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TN4 1017422039 分类号
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西安电子科技大学
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摘要
摘 要
随着空间技术和集成电路技术的不断发展，辐照环境中的集成电路可靠性越来越受到重视。SOI器件由于采用了全介质隔离，完全消除了体硅器件的闩锁效应，在抗辐照方面也有很好的特性。本论文主要进行了SOI器件的总剂量辐照效应实验研究和单粒子效应的仿真分析。
本文首先研究了SOI器件低剂量率γ射线的总剂量效应，分析了剂量率和偏置条件等对器件转移特性曲线的影响，辐照对SOI器件kink效应的影响以及界面态对PMOS亚阈值斜率和跨导的影响。实验结果表明，相同总剂量下，低剂量率的辐射效应严重；在沟道长度为0.8μm的器件中出现了亚阈值的kink现象，这是由于背栅晶体管的开启引起的；关态偏置的阈值电压漂移大于开态偏置，并且这种差别随着沟道长度的减小而逐渐加大。在输出特性中，辐照引起了NMOS器件发生kink效应时的漏极电压升高。界面态对PMOS亚阈值斜率和跨导的影响大小不同，主要是由于偏置条件的变化引起了界面态状态的变化引起的。
在单粒子效应方面，建立了SOI器件的2D和3D模型，给出了单粒子辐照后的电势分布，验证了漏斗模型；然后分析了不同的因素对收集电流和收集电荷的影响，包括漏极电压、LET、入射位置和入射角度等；最后对比了2D和3D模型的收集电流，指出2D模型的收集电荷与3D模型相差较大，在条件允许的情况下，应该尽量采用3D仿真。
关键词：SOI 辐照效应 陷阱电荷 界面态
Abstract
Abstract
With the development of space technology and integrated circuit, more attentions are paid on the reliability of integrated circuits in the irradiation environment. As a result of full dielectric isolation, SOI devices eliminate the latch-up and play a good role in the anti-irradiation technology. Experimental investigation o f total dose radiation effects and simulation analysis of single event effect about SOI devices were conducted in this paper.
Total irradiation dose effect about SOI devices is studied, which are exposed to 60Co γ-ray at low dose rate. The transform characteristics of different dose rate and bias conditions are presented. Also the kink effect of SOI devices after radiation is analyzed, as well as the influence of radiation-induced interface traps on the PMOS sub-threshold slope and transconductance. The result shows that the irradiation effect is more serious at low dose rate for the same total irradiation dose. Because of the turn-on of back gate transistor, the sub-threshold kink phenomenon appears in the device of 0.8μm. The threshold voltage shift of off-bias is greater than that of on-bias, and the difference varies gradually inversely as the channel length. In the output characteristic of NMOS, the irradiation increases the drain voltage V D of kink effect. Because the states of interface traps vary with gate bias, interface traps have different in?uences on sub-threshold slope and transconductance of PMOS.
As for single event effect, 2D&3D models for SOI device are established。The funnel model is verified by presenting the potential distribution after incidence of single-particle. Also, the impacts of different factors on the collection current and charge are researched, including drain voltage, LET, the incident position, incident angle and so on. By comparing the collecting current and change, there are big differences between the 2D model and 3D model. If condition allowed, the 3D simulation is strongly recommended.
Keywords: SOI, Radiation Effect, Oxide Traps, Interface Traps
目录
目 录
第一章 绪 论 (1)
1.1引言 (1)
1.2SOI技术 (1)
1.2.1厚膜与薄膜SOI器件 (1)
1.2.2SOI技术的优势与存在的问题 (2)
1.2.3SOI MOS器件的寄生效应 (4)
1.3课题的研究背景及本文的主要研究工作 (6)
第二章 SOI器件辐射效应研究综述 (9)
2.1辐射粒子与半导体材料的相互作用 (9)
2.1.1辐射环境 (9)
2.1.2半导体材料的电离效应 (10)
2.2SOI器件的单粒子辐射效应 (10)
2.2.1电荷淀积模式 (10)
2.2.2单粒子效应的器件模拟 (11)
2.2.3MOS器件单粒子效应的电荷收集模式 (11)
2.3SOI器件的总剂量效应 (13)
2.3.1氧化层陷阱电荷的俘获与退火 (14)
2.3.2辐射感生界面态 (15)
2.3.3辐射感生氧化层陷阱电荷和界面态对器件的影响 (16)
2.4本章小结 (17)
第三章 SOI器件低剂量率γ射线总剂量辐照效应实验研究 (19)
3.1引言 (19)
3.2辐照实验和测试 (19)
3.3实验结果分析 (20)
3.3.1剂量率和偏置条件等对器件转移特性的影响 (20)
3.3.2辐照对SOI器件输出特性的影响 (25)
3.3.3界面态对PMOS亚阈值斜率和跨导的影响 (28)
3.4本章小结 (31)
第四章 SOI器件单粒子效应的ISE TCAD仿真分析 (33)
4.1ISE-TCAD简介 (33)
4.2器件结构模型的建立及仿真流程 (33)
4.2.1二维模型的建立 (33)
基于SOI工艺MOS器件的辐照效应研究
4.2.2三维模型的建立 (33)
4.2.3物理模型及仿真流程 (35)
4.3仿真结果分析 (36)
4.3.1漏斗模型的验证 (36)
4.3.2不同因素对瞬态电流的影响 (37)
4.3.32D和3D模型收集电流的对比 (40)
4.4本章小结 (41)
第五章 总结与展望 (43)
致 谢 (45)
参考文献 (47)
研究成果 (51)
第一章 绪 论
1.1 引言
随着微电子技术和集成电路技术的发展，超大规模集成电路的特征尺寸已经逐渐减小到亚100nm 范围，包括Intel 的I 系列处理器在内的很多处理器已经采用了22nm 工艺。随着特征尺寸不断缩小，体硅MOS 器件出现了一系列问题，例如亚阈值斜率不能按比例缩小；较小的阈值电压导致关态泄漏电流的增加；多维和非线性效应严重影响了器件性能的提升以及超薄栅介质的漏电流与可靠性问题等。随着空间技术、核技术的发展，核辐射环境与电子信息技术的关系更加密切，辐射环境中电子系统和元器件损伤以及失效机理变成微电子学领域中十分重要的研究课题[1-3]。SOI 技术由于从根本上消除了体硅CMOS 技术电路中的闩锁效应，电路具有速度高、功耗低、集成密度高的特点，在抗辐照领域中还能减少单粒子效应以及瞬时辐照效应，因此一直在抗辐射加固方面要求较高的军工和宇航电子中得到应用。
1.2 SOI 技术
1.2.1 厚膜与薄膜SOI 器件
图1.1为一种典型的SOI CMOS 结构，从图中可以看出，在SOI 技术中，器件与衬底之间通过一层隐埋氧化层隔开，在表层很薄的硅膜中制作器件。SOI 器件的物理特性与器件顶层硅膜的厚度紧密相关。根据硅膜厚度以及掺杂浓度，SOI 器件可以分为厚膜器件、薄膜器件和中等膜厚的器件。对于MOS 器件，最大耗尽区宽度x dmax 一般可以表示为： 12max 4si F d A x qN εφ??=???
