Física da interação da radiação com componentes eletrônicos e análise física dos efeitos da radiação Odair Lelis Gonçalez e Octávio Pereira da Silva

(1)

Física da interação da radiação com componentes

eletrônicos e análise física dos efeitos da radiação

Odair Lelis Gonçalez e Octávio Pereira da Silva Filho (IEAv)

Sumário:

1) Introdução: grandezas físicas e fenômenos a considerar

2) Interações da radiação com o meio material

3) Correlação dos efeitos físicos (interação com o material) e

os efeitos nos parâmetros e funcionalidades dos

dispositivos eletrônicos

4) Testes acelerados dos efeitos da radiação com

componentes eletrônicos: instalações e fontes de radiação

5) Experimentos de TID realizados no Laboratório de

Radiação Ionizante do IEAv com fonte de 60Co

6) Testes de SEE com laser

(2)

1. Introdução: grandezas físicas e fenômenos

a considerar

1.1 Radiação e ambientes hostis a pessoas,

equipamentos e materiais

1.2 Considerações quanto à proteção e mitigação dos

efeitos da radiação no projeto de um veículo espacial

1.3 Efeitos ambientais no espaço e a radiação

1.4 Fontes de radiação no espaço e seus efeitos

1.5 Fenômenos e grandezas que devem ser definidos

para especificação de componentes para aplicações

espaciais

(3)

1.1 Radiação e ambientes hostis a pessoas, equipamentos e materiais

Instalações nucleares

Radiação cósmica: partículas de

alta energia (prótons, alfas, e

demais íons, até GeV)

Instalações nucleares e radiativas:

raios-X, gamas, nêutrons, betas,

prótons e radioisótopos

Meio ambiente: radioisótopos naturais e

artificiais (solo. Ar e água) e radiação cósmica

atmosférica, que aumenta com a altitude.

Cenários de operações militares: explosões

atônicas (gamas,nêutrons) e contaminação

(4)

Principais ambientes radiativos hostis à eletrônica:

Espaço

: Radiação cósmica (prótons e íons de alta energia)

Aeronáutico

: vôos acima 10 mil metros (nêutrons, prótons,etc)

Solo

: nêutrons térmicos

Instalações de radioterapia, pesquisa e nucleares:

elétrons,

gamas, nêutrons e partículas de baixa e média energia

Cenários de operações militares

: pulsos intensos de radiação

Tipos de radiação:

a) Eletromagnética (fótons)

: Raios-X e gamas

b) Particulas carregadas leves

: elétrons (β

-

_{) e pósitrons (β}

+

₎

c) Partículas carregadas pesadas

: prótons, deuterons, alfas,

fragmentos de fissão e demais ions

d) Partículas neutras

: nêutrons

e) Particulas elementares

(reações em altas energias):

diversas partículas elementares em chuveiros criados a partir

da interação de raios cósmicos com a atmosfera

(5)

Requer o conhecimento prévio das condições ambientes, previsão dos

efeitos e inserção da proteção e mitigação desses efeitos na fase de projeto.

Requer depois testes de controle de qualidade dos componentes e nos

sistemas integrados na fase de execução.

1.2 Considerações quanto à proteção e mitigação dos efeitos da

radiação no projeto de um veículo espacial: é um dos vários campos

da engenharia espacial.

(6)

(7)

1.4 Fontes de radiação no espaço e seus efeitos

Radiação cósmica:

a) Galáctica

b) Solar

c) Aprisionada

Dependendo da missão (órbita)

uma delas será a mais significativa

E os efeitos serão:

a) Acumulativos: TID, DD

b) Isolados (estocásticos ou

contáveis): SEE

- transientes (não destrutivos):

- permanentes (permanentes)

Forma com que a energia

depositada pela radiação no

meio (ionizante e não ionizante)

(8)

1.5 Fenômenos e grandezas que devem ser definidos para

especificação de componentes para aplicações espaciais

1) Qualificação e quantificação da radiação:

a) Tipos de partículas que atingem o componente:

p, e, ions, n

,

b) Energia das partículas ou espectro:

