应成为造成武器系统中子损伤的重要因素之一。
1.3瞬时电离辐射效应
核爆炸射线与半导体材料相互作用会产生密度很高的过剩载流子，这些过剩载流子在漂移、扩散过程中，有部分会复合，逃逸复合的载流子到达电极，形成辐射感生光电流，光电流会影响电路的特性和功能，如使数字电路的逻辑电平翻转、运算放大器饱和、集成电路闩锁甚至烧毁。
1.3.1过剩载流子的产生、复合及输运
1.辐射感生载流子
电离辐射在材料中沉积能量，产生过剩载流子，使器件处于非平衡状态。在非平衡状态下，半导体载流子浓度通过电子和空穴的复合而趋于平衡状态。在讨论半导体器件瞬时电离辐射效应时，需要考虑两种情况：高水平注入和低水平注入，因为注入水平的不同会影响载流子的复合机制。低水平注入感生的载流子浓度相对其平衡时的多数载流子(简称多子)浓度来说变化较小，即辐射感生的载流子浓度小于平衡时的多子浓度；高水平注入指的是辐射感生的载流子浓度大于或相当于平衡时的多子浓度。
2.过剩载流子的复合
在非平衡状态下，半导体载流子浓度通过多子和少数载流子(简称少子)的复合而趋于平衡状态，这些辐射感生的载流子的数量和寿命将决定复合率的大小。
对于N型硅，少数载流子为空穴，空穴密度的变化率为
(1.1)
式中，为辐射感生的空穴密度；为辐射引起的载流子产生率；为载流子热产生率；R为载流子复合率。
定义为净复合率，则式(1.1)变为
(1.2)
载流子复合模型有三种：SRH(Shockley-Read-Hall)复合、俄歇复合和直接复合[3]。在低水平注入(低剂量率辐照)的硅中，SRH复合作用占主导地位；在高水平注入(高剂量率辐照)的硅中，复合以俄歇复合过程为主；在更高水平注入的硅中，价带空穴和导带电子的直接复合过程开始发挥作用。
3.过剩载流子的输运
过剩载流子通过漂移和扩散进行输运。过剩载流子在电场的作用下发生漂移。过剩载流子因为不同位置处的密度不同发生扩散，从高密度处向低密度处扩散。对于瞬时电离辐射来说，过剩载流子的输运在器件灵敏区感生光电流，影响器件的性能。
1.3.2辐射感生光电流的产生
半导体器件或电路的瞬时电离辐射效应主要为光电流的产生及其引起的一系列错误。图1.1为典型PN结结构。P区的空穴扩散至N区，N区的多数载流子电子扩散至P区，扩散过程持续至内建电场足以阻止载流子的扩散，这时载流子处于一种平衡状态，耗尽区形成，耗尽区的电场方向从N区指向P区。
在零偏压的情况下，PN结受到瞬时.射线辐照时，在耗尽区产生的载流子在内建电场的作用下向两极漂移，在外回路形成微弱光电流。对于正向偏置的PN结，如果所加的电压不足以抵消内建电场，PN结内建电场仍然存在，但电场强度变小，在瞬态辐射下，PN结产生的光电流方向从N区指向P区，与正向偏置下PN结的电流方向相反，所以正向偏置下PN结辐射感生光电流导致正向导通电流降低[4]。
当PN结反向偏置时，外加电场与内建电场方向一致，使耗尽区变宽，有利于少数载流子的运动。当PN结受到瞬态.射线辐照时，耗尽区产生的载流子在电场的作用下，很快向两极漂移，形成瞬时光电流，电流方向从N区指向P区，当，瞬时光电流与剂量率的关系如下：
(1.3)
当，瞬时光电流与剂量率的关系如下：(1.4)式(1.3)和式(1.4)中，为辐射感生的瞬时光电流密度，单位；为电荷电量，单位；为载流子产生率，单位电子空穴对；为耗尽区宽度，单位；为辐射剂量率，单位；.为迁移率，单位；为时间，单位；为电场强度，单位。
在耗尽区外产生的电子空穴对，可以通过扩散到达耗尽区被收集，形成光电流的扩散成分，电流方向从N区指向P区。耗尽区外一个扩散长度内产生的载流子都可以被收集，产生光电流，一个扩散长度外的载流子对光电流的贡献很小。由电子和空穴扩散感生的光电流Jn和Jp分别为
(1.5)
(1.6)
式中，分别为电子、空穴的迁移率，单位；分别为电子、空穴的扩散p系数，单位m2/s；n、p分别为电子、空穴的密度，单位；分别为耗尽区两侧准中性区内由于载流子流动产生的电场强度，单位。在中不仅有扩散光电流成分，也存在部分漂移光电流成分，因为在耗尽区两侧的准中性区存在载流子的流动，产生一定的电场，在电场作用下，会有载流子发生漂移，产生光电流。对于反向偏置PN结，辐射感生的光电流分为三部分，即。
1.3.3晶体管的瞬时电离辐射效应
1.二极管的初始光电流
二极管辐射感生光电流中的瞬态成分，由耗尽区载流子漂移形成，其电荷收集速度很快，
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