? (1-1) 其中εsi 为Si 的介电常数，?F 为体费米势。对于P 型衬底的NMOS 器件，?F 可表示为： ln A F i
N kT q n φ= (1-2) 厚膜器件硅膜厚度大于2x dmax ，器件在强反型时体区中存在一个中性的区域，正背界面没有耦合，这种器件也称作部分耗尽器件(Partially Depleted)，简称PD 器件。对于PD 器件，硅膜厚度对栅下耗尽区影响很小，因此工艺波动引起的硅膜厚度不均匀对器件阈值电压的影响较弱，可以采用体硅器件的方法进行阈值电压的
调整及短沟道效应控制。若中性体区接地，PD器件特性与体硅器件基本相同。当中性体区不接地处于电学浮空状态，PD器件存在两个寄生效应：kink效应和寄生双极管效应，影响器件和电路的性能[4]。
图1.1 SOI CMOS结构横截面示意图
对于薄膜器件，顶层硅膜的厚度小于x dmax。器件开启时，顶层硅膜处于全部耗尽状态与背栅偏压无关，这种器件又称为全耗尽( Fully Depleted)器件，简称FD 器件。FD器件具有优良的特性，例如纵向电场较低、电流驱动能力较高、亚阈值斜率陡直、短沟道效应较小，而且完全消除了kink效应。因此，FD器件特别适合应用于低压、高速和低功耗电路，在亚微米技术中也有很大潜力。但是由于正背界面的耦合，硅膜厚度、背界面质量对器件的阈值电压影响较大，使得阈值电压调整比部分耗尽器件困难；同时硅膜厚度随着器件尺寸的减小而减小，为抑制短沟道效应会采用超薄硅技术，无法实现体接触；采用硅化物薄膜来降低串联电阻，难以获得良好质量的薄膜；同时界面质量对器件性能影响变大，这些都是需要改进的问题。
中等膜厚器件顶层硅膜厚度介于上述两种器件之间，背栅偏置电压不同器件特性也不同。若在某种背栅偏置下，正背界面耗尽区没有交叠或者背界面为积累状态，则该器件特性与厚膜器件相同；如果背栅偏置使得正背界面耗尽区交叠，硅膜处于全耗尽状态，此时器件表现为薄膜器件特性。
1.2.2SOI技术的优势与存在的问题
由于存在隐埋氧化层，SOI技术实现了全介质隔离，消除了大部分体硅器件中的寄生效应，相比体硅技术有着巨大的优越性。当SOI顶层硅膜厚度进一步减小到硅膜厚度小于有效耗尽区宽度时，FD SOI器件特性将比普通SOI器件更加优越。这种FD SOI结构更适合于制造高性能的大规模集成电路。
FD SOI器件纵向电场小迁移率高、寄生电容小、跨导大，因而具有较好的速
度特性，这种优势随着集成电路技术向深亚微米水平发展，将变得更加突出。FD 器件亚阈值斜率陡直，接近理想水平，泄漏电流很小，具有较低的静态功耗，而且结电容和连线电容很小，动态功耗也大大降低。短沟道效应大大减弱，消除了体硅CMOS器件中的体穿通问题，可以形成浅结，而且泄漏电流很小，亚阈值曲线非常陡直，因此别适合于超深亚微米器件。在体硅CMOS集成电路中，由于存在体效应，电源电压降低会引起结电容增加，降低驱动电流，引起电路速度下降；FD SOI电路很好地抑制了这两个效应，具有更高的速度和更小的功耗，更适合于低压、低功耗集成电路。由于采用了介质隔离，FD SOI不需要制备体硅CMOS中的阱等复杂隔离工艺，器件最小间隔仅仅取决于光刻和刻蚀技术的限制，大幅度提高了集成密度。由于采用全介质隔离结构，SOI技术从根本上消除了体硅CMOS 中的闩锁效应，并且结面积极小，在抗软失效、瞬时辐照和单粒子翻转能力方面都非常好。
SOI技术具有比体硅材料更好的优势，充分发挥了VLSI的潜力，在低压低功耗、高温、高压、存储器、抗辐照电路以及三维集成等领域应用非常广泛。早在90年代初就有人就对SOI技术做了预测，认为在不久的将来SOI技术可以取代体硅技术，在大规模集成电路制备工艺中占据主导地位。但是SOI技术的实际发展状况并不乐观，直到最近几年，SOI技术才被产业界广泛接受。影响SOI技术大规模进入产业界的主要原因有以下几个[5]：
制约SOI技术发展的第一个因素是SOI材料。早期的区熔再结晶技术、激光再结晶技术以及横向外延技术等均难以获得高质量的顶层硅膜。随着注氧隔离技术(SIMOX)和智能剥离技术(Smart-cut)技术的发展，SOI材料质量得以提高。特别是智能剥离技术，得到的顶层规模技术均匀性很好，硅膜质量较高。现在，SOI 材料的质量和产能都可以满足VLSI产业发展的需求。
第二个制约SOI技术发展的因素是SOI技术本身存在的一些寄生效应。不同于体硅器件，SOI MOS器件的体区处于悬浮电学浮空状态，碰撞电离产生的电荷无法迅速导走，出现浮体效应。浮体效应主要包括kink效应和寄生双极晶体管效应。浮体效应会影响器件的瞬态特性，不仅可以降低器件增益，降低源漏击穿电压，引起单管闩锁，引起较大的泄漏电流，还会引起电路工作不稳定，出现噪声过冲，对器件和电路性能产生较大影响。
另一个制约SOI技术发展的因素是支撑SOI技术快速发展的配套环境并不完善。目前EDA仿真工具中的器件模型多数为四端的体硅器件，而SOI器件为五端器件。因此，对新结构SOI器件特性以及模型的缺乏了解，SOI电路设计方法学和SOI EDA仿真工具的不完善也制约着SOI技术的发展。
表1.1给出了几种SOI器件以及体硅器件的特性比较(“0”表示与体硅一致，“－”表示比体硅差，“＋”表示比体硅好)，由表1.1可以看出，薄膜SOI器件具
有很好的特性，在数字电路中将拥有广阔的应用空间；采用带体接触的厚膜SOI 器件可以应用于模拟电路中。实际应用中器件的选取要根据器件的特性等进行综合考虑。
表1.1各种类型的SOI器件和体硅器件特性比较[6]
体硅厚膜SOI 薄膜SOI
漏源电容 0 ＋＋
迁移率 0 0 ＋
跨导 0 0 ＋
亚阈值斜率 0 0 ＋
短沟效应 0 0 0/＋
Kink效应 0 － 0 寄生双极效应 0 － 0/－
热载流子效应 0 0/＋＋
抗总剂量辐照 0 0/＋－
抗单粒子翻转 0 ＋＋
1.2.3SOI MOS器件的寄生效应
1.背栅效应
由于隐埋氧化层的存在，SOI器件产生了一个背栅晶体管。背栅效应主要是指背栅压(即衬底偏压)对前栅晶体管阈值电压的影响。在体硅器件中，背栅压会在衬底中引起耗尽区宽度的变化。如果施加负的背栅压，耗尽区展宽。考虑到MOS结构的电荷中性条件，金属栅上的正电荷必须增多，以补偿负空间电荷的增多，从而达到阈值反型点，因此NMOS的阈值电压升高。对于SOI器件，由于隐埋氧化层将有源区和衬底隔离开，背栅效应比体硅器件小得多。而对于部分耗尽器件，由于存在中性体区，基本屏蔽了背栅压的影响，背栅效应一般小于全耗尽器件。
2.浮体效应
和体硅器件不同，处于电学悬浮状态的SOI 器件体区，无法迅速移走碰撞电离产生的非平衡载流子，导致浮体效应，严重影响器件的性能。图1.2给出了浮体效应的示意图。kink效应和寄生双极晶体管效应是浮体效应的两个主要方面。浮体效应严重影响器件的瞬态特性，引起漏源电流正向过冲或负向过冲、记忆效应、瞬态漏电等。从而引起降低器件增益的降低，减小了源漏击穿电压，导致单管闩锁效应，较大的泄漏电流可以引起功耗增加。浮体效应还有可能导致电路工作状态不稳定，引起噪声过冲，影响器件和电路的性能。
图1.2 浮体效应的示意图
图1.3为部分耗尽型SOI N型器件输出特性曲线，由图可见，在器件饱和区漏电流出现了一个上翘区域，这种现象就称为“kink效应”[7]，对于P型器件，这种翘曲现象不明显。由于消除了体浮空区域，带体接触的体硅器件以及全耗尽NMOS 器件也无Kink现象。
图1.3 部分耗尽SOI NMOS器件的kink效应
kink效应主要由以下物理机制引起。对于部分耗尽SOI器件，在漏端电压充分高时，沟道电子在漏端高电场区获得足够能量，通过碰撞电离形成电子-空穴对，
所产生的电子可以穿过沟道区被漏极收集，空穴向电势较低的中性体区处移动，
由于源-体结较高的势垒，空穴会堆积在体区，抬高了中性体区的电势，使源-体结正向偏置。浮体上的正电位降低了阈值电压，引起漏电流增加，由此进一步形成更多的电子-空穴对，在输出特性曲线中呈现kink现象。
全耗尽SOI器件中不产生kink效应，这主要是因为硅膜处在全耗尽状态，与
部分耗尽器件相比，全耗尽器件的漏端电场比部分耗尽器件小得多，产生的电子-
空穴对数目也少。而且由于硅膜全耗尽，源-体间二极管已经处于正偏状态，势垒较低，通过碰撞电离形成的空穴可以流向源区，在源区被复合，硅膜中不存在过剩载流子。因而薄膜全耗尽器件中不存在体效应。当然即使是薄膜器件，如果背
基于SOI工艺MOS器件的辐照效应研究
6