φ(E) →φ(LET)

c) Fluxo e fluência (

Taxa de dose e dose acumulada

)

2) Propriedades do componentes:

a) Tipos de materiais empregados e tecnologia (

espessura

)

b) Natureza do componente (

diodo, transistor, memória, etc

)

c) Volumes ativos ou sensíveis (

seção de choque, alcance,

concentração limiar de carga, LET, Deslocamento atômico

)

3) Interação da radiação com o meio material e como o

(9)

(10)

2. Interações da radiação com o meio

material

2.1 Natureza e propriedades das radiações

2.2 Interações da radiação com a matéria conforme

o tipo e a correlação com os efeitos observados

2.3 Poder de freamento (”Stopping power”),

transferência linear de energia (LET) e alcance

(range)

2.4 Dose (ionizante e não ionizante)

(11)

(12)

Tipo

Nome

Símbolo Carga (e)

Massa

(u.m.a)

Meia-vida

raios-X

X

0

0 Indefinida

Gamas

_γγγγ

0

0 Indefinida

Elétron

_e

-

_{, ββββ}

−−−−

_-1

_0,000549

_Estável

Pósitron

_e

+

_{, ββββ}

++++

₊₁

_0,000549

_Estável

Múon

_µ

-

-1

0,114

2,2××××10

-6

Antimúon

_µ

+

+1

0,114

2,2××××10

-6

Neutrino

_υ

0 ≈

≈

≈ 0

Estável

Anti-neutrino

_υ

0 ≈

≈

≈ 0

Estável

Puin positivo

_π

++++

₊₁

_0,15

_{2,55××××10}

-8

Piun negativo

_π

−−−−

_-1

_0,15

_{2,55××××10}

-8

Pion nêutro

_π

0000

₀

_0,15

_{2,55××××10}

-8

Kaon positivo

_Κ

++++

₊₁

_0,531

_{1,22××××10}

-8

Kaon negativo

_Κ−

-1

0,531

1,22××××10

-8

Prótons

p

+1

1,007593

Estável

Nêutrons

n

0 1,008982

Estável

Ondas

eletromagnéticas

Léptons

Bárions

Méson

e = Carga elementar = 1,6×10

-19

_C

1 u.m.a. = 1,661×10

-27

_{kg = 931,5MeV}

(13)

Fontes de radiação:

Naturais:

1) Raios cósmicos (várias partículas elementares e íons de alta

energia)

2) Radionuclídeos presentes na terra, água e ar: urânio, tório e

seus descendentes (emissores alfa, beta e gama), radônio do ar,

14C, 40K, etc

Artificiais:

1) Radioisótopos produzidos em aceleradores e reatores para

fins industriais e médicos (diagnóstico e terapia), como o

60 _Co,

137 _Cs,

90 _Sr-

90 _Y,

131 _{I e especiais para P&D, como o}

252 _{Cf, Pu-Be,}

etc.

2) Reatores nucleares: nêutrons, gamas, produtos de fissão e

radioisótopos

3) Aceleradores de partículas: elétrons, prótons, alfas e demais

íons pesados e radiação secundária gerada pelo feixe (nêutrons,

gamas, raios-X e partículas elementares

4) Aparelhos de raios-X: raios-x (espectro contínuo e/ou raios-x

característicos)

(14)

2.2 Interações da radiação com a matéria conforme o tipo

Radiação Interação Resultado Efeito no meio material

Efeito foto-elétrico

O fóton é absorvido e o elétrons ligado de uma órbita interna é ejetado do átomo (ionização primária)

O elétron ejetado perde energia por colisões (ionização do meio) e por emissão de radiação de freamento

("bremsstrahlung")

