[发明专利]一种用于半导体器件剂量率效应实验的精密控温装置

说明书

技术领域

本发明属于半导体器件物理实验领域，具体涉及一种用于半导体剂量率效应实验的精密温度加载与控制装置。

背景技术

双极型器件被大量应用于航空航天仪器仪表、核医疗器械以及核电站设备等领域。由于工作在辐射环境下，这类半导体器件受到辐照后，功能将出现退化，对电子学系统性能产生严重的影响，进而对设备整体可靠性带来极大隐患。自上世纪60年代发现半导体器件在空间受到粒子辐照后导致性能失效以来，半导体器件的辐射损伤效应引起科学家们广泛的关注。1991年，美国E. W. Enlow等人发现双极型器件具有低剂量辐射损伤增强效应（Enhanced Low Dose Rate Sensitivity， ELDRS），即某些特定结构的器件在受到低剂量率辐照下产生的辐射损伤，比在高剂量率条件下产生的损伤要大得多。

为了评估使役环境下半导体器件辐射损伤效应的影响，研究人员通常采用地面辐照实验开展模拟研究。但是对于ELDRS中典型剂量率(10^-4 ～10^-2rad(Si)/s)的模拟实验，存在辐照实验耗时长、费用高等弊端。为了解决这一难题，研究人员相继提出多种模拟低剂量率损伤增强实验的方法。其中高温高剂量率辐照实验即为一种有效的等效实验手段，利用该方法可大幅缩减辐照实验时间，进而降低实验成本。

为顺利开展高温高剂量辐照实验，有两个因素必不可少。一是稳定且剂量率可调的辐射场环境；二是可工作于高剂量辐照环境，对伽马射线几乎“透明”的高精度、温度均匀性良好的温度加载装置。对于第一个条件，国内多家科研院所及高校如中科院新疆理化物理所、中科院近代物理所、中物院核物理与化学研究所、北京大学和哈尔滨工业大学等均可提供满足条件的辐射场环境。但对于第二个条件，由于限制因素诸多，尚未发现有企业或科研机构提供完全满足要求的高温加载设备。鉴于此，本申请人设计了一种用于半导体器件剂量率效应实验的精密控温装置。

发明内容

本发明的发明目的是提供了一种用于半导体器件剂量率效应实验的精密控温装置，该装置，特别适用于高剂量伽马射线辐照环境下，模拟低剂量率损伤增强实验。

本发明的技术方案如下：

一种用于半导体器件剂量率效应实验的精密控温装置，其特征在于，包括：耐高温陶瓷结构、远程控制线缆、电气温控结构和计算机，耐高温陶瓷结构用于放置样品，耐高温陶瓷结构通过远程控制线缆连接电气温控结构，电气温控结构连接计算机。

对于上述耐高温陶瓷结构，具体设计如下：

所述耐高温陶瓷结构为外壳和内壁形成的双层结构，外壳和内壁均采用耐高温陶瓷制作，所述陶瓷的主要成分为三氧化二铝，受到长时间辐照不会产生活化效应。所述内壁呈筒状，中间设置样品盒，样品盒的两端通过绝热环径向安装于内壁的中间位置；所述外壳也呈筒状，外壳和内壁之间的空腔内设置有若干同轴向环形均匀分布的耐高温的陶瓷管，可以沿轴向按等间距排列设置多圈陶瓷管，陶瓷管内均设置有贯穿陶瓷管的电阻丝；所述外壳和内壁之间的空腔内，陶瓷管周围填充隔热层，隔热层采用陶瓷纤维制作。

所述内壁的两个端口分别为粒子入射窗口和粒子出射窗口，内壁的中空部分为粒子流通道，通入的粒子流穿过样品盒中的样品。所述粒子入射窗口和粒子出射窗口均采用二氧化硅或铝材料制作，不会影响伽马射线入射到辐照样品表面。

所述样品盒采用铝材制作，样品盒设计为圆柱体形状，样品盒与精密控温装置内壁之间设计有绝热环，避免内壁与样品盒之间发生接触式热传导效应。进一步的，所述样品盒有多种规格，可根据辐照样品尺寸任意更换。所述外壳的上端设置有用于与远程控制线缆连接的电缆接口；所述电阻丝穿过陶瓷管连接于电缆接口上，通过电缆接口与远程控制线缆连接。

对于上述电气温控结构，具体设计如下：所述电气温控结构包括电气控制柜和温控仪，温控仪安装于电气控制柜上并通过线缆与电气控制柜内的热电偶连接；所述热电偶为K型或S型热电偶。

对于精密控温装置整体而言，电阻丝通过电缆接口连接远程控制线缆，远程控制线缆连接电气控制柜，通过与热电偶连接的温控仪，可实时监测样品盒内部温度。

所述精密控温装置的控温范围为：室温~250摄氏度，控温精度优于1摄氏度。

所述电阻丝加热产生热辐射方式控温，相比聚光灯加热方式，聚光灯加热的发光组件不可长时间工作于高剂量辐照环境，且光辐射加热通常工作在开放区间，不利于对温度精度和均匀性的控制。