栅施加电压使背界面处于积累状态，实际表现为部分耗尽器件特性，此时Kink效应依然存在。对于PMOS管，因为对于碰撞离化系数空穴比电子要小得多，碰撞电离产生的电子-空穴对远低于NMOS管，因此SOI PMOS管中的Kink效应不如NMOS器件明显。
每个MOS管都无法消除寄生双极晶体管效应。如果考虑N沟器件情况，则N+源、P型体区和N+漏便形成了NPN双极晶体管的发射区、基区和集电区。在体硅器件中，双极晶体管的基区一般是通过衬底接触接地，而在SOI器件中，硅体区(相当于双极晶体管的基区)一般是悬浮的，形成了基极浮空的寄生双极晶体管(如图1.4所示，其中β为寄生双极晶体管的放大倍数)。这一寄生双极晶体管效应是SOI 器件中很多效应产生的根本原因，例如上文所述的kink效应会因为器件中的寄生双极晶体管结构而得到增强。
图1.4 SOI结构中寄生双极晶体管效应
1.3课题的研究背景及本文的主要研究工作
SOI技术的主要应用领域是空间环境以及军工领域。在这些环境中工作的电子设备要求在高温、辐照环境中能够长时间保持可靠性。SOI器件实现的全介质隔离，彻底消除了体硅CMOS电路的闩锁效应，同时结面积极小，在空间环境中的可靠性较高，有非常好的抗软失效、瞬时辐照和单粒子翻转能力。
SOI器件隐埋氧化层的存在使其在抗单粒子方面具有很多优于体硅器件天然优势，但是绝缘埋层的存在使得SOI器件对于总剂量效应比体硅器件复杂得多。在电离辐射环境下，栅氧和隐埋氧化层中的缺陷会俘获空穴形成氧化层陷阱，引起部分耗尽型SOI器件和全耗尽SOI器件的阈值电压漂移和泄漏电流的增加[8]，甚至引起背沟道完全开启，使前栅不能控制器件而失效。同时由于SOI器件存在多个
Si/SiO2界面，总剂量辐射会在界面处引入界面态，引起器件亚阈值斜率和跨导等特性的退化。另外，虽然SOI器件对单粒子效应不如体硅器件敏感，但是随着器件尺寸的减小，临界电荷不断缩小，SOI器件的单粒子效应也应该受到重视。只有对
第一章绪论7
SOI器件和电路的总剂量和单粒子辐照损伤机理进行深入研究对，然后才能有针对性的提出有效的材料、器件以及电路方面的加固措施。
对SOI器件的特性以及辐照效应，国内外包括大学、公司和研究所在内的许多研究机构，如Sandia National Laboratories、Vanderbilt University等，都进行了广泛和深入的研究，取得了不少研究成果。
对于总剂量辐照效应， 2011年，Arizona州立大学的Ivan S. Esqueda等人研究了界面陷阱电荷的非均匀分布模型，用以计算辐照对表面势的影响，并用辐照后MOS电容的C-V特性曲线对该方法进行了验证[9]。该研究小组研究了两种不同剂量率对90nm CMOS工艺FOXFET的STI隔离氧化物的影响[10]，用1D数值仿真研究了低剂量率增强效应的产生机制。计算结果表明，氧化层厚度、空穴陷阱浓度和俘获截面影响了剂量率敏感性。同年，上海微系统研究所的Zhiyuan Hu等人研究了辐照和辐照后的衬底偏置对180nmCMOS器件总剂量效应的影响[11]，结果表明辐照衬底负向偏置使STI泄漏电流增大，而辐照后背栅施加相同偏置对总剂量效应有所改善，并建立了简化模型对这两种效应进行了讨论。2012年，Ivan S. Esqueda等人研究了辐照感生界面陷阱的非均匀分布模型[12]。给出了引入非均匀能级分布界面陷阱电荷的方法，与氧化层陷阱电荷一起可以计算表面势。这种方法也通过辐照后MOS器件的C-V特性曲线进行了验证。D. R. Hughart等人研究了质子缺陷作用对辐照感生界面态的形成和退火的影响，并利用质子缺陷分析了不同条件如温度、剂量率、H2浓度和总剂量对界面态的影响[13]。随着H2浓度的变化，质子可以被缺陷能级俘获，从而影响界面态的产生。而这种效应与温度等有关。
对于单粒子效应，2010年，法国原子能与替代能源委员会下属军事应用局的Mélanie Raine等人利用Geant4和Synopsys Sentaurus仿真工具研究了单粒子入射角度对SOI器件单粒子瞬态电流的影响。结果表明，粒子入射角度的变化引起了粒子有效线性能量传输值的变化，而且不同粒子的结果差别也很大[14]。2011年Vanderbilt University的N. J. Gaspard等人对比了150nm 3D SOI 体接触和体浮空反相器的单粒子瞬态(SET)特性，发现体接触可以降低SET宽度，单粒子SET翻转截面比体浮空器件降低了一个数量级[15]。天主教鲁汶大学微电子实验室的J.Alvarado等人提出了一个用于亚微米SOI器件单粒子效应的简化模型，，并在独立晶体管瞬态电流、反相器链以及6管SRAM单元中进行了验证，该模型可与SPICE仿真器配合从而提高仿真速度[16]。巴西圣保罗大学的Agopian P. G. D.等人研究了质子辐照对应变硅多栅SOI器件的影响。研究结果表明，辐照改善了PMOS器件的某些特性，而NMOS特性退化。二者都是由于阈值电压的负向漂移引起的[17]。2012年俄罗斯科学院的Maxim S. Gorbunov等人用不同的测试技术研究了SOI CMOS微处理器的单粒子敏感性，包括粒子加速器、脉冲激光技术和252Cf 辐射源，并对比了不同结果。然后对数据的矫正和测试方法的改进进行了讨论[18]。
基于SOI工艺MOS器件的辐照效应研究
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目前随着我国航空航天技术的发展，空间飞行器的长寿命高可靠性运行急需SOI技术抗总剂量辐照效应能力的提高。国内的很多研究单位，如北京大学微电子研究所、西北核技术研究所、中科院上海微系统与信息技术研究所、西安微电子技术研究所以及中国电子科技集团58所等很多单位都进行了SOI器件和电路的辐照效应研究，并取得了很多优秀的成果。
本文主要工作为SOI器件的总剂量辐照实验研究以及单粒子效应的仿真分析，各章主要内容如下：
第一章绪论。简要描述了SOI技术的特点、优势和存在的问题，并介绍了近年来国内外SOI器件与电路的总剂量和单粒子辐射效应的研究进展。
第二章 SOI器件的辐射效应研究综述。介绍了辐射粒子与半导体材料的相互作用，包括辐射环境和电离效应。然后分别介绍了SOI器件单粒子效应和总剂量辐照效应的机理
第三章低剂量率SOI MOS器件的总剂量辐照效应研究。主要是采用试验方法研究了SOI器件在低剂量率辐照条件下的总剂量辐射效应，分析了剂量率和偏置条件等对器件转移特性的影响，辐照效应对SOI器件kink效应的影响以及辐照引入的界面态对亚阈值斜率和跨导的影响。
第四章 SOI器件单粒子效应的ISE TCAD仿真。建立了二维及三维的SOI器件模型，验证了电荷漏斗模型。分析了不同条件对漏极电流和收集电荷的影响。最后进行了SOI MOS器件二维和三维模型单粒子效应的对比。
第五章总结与展望。对本文工作进行概括和总结。
第二章 SOI器件辐射效应研究综述9第二章 SOI器件辐射效应研究综述
随着航天电子技术以及核技术的发展，大量的电子设备被应用于宇宙飞船、人造卫星、核武器控制系统以及核电站电子系统中。由于需要长期处在辐射环境中，各种辐射效应会对电子系统以及构成电子设备的元器件产生影响，造成电子系统功能受到破坏，元器件的特性发生退化，从而使整个设备发生故障。
采用SOI工艺制作的CMOS电路，器件仅制作在很小的硅岛上，电荷收集体积远小于体硅电路，而且源漏结体积较小，不存在体硅CMOS技术中寄生的场区MOS管和可控硅结构，辐射产生的光电流可以比体硅电路小近三个数量级，具有很好的抗单粒子和瞬时辐射效应的能力。因此SOI电路和器件的一个重要应用领域就是空间和军事电子领域。SOI技术对于总剂量辐射效应没有优势，由于绝缘埋层的存在，SOI器件的总剂量效应要比体硅电路复杂的多。
2.1辐射粒子与半导体材料的相互作用
2.1.1辐射环境
半导体电路和器件在工作中承受的辐射量，主要取决于辐射环境以及电路的工作条件。
半导体辐射效应主要涉及的辐射环境主要有以下四类：空间辐射环境、核爆辐射环境、实验室辐射环境和工艺辐射环境。
空间辐射主要来自宇宙射线 108~1021eV的质子以及少量高能α粒子、范艾伦带捕获的40keV~5MeV的电子和0.1~5MeV的质子、太阳耀斑产生的107eV~109eV质子、地磁层中捕获的重离子等。银河宇宙射线起源于太阳系以外的空间，其中包含多种元素。由于粒子能量很高，屏蔽所起的作用不大，但其通量很低，剂量一般不超过几毫拉德(rad)。艾伦带是地球磁场俘获宇宙射线中的带电粒子而形成一个磁致浓缩区，分布在地球周围，在辐射带区域内的带电粒子运动状态和空间分布强烈地受地磁场控制。范艾伦带已成为航天器的主要威胁。