Efeito compton

Espalhamento inelástico do fóton com um elétron fracamente ligado. Elétron é

ejetado e o fóton muda de energia e de direção

O elétron ejetado perde energia por colisões (ionização do meio) e por emissão de radiação de freamento ("bremsstrahlung") e o fóton espalhado

pode interagir novamente com o meio

Produção de Pares

O fóton desaparece e a sua energia é transformada em

massa de respouso e energia cinética de um par

elétron-pósitron

O elétron e o pósitron ejetados perdem energia por colisões (ionização do meio) e

por emissão de radiação de freamento ("bremsstrahlung"). O pósitron a seguir colide com um elétron do meio ocorrendo

a aniquilação destas partículas com a emissão de dois fótons de 0,511MeV em

direções opostas Fótons

(Raios-X e gamas)

O resultado final é a ionização do meio e o desenvolvimento de uma

cascata de elétrons e fótons secundários, que se desenvolve ao

longo da espessura do meio, inicialmente subindo (build-up) e

(15)

Radiação Interação Resultado Efeito no meio material Coulombiana com

átomos do meio

Ionização dos átomos e emissão de um ou mais

elétrons

Ionização do meio ao longo de sua trajetória tortuosa. Energia depositada

caracterizada pela baixa LET Emissão de radiação de

freamento (Raios-X de "bremsstrahlung")

Os fótons emitidos atravessam e interagem com o meio

Espalhamento elástico

O elétron muda de trajetória e o núcleo sofre um recuo, deslocamento atômico e

ionização do meio Coulombiana com

átomos do meio

Ionização dos átomos e emissão de um ou mais

elétrons

Ionização do meio ao longo de sua trajetória retilínea. Energia depositada

caracterizada pela alta LET Nuclear:

espalhamento Deslocamento atômico

Mudança de posição do átomo da rede cristalina em sólidos, quabra da ligação química, ionização secundária do meio

Nuclear: reação

Formação de produtos de reação e possibilidade de

emissão de gamas, betas,nêutrons, etc

Transmutação do elemento químico do meio, quebra de ligações químicas, ionização do meio pelo reuo dos produtos

de reação e formação de nuclídeos radioativos Eletromagnética com a carga nuclear Emissão de radiação de freamento (Fótons de "bremsstrahlung")

Os fótons emitidos atravessam e interagem com o meio

Eletromagnética com a carga nuclear Eletrons e pósitrons Ions pesados (prótons, alfas, etc...)

O resultado final é a ionização do meio (principal mecanismo),

deslocamento atômico e geração de radiação secundária:

bremsstrahlung (elétrons) e produtos de reações nucleares e

espalhamentos para as partículas carregadas pesadas

(16)

Radiação Interação Resultado Efeito no meio material Espalhamento

elástico e inelástico com núcleos dos

átomos que constituem o meio

Núcleo de recuo com momento transferido pelo

nêutron na colisão.

Deslocamento atômico e ionização do meio pelo núcleo de recuo (importante para materiais de baixo número atômico,

Ex: hidrogênio)

Reação nuclear

Produtos de reação (ions) e radiação secundária (betas,

gamas, etc)

Transmutação do elemento químico do meio, quebra de ligações químicas, ionização do meio pelo reuo dos produtos

de reação e formação de nuclídeos radioativos. Ionização do meio posteriormente pelo decaimento desse nuclídeos radioativos. É muito importante a reação de captura de nêutrons térmicos

pelos núcleos dos átomos do meio. Nêutrons

O resultado final é a ionização do meio através das partículas

secundárias geradas das interações nucleares do nêutron com os

núcleos dos átomos do meio, deslocamentos atômicos dos átomos

do meio e a formação de nuclídeos instáveis (radioativos), os quais

irão decair posteriormente de acordo com as suas meias vidas

(17)

2.3 Poder de freamento ¨(”Stopping power”), alcance

(range) e transferência linear de energia (LET)

Stopping Power: Quantidade energia perdida pela partícula por

unidade de percurso no meio através de todas as interações

(colisão e radiação).É medido em MeV/g.cm

-2.

_{. As perdas por colisão}

podem resultar em ionização do meio ou interações nucleares.