核爆辐射环境是一种人为的、短期有效的恶劣环境。核爆辐射包括中子、放射性微粒(裂变碎片及带电粒子等)、γ射线和X射线。对半导体材的损伤主要来自于快中子、γ射线和X射线。辐射产生的光电流可以引起时序电路的状态发生改变或者引起存储器中储存信息的翻转，产生错误的逻辑信号甚至烧毁器件。核爆辐射的强度与爆炸当量和距离核爆中心的距离有关。
实验室辐射环境是指采用实验室设备所形成的辐射环境来模拟空间以及核爆环境中的辐射效应。模拟源可以产生辐射环境单一，根据需要的条件加以控制，
基于SOI 工艺MOS 器件的辐照效应研究 10 具有费用低可重复性好的特点，可以用来进行辐照效应的机理研究，同时可以改
善试验技术及分析程序、积累数据。在实验室辐射环境中，可以使用脉冲反应堆(或
稳态堆)模拟核爆中子效应，使用60Co γ辐射源模拟总剂量效应，使用直线脉冲电子
加速器模拟剂量率效应。
许多半导体制造工艺(如掺杂、蚀刻制版等)必须在辐射环境(离子、中子、电
子，γ射线和X 射线等)中进行。芯片不可避免的会受到不同程度的辐射损伤。例如
X 射线或电子束爆光制版过程中，芯片辐照剂量高达106Gy(Si)。此外，在金属层
以及封装材料中含有微量的天然放射性元素 (如：α粒子)对器件性能也可以产生潜
在的影响。
2.1.2 半导体材料的电离效应
能量大于禁带宽度E g 的辐射粒子入射半导体时，会将能量传给束缚电子将其
从价带激发到导带，从而产生电子-空穴对，即非平衡载流子。每产生一组电子-
空穴对，入射粒子至少要在半导体中趁机eE g 的能量。实际上若入射粒子能量比禁
带宽度大的多，被激发的电子初始具有很大的动能。这些电子(或空穴)通过产生次
级电子-空穴对或者将能量传给晶格，降回到价带顶(或导带底)。对大多数半导体，
产生电子-空穴对所需的能量取3~5倍的禁带宽度。
非平衡载流子的最重要效应是使半导体的电导率增加，若某个时刻非平衡电
子和空穴的密度分别为n δ和p δ，此时电导率的增量为：
(n n p p e )σδμδμΔ=+ (2-1)
辐照结束后，产生的非平衡载流子通过复合逐渐消失。非平衡载流子从产生
到复合的平均时间称为非平衡载流子寿命。复合机制包括直接复合、表面复合和
间接复合。其中间接复合是半导体的主要复合方式。
2.2 SOI 器件的单粒子辐射效应
高能粒子入射器件时，会在器件敏感区淀积能量，将价带电子激发到导带而
产生大量的电子-空穴对，即非平衡载流子。无电场存在时，电子和空穴浓度逐渐
通过复合和扩散作用降低。如果存在电场，会引起电荷的收集，对于存储器和逻
辑器件等会产生单粒子翻转，引起电路状态的改变，对于CMOS 器件可能会引起
单粒子闩锁等。
2.2.1 电荷淀积模式
半导体材料中的电荷沉积有两种方式：一是通过入射重离子的直接电离；二
是轻离子与半导体材料作用产生的次级粒子的间接电离。
直接电离：当重离子入射半导体材料，由于碰撞电离而在其径迹上产生电子-空穴对，直到能量耗尽停止运动，重离子的入射深度称为射程。半导体材料单位长度上沉积的能量称为线性能量转移(LET)。用公式可以表示为
1dE LET dX
ρ= (2-2) LET 的单位是MeV-cm 2/mg ，LET 可以通过材料的密度(通常是Si)进行归一化，使其与半导体材料的类型无关。另外线性能量传输值LET 还可以采用pC/μm 为单位，两者之间的关系为[19]：
1242196110 3.6/1pC/μm 10cm=96.608MeV.cm /mg 1.610/10C eV pair C pair
ρ??×=×××× (2-3) 间接电离：如果入射粒子质量较轻(比如质子和中子)，直接电离作用不足以产生大量非平衡载流子。这些粒子的电离作用主要通过与入射材料发生核反应而产生重离子，重离子电离作用较强，可以与半导体材料发生直接电离。
2.2.2 单粒子效应的器件模拟
单粒子效应模拟可以直观反映出单粒子效应对器件和电路特性的的影响，从而为电路的抗辐照设计提供技术支持。器件级的模拟方法以单个器件为研究对象，通过分析工艺参数等对单粒子效应的影响来评估其对整个电路特性的影响。这种模拟方法精确程度较高，对单粒子效应评估具有很好的指导意义。近年来，单粒子效应的电路级模拟也开始发展起来。电路级模拟以电路为研究对象，模拟速度快，但是精度没有器件级模拟高。因此应该将这两种方法很好地结合起来。
器件级模拟方法针对器件尺寸、工艺参数和电学特性，建立单粒子效应的物理模型，通过数学方法求解泊松方程、电流密度方程、载流子连续性方程等，分析器件单粒子入射后电流和节点电压的变化。对于器件级的单粒子效应模拟，常用的软件有Avanti 公司的MEDICI 和Synopsys 公司ISE TCAD 等。由于MEDICI 只能进行2D 模拟，器件的尺寸在亚微米以上。而ISE TCAD 可以进行3D 器件模拟，支持新型器件(例如SOI 、EEPROM 、薄膜晶体管、化合物半导体以及功率器件等)和深亚微米器件的仿真。其中的SPICE2dessis 命令可以进行SPICE 文件和DESSIS 模型文件的转换。
2.2.3 MOS 器件单粒子效应的电荷收集模式
图2-1给出了关态MOS 器件的电荷收集示意图。电荷收集机理主要包括漂移、
扩散和双极放大。对于NMOS器件，栅极、源极和衬底接地，漏极接电源。因此漏极衬底PN结反偏，在其耗尽区存在一个很强的由漏极指向衬底的电场，该耗尽区的电压降约为V D。一旦离子入射到该PN结附近并产生电子-空穴对，在漏极电场的作用下，电子向上朝漏极端子运动，而空穴向下朝衬底端子运动。由此造成PN结的耗尽区被中和，耗尽区的电压降也会同步减小。由于漏端电压与衬底的电势差仍然保持V D，耗尽区的电压降缩小导致衬底上的电压降增加，或者说耗尽区电场向衬底延伸。因此原来PN结电场的电子收集能力得到增强。该电场形状像一个漏斗，因此被称为漏斗辅助漂移。
图2.1 器件入射MOS器件示意图
漏斗辅助漂移收集电子的同时，空穴不断向下漂移到衬底端子，因此耗尽区不断被中和而宽度逐渐减小。之后，衬底中那些没有被漏斗辅助漂移收集的电子可以通过扩散作用运输到漏极反偏PN结，然后被漏极收集。随着工艺尺度的缩小，衬底掺杂浓度提高，扩散的电荷收集作用更加明显。
随着电子被漏极收集，P阱中的空穴逐渐增加，P阱电势相应增加，由此造成源级衬底PN结的势垒下降。源级因此向沟道区注入电子，该电子被漏极收集从而增加了漏极的电子收集量。由于源级-沟道-漏极形成一个NPN双极晶体管，而P 阱电势增加相当于该双极晶体管导通，因此被称为双级放大效应。在CMOS P型衬底工艺中，由于N阱的局限性远远大于P阱，因此NMOS的双极放大效应远远大于PMOS。随着工艺尺度的缩小，沟道宽度变短，掺杂增加，寄生双极晶体管的放大倍数也相应增加，双极放大效应更加明显。
对于SOI器件，由于埋氧层的存在，电荷收集仅发生在顶层硅膜中，因此电荷
收集体积远小于普通的MOS晶体管。一般情况下射线可以穿进20μm以上[20]，足以贯穿顶层硅膜。虽然电荷收集体积小，但是隐埋氧化层的存在导致了体区的浮空，更容易引起体电势的升高而诱发双极放大效应，使单粒子效应收集电流中的双极放大成分增大。Amusan的研究表明，双阱工艺下，NMOS中扩散电流占收集电流
的主要部分，而PMOS 双极放大电流则超过了扩散电流引起的电荷收集[21]。
2.3 SOI 器件的总剂量效应
器件持续收到电离辐射(例如X 射线或者γ射线)会产生总剂量效应。总剂量的单位是rad(Si)，定义为每克硅上淀积100erg(1erg=10-7J)的辐射能量。rad(Si)为CGS 单位制，用MKS 单位制时成为Gy 。Gy 定义为每千克物质内淀积1焦耳辐射能量。两种单位制之间的换算关系为：1Gy=100rad 。产生电子-空穴对的数目与材料体积元内吸收的能量dw 有关：
1dN dP dw dv dv w dv
== (2-4) w 是材料中产生一个电子-空穴对所需的有效能量(对于硅，w=3.6eV)，剂量D 和电子-空穴对数目之间的关系可由下式给出：
v m dN dP D dv dv w
== (2-5) 其中为硅的质量。这意味着1rad(Si)在Si 中产生4×10v m 13/cm 3个电子-空穴对，在SiO 2中产生7.6×1012/cm 3对。
图2.2 正栅偏压下辐射MOS 结构的电荷生成、传输和俘获示意图。
当高能粒子与原子碰撞时，会在氧化层中产生电子-空穴对[22,23]。如果产生的电子-空穴的能量依然大于产生一个电子-空穴对所需要的最低能量，则会继续碰撞电离，产生更多的电子-空穴对。在这种情况下，一个高能粒子便可以多次电离，产生大量的电子-空穴对。对于产生的电子-空穴对，一般认为，产生的电子和一部分空穴可以移出氧化层，其他的空穴可以被氧化层陷阱俘获产生正的固定电荷。
电子也可以被俘获成为负电荷，但是几率要相对小很多。
总剂量辐照主要是通过影响氧化层而引起器件的特性退化。图2.2给出了正栅偏压下辐射导致的电荷俘获示意图。对于SOI 器件和体硅器件，栅氧化层和场氧化层的制造工艺是类似的，但是SOI 器件存在隐埋氧化层，辐射会在隐埋氧化层中形成正的氧化层陷阱，还会在硅界面处引入界面态。因此，SOI 器件的总剂量效应要比体硅器件差。
2.3.1 氧化层陷阱电荷的俘获与退火
氧化层电荷是指固定于距界面0.5-10nm 范围内的SiO 2层内正电荷。它们在通常的外电场作用下不移动、荷电状态不随表面电势变化。在制备过程中引人的氧化层电荷(主要与最终的氧化和退火条件有关)称为本征氧化层电荷，其密度一般在1010-1012cm -2范围内。总剂量辐照之后，如果氧化层中存在电场，产生的电子和空穴会向相反的方向输运，其中电子在几ps 内扫出氧化层。但是在电子离开氧化层之前，有一部分电子会和空穴发生初始复合。通常形成的电荷区越密集，复合率也就相对的较大。相反，弱电离粒子只产生一些较为独立的电子-空穴对，复合率也就较低。随着氧化层中电场强度的增加，电子空穴复合的几率减少，未复合空穴数量增加。在氧化层中产生的空穴总量N h 可由下式得出：
0()h ox N ox f E g Dt = (2-6)
式中，(ox )f E 与氧化层内电场强度有关的空穴产生率，D 为辐照剂量，t ox 为氧化层厚度，g 0是单位剂量(rad)的辐照下所产生的初始电子-空穴对密度，并与材料有关，对SiO 2，g 0=7.6×1012rad -1cm -3。
由于工艺原因，在SiO 2层的形成过程中会引入许多包括杂质的本征点缺陷。这些缺陷和杂质的分布极其不均匀，在离界面约10nm 的范围内(陷阱区) 比较集中，它们主要是施主中心：平时显中性，辐照时可以俘获辐射产生的空穴而呈现正电，对建立氧化层陷阱电荷作用最大的，主要是间隙氧施主中心和二价硅施主中心。这是由于这两类中心的浓度最高，而以施主能级都很深。氧施主中心虽然有受主能级，但该能级为位于导带中的共振态(而不是位于禁带中)，对电子的结合不强(小于SiO 2对电子的结合能)。所以工艺原因造成的本征缺陷只能建立起正氧化物电荷。高能粒子入射器件之后，在外加电压的作用下，产生的空穴可以向栅/SiO 2界面（负
栅偏置）或Si/SiO 2界面移动（正栅偏置）
。由于空穴带正电，空穴在氧化层内的移动会引起SiO 2晶格局部势场失配，从而增加该局域内的陷阱深度，这会把空穴限制在陷阱。
在正栅偏压下，空穴迁移到Si/SiO 2界面。由于氧化层中的氧逸出以及表面的晶格失配，在氧化层靠近界面处存在着大量的氧空位。这些氧空位将成为陷阱中
马铃薯鉴别检测淀粉及内部杂质的方法 马铃薯淀粉是食品行业重要的配料，也是广泛应用于、制药、化工等几十个工业领域的重要佳品，受市场经济需求和价格的影响，马铃薯淀粉工业生产和销售中的掺假行为，使得其作用功效大打折扣，研究其鉴别检测方法和内部杂质去除方法，是解决掺假问题和提纯工艺不足问题的有效方法。 马铃薯淀粉的功效和作用 马铃薯首先是食品工业的重要配料，尤其是其广泛应用于煎炸烹炒、做汤勾芡。一级品马铃薯淀粉还具有高粘度、高透明度、糊化温度低、吸水性强、膨胀力大等性能。在食品、制药等行业，且糊化温度为58-65摄氏度、粘稠度可达2000BU，其粘性特质决定了其作为增稠剂的价值。支链淀粉含量约有80%，避免了凝胶和老化现象。 马铃薯淀粉的鉴别检测 随着人类对健康管理的重视和食品质量与食品安全的重视程度提高，淀粉制品被列入28类食品的质量安全市场准入产品中的一类，。不仅关乎人类的食品健康，同时也在工业和医药行业受到了相应的重视。淀粉的实用安全关系到百姓的生命健康，检测淀粉质量指标又是必备手段。马铃薯
变性淀粉的用处更多，尤其体现在速冻食品要求淀粉具有优异的冻融稳定性、良好的弹性和透明度，以解决淀粉团黏弹性差、溶出率较高、烹煮时间较长、缺乏良好的口感的缺点。 鉴别诊断的主要方面是：水份≤18～20%，细度≥99.6（100目通过），蛋白质≤0.1%，白度≥90%（475mn，反射率），化学物SO2≤30PPM，灰分≤0.25，斑点≤3个。扫描电镜和稳定碳同位素比质谱法鉴别马铃薯淀粉中的掺假玉 米淀粉是最常用的检测方法，具体鉴定方法为： （1）扫描电镜鉴别诊断方法。百合淀粉、葛根淀粉、桄榔淀粉、绿豆淀粉及马蹄淀粉，在扫描电镜下分贝呈现出它们、各自的形态分别为扁平三角形、粘连多面体型、梨形、肾形及卵圆形；日常食用淀粉如红薯淀粉、马铃薯淀粉、木薯淀粉、豌豆淀粉、小麦淀粉和玉米淀粉的形态及大小在扫描电镜下观察能较直观地反映出差别和区别。 （2）碳同位素比质谱法。通过扫描电镜观察，当玉米淀粉的掺假量大于10%时，碳同位素的稳定性和自然性差异，对定性鉴定定性鉴别马铃薯淀粉中的玉米淀粉掺假行为，而且依照给出的公式可以估算出掺假玉米淀粉的含量。 马铃薯淀粉去杂方法 干红薯淀粉（颗粒状的）杂质取出方法。在淀粉制备环节，首先进行除杂工艺。以振动筛专门筛选颗粒物质，可以在当地的粮食加工场租取，也可以应用清水稀释后重新沉
土豆淀粉废水： 废水一、水量：360立方 COD=69000mg/L 提取蛋白后COD=18000mg/L BOD=52000 mg/L SS=86000mg/L NH3-N=3600mg/L S=125mg/L P=0.55% 植物蛋白含量2.43% 废水二、水量：150立方 COD=24000mg/L BOD=9880mg/L 本方案设计参数为废水一提取蛋白后与废水二一起进入进入系统处理。 设计进水水质： COD=20000mg/L BOD=10000mg/L 根据环保部门的有关规定，废水排放应达到《中华人民共和国污水综合排放标准》（GB8978-1996）中（1998年1月1日后建设单位）的“二级”标准： COD cr ≤ 150mg/L BOD5 ≤ 30mg/L SS ≤ 150mg/L NH3-N ≤ 15mg/L PO4-3(以P计) ≤ 0.5mg/L PH ： 6－9
根据马铃薯淀粉生产的实际情况和排放污水的特点，结合我们在海南木薯淀粉生产厂家污水治理工程中的实践经验，在保证污水达标排放的前提下，本着投资低、运行费用低、去除效率高的原则，来确定工艺流程。 设计工艺流程 出水 如果进入UASB反应器进水悬浮物很高，则考虑UASB反应器后也加一沉淀罐，沉淀回收由于进水悬浮物过高带走的厌氧污泥。
设计计算 1、调节沉淀池 废水中含有的大量的悬浮物，可以通过颗粒和水的密度差，在重力的作用下进行分离。本方案采用平流式沉淀池，地下砖混结构构筑物。沉淀的蛋白晒干后作为粗饲料外卖。 调节沉淀池内隔开一池作为中和、加温池。并设可提升式潜水排污泵两台，一用一备。 设计流量： 510m3/d 停留时间： 2天 总容积： 1000 m3 提升泵：80QW60-13-4 两台（一用一备） Q=60m3/h H=13m N=4kw 加温设施：一套 调节PH值设施：一套 2、 UASB反应器 UASB即上流式厌氧污泥床（Upflow Anaerobic Sludge Blanket），该技术由荷兰引进，是该污水处理工程的主体构筑物。由于上流式厌氧污泥床(UASB)在反应器中集有大量高效颗粒化的厌氧污泥，因而大大提高了COD 去除率，高出一般传统的厌氧消化池2-3倍，减小了后续处理段的进水负荷，从而降低工程造价。该技术经国内专家十几年的研究开发和大量的工程实际应用，工艺更加完善，培养出的污泥活性高，沉降性能好，处理效果好，倍受国内环保界的重视，并在高浓度有机废水的治理中被广泛推广