∫

−

=

0 )

(

1

inicial

E

dx

dE

R

O alcance (ou “range”)

da partícula no meio é

a distância percorrida

até perder a totalidade

de sua energia

(18)

Transferência linear de energia (LET): energia que é

transferida na forma de ionização do meio

ionização

dx

dE

LET













=

Ion

Energia

(MeV)

LET

(MeV.cm

2

/mg)

Alcance

(mm)

12C

102 1,4

193 19F

141 3,4

126 35Si

186 7,9

85,3

35Cl

210 11,4

65,8

48Ti

227 18,8

47,5

58Ni

266 26,6

41,9

79Br

290 37,2

39 127I

320 59,7

34 197Au

350 82,3

27,9

(19)

2.4 Dose (ionizante e não ionizante)

Massa

Energia

Dose

=

A dose absorvida, ou simplesmente

dose, é a energia depositada pela

radiação por unidade de massa do

meio

Unidades de medida:

Si = J/kg

Especial: Gy

Antiga rad

1Gy = 100rad

TID está relacionada à dose devida à

ionização

DD está relacionada à dose não

ionizante (NIEL)

2.4 Conceito de fluxo e de secção de choque

Fluxo é a quantidade de partículas que atravessa uma

unidade de área na unidade de tempo Em geral expresso

em partículas/cm

2 _{.s. O fluxo integrado no tempo é}

(20)

O fluxo pode ser escrito também na forma diferencial em energia:

dE

d

φ

_{ou simplesmente φ(E) que é expresso em part/cm}

2 _.MeV.s

A secção de choque para um determinado evento num

componente é dada pela razão entre o taxa de eventos

observados e o fluxo de partículas incidentes no componente:

φ

σ

=

n

A seção de choque depende da energia e do tipo de partícula

incidente. Para SEE a seção de choque depende do LET.

(21)

Conhecendo-se a seção de choque e o fluxo de partículas

incidentes, o número de eventos esperado é calculado por:

∫

=

MAX th

LET

d

LET

n

φ

(

).

σ

(

).

(

)

(22)

4. Correlação dos efeitos físicos (interação com o

material) e os efeitos nos parâmetros e funcionalidade

dos dispositivos eletrônicos

1) Efeitos acumulativos: efeitos provenientes de várias

partículas (ionização e deslocamentos atômicos) que

dependem da

dose total acumulada de radiação

(ionizante e não ionizante)

→

→ aumenta continuamente

com o tempo

a) TID (Total Ionizing Dose) →

→

→ Associado ao

aprisionamento e acúmulo de cargas em estruturas ou

regiões sensíveis do componente

b) DDD (Displacement Damage Dose) →

→

→ Associado a

danos na estrutura do material por deslocamentos

atômicos (NIEL - Non-ionizing Energu Loss)

(23)

2) Efeitos de partícula isolada (SEE – Silgle Event

Effects): são efeitos de natureza estatística (contáveis) e

associados à interação de cada partícula do feixe com

regiões sensíveis do componente. Quando a partícula

ionizante provoca uma concentração de cargas

suficiente para causar um sinal elétrico anômalo.

Depende do

LET (lLinear Energy Transfer) e Alcance

(Range) da partícula

. Pode ser:

a) Transitório (recuperável): SET (Sigle Event

Transiente), SEU (Single event Upset),

b) Permanente (irrecuperável): SEL (Single Event

Letchup), SEB (Single Event Burnup). SEGR (Single

Event Gate Rupture), etc

* Taxa de ocorrência

depende do Fluxo incidente e da

(24)

5 Ensaios e testes acelerados dos efeitos da radiação em

componentes eletrônicos: instalações e fontes de radiação

Os ensaios e testes acelerados de irradiação de

componentes eletrônicos são realizados para medir a

dependência de parâmetros funcionais com a dose de

radiação e para medir a probabilidade de SEE (LET limiar e

seção de choque em função do LET), simulando em curto

tempo as doses baixas e fluxos recebidos pelo componente

exposto por longo tempo no espaço. Cuidado deve ser

tomado na escolha das taxas de dose devido a componentes

que apresentam ELDR).