马铃薯变性淀粉及应用 马铃薯淀粉粘度高、吸水性强、口感良好，因而在食品工业应用中始终占有相当的比例。随着变性淀粉工业技术的发展，以马铃薯淀粉为原料的变性淀粉用途越来越广，同时也吸引了人们越来越多的目光，很多厂家朋友都想多了解一些这方面的情况。 首先我们先来了解一下马铃薯，马铃薯是继小麦、水稻、玉米、大麦之后的第五大农作物，现有140多个国家栽培生产，世界年栽培马铃薯总面积近3亿亩。马铃薯起源于拉丁美洲秘鲁等国，16世纪中叶，由西班牙和英国的探险家带入欧洲，从此马铃薯的种植被广泛推广。马铃薯在我国的栽培始于16到17世纪的明朝万历年间，由西方传教士带入我国。马铃薯在我国有多种名称，如土豆、洋芋、山药蛋、荷兰薯等等，至如今我国已成为一个马铃薯种植、生产的世界大国，马铃薯大产量的收获为马铃薯淀粉在我国食品工业的发展提供了坚实的保障。 虽然马铃薯起源于拉丁美洲，但欧洲才是马铃薯传播到世界各地的中心。由于马铃薯在欧洲栽培时间长、覆盖面广，因此欧洲经济发达国家非常重视对马铃薯的生产和深加工等技术研究，改革开放后，欧洲的先进技术被逐渐引入到我国，同时我国也加大了对马铃薯及其深加工产品的技术研究，并获得一定成果。这些先进的技术为马铃薯淀粉在我国食品工业的发展提供强有力的支持。 马铃薯淀粉只是马铃薯深加工制品的一种，普通马铃薯淀粉颜色洁白，并伴有晶体状光泽，气味温和。马铃薯淀粉是常见商业淀粉中颗粒最大的一种，粒径在15至100μm之间，在显微镜下观察，马铃薯淀粉呈圆形或椭圆形，通常还能观察到轮纹。马铃薯淀粉颗粒有较强的吸水膨胀能力，表现为淀粉糊粘度和透明度很高，与其它种类原淀粉相比，马铃薯淀粉还有糊化温度低的特点，利用这一特点可将其应用在某些方便食品中。但是马铃薯原淀粉也存在一些缺陷，比如耐剪切能力不好等，而且随着现代食品工业的发展，对食品原料的性能要求也越苛刻，单纯的原淀粉已经很难满足要求，这往往需要求助于变性淀粉。 变性淀粉是通过化学、物理或生物等方法改变原淀粉性能的一种淀粉。马铃薯变性淀粉
马铃薯淀粉加工的废水处理 来源：中国科技信息网作者：冯欢 技术简介: 马铃薯淀粉加工排出的废水大体上可分为三类：流送槽废水、分离机废水、精制废水。流送槽废水的排出量虽为原料的8～17倍，但其成分主要是马铃薯表面的泥沙，其BOD值不超过50～400mg/L，处理起来比较简单，只要在沉淀池中沉淀数小时即可循环使用，当其中污浊度较大时经沉淀池处理后就可以排放。精制废水其水量和成分的绝对量都少，在工艺上主要用作洗涤薯块的洗涤水，洗涤后用于补充流送输送槽送水，因而问题不大。分离机废水包含着原料中可溶性成分的大部分，排出量达原料的4～6倍，其BOD因原料种类、用水量和处理时期有相当大的变动，污浊成分虽然比原汁液（BOD20000～50000mg/L）稀释了许多，但其BOD值仍达到3000～8000mg/L，必须经过处理才能排放到江河中。 加工1t马铃薯大约需要11m3的水。一个油炸马铃薯片厂，废水处理是一个长期问题。在去皮废水中含有10%～20%的碱液，不合理的油炸工艺造成脂肪皂化物的污染，在洗涤、去皮和烫漂废水中有残余淀粉和一些可溶性成分等。这些都使废水的BOD和COD值高，而对这类废水的回收利用难度也较大。 一、废水的初级处理 废水的初级处理主要是去除废水中呈悬浮状态的固体污染物，大多采用物理方法。当用筛子去除大的固形物（悬浮物和沉淀物）后，废水可以进入初级处理系统。初级处理系统实质上是一个长方形和圆形的澄清设备。它设有一个刮板机，用来去除固形物。刮板机安在底部或浮在顶部。澄清池中通常设有一个溢流堰。 1．格栅 格栅是由一组平行的金属或其它栅条制成的框架，斜臵在废水流经的渠道上或泵站集水池的进口处，用以截留悬浮状态的杂物。在废水处理流程中，格栅是一种对后处理装臵或水泵机组具有保护作用的处理设备。随着我国废水处理行业的不断完善，格栅的作用日益受到人们的重视，各地相继开发应用了一些新型格栅，比较成功的有圆条型回转细格栅、回转式固液分离机、曲面格栅。 2．重力分离
海南大学 天然产物化学论文 题目：马铃薯淀粉辐照效应 姓名： 学号：20090411310021 学院班级：材料与化工学院09化工 1 班
摘要： 马铃薯淀粉是我国第二大商品淀粉,其产量和用量仅次于玉米淀粉。尽管马铃薯淀粉具有淀粉颗粒大、糊化温度低、糊透明、口味温和等优良特性, 但与其他天然淀粉一样,也存在冷水溶解性差,淀粉糊黏度高且稳定性差,酶解和化学反应活性低等性质上的不足,限制了马铃薯淀粉在某些领域的应用。为此,采用物理、化学或生物方法对马铃薯淀粉进行改性处理,扩大其应用范围已成为一项重要的研究课题。γ-射线辐照作为淀粉改性的一种物理方法,具有经济、环保、高效、方便可行的优点,但有关淀粉的辐照效应还需系统地研究。本试验采用不同辐照剂量处理马铃薯淀粉,深入系统地研究了辐照剂量对马 铃薯淀粉颗粒性质、分子结构、理化性质、流变特性和酒精发酵的影响,旨在为将来辐照技术在淀粉工业中的应用以及辐照淀粉的最终使用提供参考和理论依据。本研究对于拓展辐照技术应用领域,扩大马铃薯淀粉的应用范围具有重要的现实意义。 关键词：马铃薯淀粉; γ-射线; 辐照; 剂量; 改性; 特性; Abstrac t： Potato starch is the second largest commodity starch, its production and use after the corn starch.Despite the large starch granules of potato starch with a gelatinization temperature is low, clear paste, mild taste and other excellent features, but as with other natural starch, there are also poor water solubility, high viscosity of starch paste and poor stability, low activity of enzyme and chemical reactions lack of such nature, limiting the field of potato starch in some applications. To this end, the use of physical, chemical or biological methods for modification of potato starch to expand its scope of application has become an important research topic. γ-ray
辐照效应（radiation effects） 固体材料在中子，离子或电子以及γ射线辐照下所产生的一切现象。辐照会改变材料的微观结构，导致宏观尺寸和多种性质的变化，对核能技术或空间技术中使用的材料是个重要问题。在晶体中，辐照产生的各种缺陷一般称为辐照损伤。对于多数材料而言，主要是离位损伤。入射离子与材料中的原子核碰撞，一部分能量转换为靶原子的反冲动能，当此动能超过点阵位置的束缚能时，原子便可离位。最简单的辐照缺陷是孤立的点缺陷，如在金属中的弗仑克尔缺陷对（由一个点阵空位和一个间隙原子组成）。级联碰撞条件下，在约10 nm 直径的体积内产生数百个空位和数百个间隙原子。若温度许可，间隙原子和空位可以彼此复合，或扩散到位错、晶界或表面等处而湮没，也可聚集成团或形成位错环。 一般地说，电子或质子照射产生孤立的点缺陷。而中等能量 (10-100KeV)的重离子容易形成空位团及位错环，而中子产生的是两种缺陷兼有。当材料在较高温度受大剂量辐照时，离位损伤导致肿胀，长大等宏观变化。肿胀是由于体内均匀产生的空位和间隙原子流向某些漏（如位错）处的量不平衡所致，位错吸收间隙原子比空位多，过剩的空位聚成微孔洞，造成体积胀大而密度降低。辐照长大只有尺寸改变而无体积变化，仅在各向异性显著的材料中，由于形成位错环的择优取向而造成。离位损伤造成的种种微观缺陷显然会导致材料力学性能变化，如辐照硬化、脆化以及辐照蠕变等。辐照缺陷还引起增强扩散，并促使一系列由扩散控制或影响的过程加速进行，诸如溶解，