Há também os testes de qualificação de lote para a

aceitação de componentes, onde uma amostra do lote é

submetida à dose e à fluência de partículas previstas na

missão para fins de aprovar ou não o lote, medindo-se os

parâmetros e funcionalidades do componente na sua

(25)

TID – Gamas (60Co), raios-X e elétrons

(irradiadores, fontes e aceleradores)

DD – elétrons, nêutrons, prótons, ions

(aceleradores, fontes, reatores)

SEE – prótons, ions, nêutrons

(aceleradores, fontes e laser, mas há

alguns trabalhos com reatores

(26)

(27)

Efeito da Radiação em Fibra Óptica Utilizada em

Giroscópio à Fibra Óptica

)]

exp(

1 .[

)]

exp(

1 .[

)

(

dB

P

₁

P

₂

t

P

₃

P

₄

t

A

=

−

+

−

2 4 2 2 3 1 2 1 1 1

1

1 T

P

T

D

C

P

T

P

T

D

C

P

=

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 1,10 1,20 0 50 100 150 Tempo de irradiação (h) in te n si d ad e n o rm al iz ad a HB1500G HB1500G-RT 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 0 200 400 600 Tempo de recuperação (h) In te n si d a d e n o rm al iz ad a HB1500G HB1500G-RT

Redução da transmissão

durante a irradiação

Recuperação da fibra após a

irradiação

Modelo do comportamento

(28)

Estudo dos Efeitos da Radiação Ionizante no Conversor

de Tensão DC/DC LM2596

Multímetro Osciloscópio Fonte 0-60V/50A GPIB BUS Fonte Co60 GPIB-LAN Plataforma Virtual VEE Multímetro Osciloscópio Fonte 0-60V/50A GPIB BUS Fonte Co60 GPIB-LAN Plataforma Virtual VEE 0 1 2 3 4 5 6 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Dose Total Absorvida [krad(Si)]

T en sã o d e S aí d a (V ) 6 V 10 V 15 V 20 V 25 V 30 V 35 V 40 V Tensão de Entrada (V) Limiar de dose acumulada [krad(Si)] 6 19,1 10 21,9 15 23,7 20 25,1 25 26,5 30 27,9 35 29,4 40 31,3

(29)

FIM da PRIMEIRA PARTE!

(30)

1

SINGLE EVENT

EFFECTS

MsC Octavio Pereira da Silva Filho

EFA – A

Instituto de Estudos Avançados

CTA

(31)

2

Single Event

Effects

Instalações de teste

e

(32)

3

Visão Geral

Ambientes Radioativo

Conceitos de Single Event Effects

Caracterização do SEE

Método de teste de SEE

Acelerador de Partículas

Fonte de Californium 252

Laser Pulsado

(33)

4

Ambiente Radioativo Espacial

Cinturão de radiação

– Electrons até 7 MeV

– Protons até 400 MeV

Espaço

– Raios cósmicos

–Íons pesados (ions com extrema energia)

– Labaredas solares (primariamente protons

(34)

5

Ambiente Radiativo na Atmosfera

Cosmic Ray Interactions in the Air

Chuveiro de

partículas entre o

topo da atmosfera

e o nível do mar

Composição:

~85% protons

~14% α, ~1% núcleos pesados

a maior parte até 10 GeV/amu.

Mas alguns até 10

11

_{GeV(16 J)}

(35)

6

A Eletrônica no Ambiente Radioativo

A eletrônica embarcada num satélite, por

exemplo, está sujeita a ação da radiação

SEE

É o efeito causado pela ionização de regiões sensíveis

de um dispositivo eletrônico causado por uma única

partícula, acarretando na falha de operação do mesmo,

temporariamente ou permanentemente.

(36)

7

Single Event Effects

Íons de alta energia têm a velocidade

diminuída através de perda de energia por

colisão elástica (nuclear) e inelástica

(eletrônica)

Colisão Elástica

Colisão Inelástica

Si(

n

,αααα)Mg, Si(

n

,

p

)Al Si(

p

,2

p

)Al, Si(

p

,

p

αααα

)

)Mg

Interação Nuclear

Direta / Indireta interação

através de reação nuclear

Ions

(37)

8

Classification of the Single Event Effects

Efeito no

dispositivo

Poder de

atuação

Tipo de

dispositivo

(38)

9

Single Event Gate Rupture

_{Permanente falha do óxido}

_{Power Mosfets são mais suscetíveis}

Dependente do campo elétrico no óxido

do gate

(39)

10

Single Event Burnout

_{Causado por corrente excessiva dentro}

da estrutura do dispositivo

_{Power transistors}

_{Alguns tipos de circuitos integrados}

lineares

(40)

11

Single Event Latchup

_{Envolve elementos parasitas}

do circuito que formam o SCR

(silicon controlled rectifier)

_{A corrente do dispositivo}

pode destruí-lo se não for

limitada ou removida a tempo.

Ação Inicial do trigger:

Corrente induzida pelo íon flui do contato

até o substrato e alimenta diretamente o

transistor bipolar vertical e parasita. O

resultado é que o circuito do SCR é

acionado totalmente e causa um curto

através do dispositivo.

(41)

12

Single Event Transient & Upset

A ionização da região

sensível do dispositivo

leva ao acionamento de

um transistor mudando o

estado lógico de células

de memória (upset).

Static random access

memory SRAM

(42)

13

Single Event Similar to SEU

SEFI

MBU

MBU é um problema para:

-códigos de detecção de erro de um bit (EDAC)

-DRAMs e certas SRAMs

-coloca o dispositivo num modo de teste, parada temporária ou

estado indefinido

-SEFI requer reset para recuperar o funcionamento do dispositivo

Multiple Bit Upset

→

Upset em dois ou mais bits causando simultâneos erros

Single Event Functional Interrupt

→

(43)

14

(44)

15

Dinâmica da Coleta de Cargas

Ao longo do percurso, a partícula produz uma distribuição radial densa de pares de elétrons-buraco Fora da região de depleção, a distribuição de carga fora do equilíbrio induz uma distorção temporária em forma de funil ao longo da trajetória do evento (componente de deriva) O funil colapsa. A componente de difusão então domina o processo de coleta

até que todo o excesso de carga tenha sido coletado, recombinado ou difundido para fora da área de junção

Corrent vs Tempo para ilustrar a processo

DINÂMICA

Afunilamento e Difusão

x

(45)

16

Caracterização do SEE

Circuitos são caracterizados pela sua

sensibilidade ao SEE através:

da medida da seção de choque em

função da transferência linear de

energia (LET).

(46)

17

LET & Seção de Choque

FLUXO

φ = partículas/(área x tempo)

FLUÊNCIA

Φ = ∫φ dt = partículas/área

(47)

18

Cálculo da Taxa de Eventos

TAXA DE EVENTOS = FLUXO

X SEÇÃO DE CHOQUE = EVENTOS / TEMPO

A determinação do volume

sensível, requer suposições

sobre a construção do

(48)

19

(49)

20

Métodos Padrões de Teste

ASTM F-1192 -Standard Guide for the Measurement of

Single-Event Phenomena from Heavy Ion Irradiation of

Semiconductor Devices

EIA/JESD57 -Test Procedures for the Measurement of

Single-Event Effects in Semiconductor Devices from Heavy

Ion Irradiation

SINGLE EVENT EFFECTS TEST METHOD AND

(50)

21

Instalações para o Teste de SEE

Acelerador de Párticula

Califórnio 252

(51)

22

Típico Setup do Acelerador de Partícula

VANTAGEM

Simula o ambiente agressivo do

espaço razoavelmente bem

(52)