沉淀，偏聚等，并往往导致非平衡态的实现。对于某些材料如高分子聚合物，陶瓷或硅酸盐等，另一类损伤，即电离损伤也很重要。入射粒子的另一部分能量转移给材料中的电子，使之激发或电离。这部分能量可导致健的断裂和辐照分解，相应的引起材料强度丧失，介电击穿强度下降等现象。 结构材料中子辐照后主要产生的效应 ·1）电离效应：指反应堆中产生的带电粒子和快中子与材料中的原子相碰撞，产生高能离位原子，高能的离位原子与靶原子轨道上的电子发生碰撞，使电子跳离轨道，产生电离的现象。从金属键特征可知，电离时原子外层轨道上丢失的电子，很快就会被金属中共有的电子所补充，因此电离效应对金属材料的性能影响不大。但对高分子材料会产生较大影响，因为电离破坏了它的分子键。 2）离位效应：中子与材料中的原子相碰撞，碰撞时如果传递给阵点原子的能量超过某一最低阈能，这个原子就可能离开它在点阵中的正常位置，在点阵中留下空位。当这个原子的能量在多次碰撞中降到不能再引起另一个阵点原子位移时，该原子会停留在间隙中成为一个间隙原子。这就是辐照产生的缺陷。 3）嬗变：即受撞的原子核吸收一个中子，变成一个异质原子的核反应。中子与材料产生的核反应（n，α），（n，p）生成的氦气会迁移到缺陷里，促使形成空洞，造成氦脆。 4）离位峰中的相变：有序合金在辐照时转变为无序相或非晶态。这是在高能中子辐照下，产生离位峰，随后又快速冷却的结果。无序
马铃薯淀粉设备选型 1概论 我国淀粉工业的现代化进程始于80年代。大工业化的集成工艺和设备，逐渐 取代了传统作坊式的生产。单产日加工能力从70年代末的十几吨，发展到目前的几千吨。在玉米、小麦和木薯淀粉行业，我国的产品质量、品种和生产规模已达国际篝水平。中国马铃薯淀粉工业的现代化进程起步较晚，直至90年代中期，才开始全面引进、应用、吸收，仿制具有先进代表性的西欧现代化马铃薯淀粉加工工艺和设备。目前，由于各设备制造商根据其本身的条件及中国市场特点，在中国市场推行几种不同设置的工艺，使中国马铃薯的淀粉工业界对马铃薯淀粉加工工艺的先进性、合理性和完整性缺乏统一认识。 2原料与产品 马铃薯原料对产品质量、收率和设备与使用寿命有着直接的影响，以下所讨论的工艺数据以下列原料为依据: 原料为适于生产食品级淀粉的马铃薯(按中国国标GB 8884-2007)，其成分如下:干物质占总重量的比例最小应为22.5%;淀粉含量占总重量的比例最小应为16%;蛋白含量占总重量的比例最大应为2.7%;粗纤维占总重量的比例最大应为1.9%;灰分占总重量的比例最大应为1.2%。 除此之外，马铃薯还需符合以下条件: 1) 马铃薯应在收获后一个月内加工; 2) 马铃薯不可受冻; 3) 马铃薯无发芽 4) 1kg马铃薯的个数最多15个; 5) 1kg马铃薯的坏损量不超过4%; 6) 进入工厂的未净化的不能含有超过5%泥沙和其它杂质。
淀粉质量如下: 1) 水分最大18%; 2) 灰分最大0.25%; 3) 蛋白质最大0.1%; 24) 斑点每cm不超过3个; 5) 白度(按照DEN6174)不低于90%。 6) 干燥后的淀粉必须经过筛分，细度为150微米筛，通过率为99.6%。 蛋白原料为马铃薯淀粉车间的未被稀释的细胞液，成分如下: 从马铃薯得到的细胞液含有1.4%-1.5%的可凝结蛋白,总蛋白含量大约 2.8%。马铃薯蛋白产品质量:8%-12%;蛋白含量大于80%干基。在国内还没有哪一家生产厂对蛋白进行回收。 3加工工艺 3.1淀粉生产车间 3.1.1净化和清洗系统 马铃薯进入储库之前须通过除土机尽可能地除去杂质。欧洲的马铃薯淀粉加工厂一般只自储3-7天的马铃薯原料。马铃薯由储库用水经流送沟输送至预处理车间，由土豆泵(无堵塞离心泵)提升，经除草机除草后流送到除石机，以除去石块及其它重杂质。并用水输送到鼠笼式清洗机，对马铃薯进行初清洗;再由水输送到桨式清洗机，进行彻底清洗。根据土壤特性也可选择两级鼠笼洗薯机清洗。然后由倾角螺旋输送机送入马铃薯储斗。每级洗涤水都排放进入沉淀池通过沉淀池净化后循环利用。 3.1.2锉磨 来自马铃薯储斗的马铃薯由带有可调速驱动电机的锉磨机给料螺旋送机输送至锉磨机.工厂处理马铃薯的能力可以通过调节此输送机的速度和流量来设定.锉磨机
浅析影响马铃薯淀粉七项主要指标的因素 通过四年来丽雪公司成品检验数据，结合实际工作经验，加上相关理论指导，对马铃薯淀粉水分、白度、灰分、二氧化硫、粘度、电导率、斑点等七项指标的影响因素进行粗浅分析，旨在更好控制马铃薯淀粉产品理化指标，增强顾客满意度，提高市场占有率。 标签：水分；白度；灰分；二氧化硫；粘度；电导率；斑点；理化指标 目前人们对再生资源非常重视，淀粉作为可再生能源之一，广泛应用在很多领域和日常生活中。马铃薯淀粉是自然淀粉中的一种，主要存在于马铃薯块茎中，是光合作用的产物。马铃薯是淀粉生产的主要原料之一，其产量和数量仅次于玉米，居世界第二位，我们在重视马铃薯淀粉的产量和数量的同时，有必要深入认识影响马铃薯淀粉的各项指标的因素及性质用途，并根据马铃薯淀粉的性质及用途，有针对性地改良马铃薯淀粉专用品质，以生产、加工出适合市场的需要的马铃薯淀粉。鉴于马铃薯淀粉的重要地位，结合多年马铃薯行业实践经验，对马铃薯淀粉各项指标的主要影响因素做粗浅分析。 1 观察连续四年产品批次及七项指标情况 分别跟踪抽取丽雪精淀粉公司马铃薯加工过程中2009年、2010年、2011年、2012年四年马铃薯精淀粉样本做各项指标检测，在生产过程中2009年的各项指标在常规状态下进行，在2010年、2011年、2012年有目的对马铃薯原料品种、生产用水、CIP清洗，精制工艺各个参数、水处理及干燥工艺的温度、压力等各环节进行了控制。 1.1 结果 对2009年、2010年、2011年及2012年四年马铃薯淀粉加工过程中各项指标进行了比对： 即在2009年度的生产过程中，连续抽取了9月份40个批次，10月份连续抽取了26个批次，共计66个批次。 2010年连续抽取了9月6日到10月8日的86个批次。 2011年连续观察了8月28到9月28的62个批次。 2012年连续抽取9月12日至12月8日164个批次 1.2 各项指标总体分析 从以上2009年至2012年统计表生产数据看出，总体指标趋于稳定，控制良
第五章辐照效应
辐照损伤是指材料受载能粒子轰击后产生的点缺陷和缺陷团及其演化的离位峰、层错、位错环、贫原子区和微空洞以及析出的新相等。这些缺陷引起材料性能的宏观变化，称为辐照效应。 辐照效应因危及反应堆安全，深受反应堆设计、制造和运行人员的关注，并是反应堆材料研究的重要内容。辐照效应包含了冶金与辐照的双重影响，即在原有的成分、组织和工艺对材料性能影响的基础上又增加了辐照产生的缺陷影响，所以是一个涉及面比较广的多学科问题。其理论比较复杂、模型和假设也比较多。其中有的已得到证实，有的尚处于假设、推论和研究阶段。虽然试验表明，辐照对材料性能的影响至今还没有确切的定量规律，但辐照效应与辐照损伤间存在的定性趋势对实践仍有较大的指导意义。
5.1 辐照损伤 1. 反应堆结构材料的辐照损伤类型 反应堆中射线的种类很多，也很强，但对金属材料而言，主要影响来自快中子，而α，β，和γ的影响则较小。结构材料在反应堆内受中子辐照后主要产生以下几种效应： 1) 电离效应：这是指反应堆内产生的带电粒子和快中子撞出的高能离位原子与靶原子轨道上的电子发生碰撞，而使其跳离轨道的电离现象。从金属键特征可知，电离时原子外层轨道上丢失的电子，很快被金属中共有的电子所补充，所以电离效应对金属性能影响不大。但对高分子材料，电离破坏了它的分子键，故对其性能变化的影响较大。
2) 嬗变：受撞原子核吸收一个中子变成异质原子的核 反应。即中子被靶核吸收后，生成一个新核并放出质子或α带电粒子。例如： 嬗变反应对含硼控制材料有影响，其它材料因热中子或在低注量下引起的嬗变反应较少，对性能影响不大。高注量（如：>1023 n/m 2）的快中子对不锈钢影响明显，其组成元素大多都通过（n,α)和（n,p）反应产生He 和H ，产生辐照脆性。 He Li n B 42731010 5+→+H N n O 1116 7168 +→+
中子辐照生物效应的理论分析 中子作为构成原子核的基础粒子，它不带电，与物质的相互作用通常是与原子核的相互作用。碳氢氧氮等元素在生物体内的含量很多，中子与生物体的相互作用主要就是与这几种元素原子的相互作用，中子与它们相互作用的概率大小同中子能量有很大的关系，在入射中子能量小于30Mev时，中子同这几种元素的作用类型以弹性散射为主，并在2~10Mev能区存在程度不同的共振。中子诱导的生物效应要高于γ射线，并且中子生物效应还同中子能量、剂量、物理生物因素以及生物终点密切相关。 关键词：中子，生物效应，弹性散射，