23

Desvantagens

• _{Danifica o circuito;}

• _{O dispositivo precisa ser testado numa câmara}

de vácuo;

• _{Oneroso e consome tempo;}

• _{Precisa de precausões especiais de segurança}

(53)

24

(54)

25

Esquema da Instalação da fonte de

Califôrnio 252

1 – 252 Cf source

2 – Iris

3 – Attenuator

7 – SBD

8 – Source shield

9 – Light bulb

4 – Scintillator

5 – Light pipe

6 – DUT

(55)

26

Instalação da fonte de Califôrnio 252

Câmara de vácuo para irradiação com íons pesados pertencente ao

Laboratório de Radiação Ionizante do Instituto de Estudos Avançados

(56)

27

Espectro de Energia dos Íons de Califôrnio

Measured Energy Spectrum of

252

_Cf

(57)

28

Seção de Choque dos Íons de Califôrnio

Dificuldades

Estimativa da energia absorvida nas regiões sensíveis do

dispostivo (espectro de energia);

Limitada penetração das partículas emitidas pelo califôrnio 252.

Necessidade de detalhado conhecimento da profundidade das

(58)

29

(59)

30

Características do Feixe de Laser

Distribuição da intensidade

do feixe

Feixe Gaussiano

Largura do feixe

Alcance de Rayleigh

Distância confocal

_{Raio de curvatura}

Divergência do feixe

(60)

31

Limite de Difração

D

f -focal length of the lens l -the wavelength of light D -the diameter of the lens

Difração de uma onda plana

incidindo numa fenda

Difração de uma onda plana

incidindo numa fenda circular

Intensidade da luz

de duas fontes

Gráfico e imagem de

difração de uma única fenda

Diametro (w

₀

) no limite de

difração da área iluminada

(61)

32

Simulação com Laser dos Efeitos

dos Raios Cósmicos

(62)

33

Característica do Feixe do Laser no

Semicondutor

Distância confocal no

semicondutor

Perfil longitudinal do foco do feixe

do laser, distância confical e o

diâmetro da focalização

Largura do feixe do laser

ω ω ω

ω0

-the minimum diameter

λλλλ

- the wavelength of light

ηηηη

- the index of refraction

Diâmetro da focalização

(63)

34

Cálculo da Distância Confocal

O aumento do diâmetro do

feixe do laser faz a densidade

(64)

35

Absorção do Feixe do Laser

Lei de Beer-Lambert

SILÍCIO

Gap = 1,1 eV

Seção de choque de absorção

Probabilidade do processo de absorção

N – no de fótons penetrando na profundidade x

n - partículas absorvidas por unidade de volume

σ σ σ

(65)

36

Efeitos Não Lineares

Luz de alta intensidade provaca mecanismos de absorção adicionais que

modificam a relação entre a intensidade da luz e a densidade de portadores

Bandgap Narrowing

(66)

37

Reflexão do Feixe de Laser

É necessário calcular a porção de luz que é refletida, de

maneira a relacionar os efeitos do pulso do laser

diretamente com a quantidade de energia depositada no

material semicondutor.

(67)

38

Estrutura da Plataforma de

Teste com Laser

(68)

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(70)

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(71)

42

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45

(75)

46

Vantagens do Laser

• _{Teste não destrutivo}

• _{Relativamente barato}

• _{Resolução espacial}

• _{Resolução Temporal}

(76)

47

Teste Não Destrutivo

Excessão

• A energia do fóton seja menor do que aquela necessária para

provocar tunelamento assistido da carga no óxido.

• _{A energia do pulso necessária para produzir um upset seja menor do}

que aquela para fundir o semicondutor

Energia do fóton <2 eV ( Si)

Campo elétrico suficientemente

pequeno

(77)

48

Teste Destrutivo

O feixe do laser provoca Latchup

(78)

49

Relativamente Barato

Todo o custo de montagem de uma plataforma LASER é muito mais

barato do que o custo de um ACELERADOR DE PARTÍCULAS.

Accelerator

Laser

(79)

50