第一章引言 1.1中子的性质与应用 1.1.1中子的粒子性与波动性 中子存在于除氢以外的所有原子核中，是组成原子核的重要组分之一，中子主要来源于反应堆、加速器、放射性核素等中子源。自从1932年恰徳维克等人发现中子以来，人们对中子的性质进行了广泛的研究。中子会以高度凝聚态的形式构成中子星物质。[1] 中子的粒子性[1] [2] 质量：chadwick发现中子是通过测量α轰击Be核所产生的未知射线与H、Li、Be、B、C、N等轻核碰撞所产生的反冲核能量，根据能量、动量守恒的规律推算该射线粒子质量的实验完成的。通过某些有中子产生或吸收的核反应，根据运动学关系求出中子质量、中子质子质量差值，是确定中子质量的基本方法。 自旋：中子是自旋为?的费米子，遵守费米统计分布，服从泡利不相容原理。 磁矩：氘核的磁矩小于质子的磁矩表明中子和质子具有相反的磁矩，由磁共振谱仪可以推测出中子磁矩为μn=-1.913042μN，负号表示磁矩矢量方向和自旋角动量方向相反。电中性的中子具有磁矩说明中子内部有结构。在夸克模型中，中子由u、d、d三个夸克组成，分别具有电荷e、- e。 中子寿命：Chadwick于1935年指出自由中子不稳定，它会衰变放出一个质子、一个电子、和一个反中微子并放出0.782Mev的能量；半衰期为10.61±0.61min。这表明了中子的静止质量大于质子质量的实验事实。实验观察到中子衰变是通过从反应堆中子束经电偏转引出正离子，并鉴定正离子为质子而确认的。 中子的波动性[1] [2] 同其他粒子一样，中子除具有粒子性之外还具有波动性。自Chadwick发现中子后，很快观察到热能化中子在多晶铁样品上类似于衍射图像的散射角分布。中子波动性对于中子波在物质结构研究中的应用具有重要意义。电子或电磁辐射与
马铃薯淀粉的研究及应用 摘要:介绍了马铃薯的生产概况、马铃薯淀粉的特性及其在各行业中的应用, 展望了我国马铃薯淀粉行业的发展前景。 关键词:马铃薯淀粉；变性淀粉；应用 Study on potato starch and its application in the industry Abstract:This article introduced the general situation of potato and potato starch, and the properties of potato starch and its application in the industry. The prospect of potato starch in our country was also foreseen. Keywords: potato starch；denatured potato starch；application 马铃薯是一种广为种植的经济作物, 主要生长在北纬35°-50°、光照强、昼夜温差大、气候冷凉的沙质土壤带。目前全球生产马铃薯的国家有100 多个, 主要分布在亚洲、非洲、欧洲及美洲等地, 中国、俄罗斯、波兰等是马铃薯的主要生产国, 总产约3×108 t（周庆锋，2006）。2005 年12 月28 日, 联大在结束会期的最后一天通过决议, 宣布2008 年为“国际土豆年”, 以显示马铃薯在世界粮食生产中的重要性。我国马铃薯种植分为华北、西北、东北、西南四大产区, 种植面积较大的省( 区) 有贵州、内蒙古、云南、甘肃等（李军等，2007）。我国2005 年马铃薯种植面积488.09×104 hm2, 约占世界种植面积的25% , 单产14.5 t/hm2, 总产量7 086.5×104 t，分别占全世界总产量的19% 和亚洲的70% , 居世界首位。目前我国马铃薯大多作为鲜食, 工业化加工转化率不到5% ，而发达国家高达80%以上（王秀芳，1998）。这一方面说明我国马铃薯产业化的水平很低, 同时也说明了马铃薯产业中蕴含着巨大的潜力。因此大力发展马铃薯产业是农业产业结构调整和增加农民收入的重要途径。鲜马铃薯中的淀粉含量一般为9% ~25%, 由于马铃薯淀粉及其变性淀粉具有很多优良特性, 因此在各行业中得到了广泛的应用。 1 马铃薯淀粉的生产概况 1811 年, 美国生产出了首批马铃薯淀粉, 19 世纪70 年代开始规模化生产（张洪微等，2003）。目前, 全球马铃薯淀粉年产量约600×104 t, 其中欧盟国家的产量最大,亚洲是马铃薯淀粉国际市场的重要销售地区。美国和日本等发达国家直接以马铃薯为原料加工的各类食品有300 多种, 制成淀粉、各种类型的变性淀粉及淀粉深加工产品达上千种。在我国, 马铃薯淀粉产业起步晚, 加工水平相对较为落后, 主要表现在生产效率低、效益差、综合利用率低。随着近年来我国马铃薯种植水平的提高和种植面积的扩大, 马铃薯淀粉的产量也随之大大提高, 截止到2006 年, 我国马铃薯淀粉的产量已经突破了80×104 t。而目前国内
IGBT特性的中子辐照效应 The Effects of Neutron Radiation on the Characteristics of the IG B T 西安电力电子技术研究所 袁寿财 (西安 710061) 摘要:简述了中子辐照对IG B T特性的影响;给出了器件在中子辐射注入剂量高达1013n/cm2时的实验结果。实验发现,随着中子注入剂量的增加,开关时间缩短、阈值电压漂移。对研究的注入剂量范围,所观察到的中子效应是因IG B T少子寿命的减少造成的,而不是因有效掺杂浓度的变化引起的。 Abstract:In this paper,the effects of neutron radiation on the characteristics of IG B T are sim ply de2 scribed.Experimental results are presented for the devices that have been irradiated with a fluence u p to1013n/ cm2.It is found that the switching time decreases and the threshold voltage shifts with increasing neutron flu2 ence.For the range of fluence studied,the observed effects are caused b y reduction of minority carrier lifetime in the IG B T and independent of the changes in the effective dopant concentration. 叙词:中子辐照/绝缘栅双极晶体管 开关时间 阈值电压 K eyw ords:neutron radiation/IGBT;switching2time;threshold2voltage 1 引 言 近年来,IG B T作为功率开关,广泛用于各个工业领域,并越来越受到人们的关注。本文简要分析了IG B T器件的关断特性,讨论了提高IG B T工作频率、缩短IG B T关断延迟的中子辐照效应,并对IG B T静态参数及开关特性进行了中子辐照实验,对比分析了实验结果。指出尽管辐照可提高器件的开关速度,但也会带来器件相关参数漂移和器件特性退化等问题。2 IGBT关断特性的分析 图1示出IG B T的基本等效电路[1]。初看起来,IG B T就象是由n沟MOSFET提供基极电流的pnp双极晶体管。当IG B T处于导通状态时,p+n结正偏,空穴从p+正向注入到n外延层中。这些空穴在基区漂移与/或扩散,部分与经过MOSFET沟道流入外延层的电子复合,剩余部分到达pnp晶体管的集电结,该结被MOS2 FET的漏2源电压反偏,所以这些剩余的空穴被扫入集电极并形成pnp的集电极电流I c。 当IG B T处于关断状态时,在器件完全关闭之前,注入到n外延层的少数载流子必须重新复合完毕,该过程一般在4μs以上,它的影响在图2所示的漏2源极电流波形中为一拖尾。 为使IG B T关断,必须使栅压低于阈值电压,这样即迅速去除了MOSFET的沟道电流,也消除了提供给双极晶体管的基区电流。尽管基区贮存电荷必然衰减,但双极晶体管的I c下降缓慢。对一定的漏2源极电压,IG B T关断时的漏2源极电流波形可理想化为图3,以简化分析 。 图1 IG B T 的等效电路 图2 IG B T关断时的电流、电压波形(2μs/格) 图3 IG B T关断电流波形(图2)的理想化分析 (纵坐标:5A/格;横坐标:2μs/格) 19 《电力电子技术》1997年第2期 1997.5