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我有几个与该主题相关的问题…在阅读了有关这些影响和光电等内容后，我对一些方面感到困惑。

  1. 标题基本上是，
  2. 根据光电效应，我预计金属、电路中的传感器等会因高频辐射而发出电流。让我们考虑一个光电二极管 – 我知道产生的电流量取决于强度，而发射电子的能量取决于频率。这种增加的能量如何转化为电响应？我的电流表会显示频率的任何变化吗？
  3. 这种高能电子会损坏电子电路吗？如果不会，原因何在？如果会，为什么我们在 X 射线机上没有看到这种情况？
  4. 对于光电二极管和光传感器等电子设备，如果暴露于高频光（强度相同）——基本上超出预期范围——它们是否会受损？如果是，那么又回到最初的问题——为什么在 X 射线中不会发生这种情况？

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    您是否尝试过根据表面面积和该表面面积上的平均 X 射线机入射功率来计算光电流？您是否考虑到导体不是 PN 结，因此不存在真正的直流效应。
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    并补充另一条评论：所有设备都已关闭……
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    单粒子效应（如单粒子翻转、单粒子闩锁等）通常是由高能粒子引起的，当它们撞击时，会将能量沉积到基板或结点或 DRAM 中的电容器中，从而产生这种效应。
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    @SolarMike 通常情况并非如此，对吧？没有人会关掉他们的手表，如果我不得不猜的话，大多数人不会关掉他们的手机（而如今的手机通常会定期检查其光传感器；有些手机也会意外打开摄像头，特别是因为它们在放入垃圾箱时是锁定的，但可能被意外激活，现在需要面对面解锁），实际上没有人可以关闭 RTC，因此笔记本电脑和手机中必要的电源电路……
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    下次将手机送入，并让摄像头以视频模式运行，您肯定会看到一些热像素，尤其是当机场使用 CT 扫描仪时。幸运的是，这些只是暂时的。
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最佳答案
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简短回答： X 射线光子的强度不足以引起单粒子翻转，但幅度很小。PCB 和芯片结构提供部分屏蔽，单个位翻转不太可能造成明显影响。

受影响的组件

这个问题很广泛，因为许多电子元件都会以不同的方式受到辐射的影响。其中最常见的是：

  • 闪存：辐射会影响隔离栅电极中的电荷，从而改变存储的信息。辐射还会降低绝缘层的性能，造成长期损坏。
  • 动态RAM：辐射会改变栅极电容中存储的电荷，从而改变存储的信息。定期刷新可降低这种可能性。
  • 静态 RAM 和其他逻辑：这些没有浮动电荷存储，因此任何干扰辐射都必须在中发生。单个光子需要具有足够高的能量才能在电压有时间通过​​电路线均衡之前改变晶体管的状态。如果能量更高，可能会对绝缘层造成永久性损坏。

扫描仪中使用的 X 射线光子能量范围约为 20 keV 至 50 keV。对于有效晶体管栅极电容从 100 aF 开始，并随着晶体管尺寸的增大而增加。从我们可以计算出，在 50 keV 和 100 aF 的情况下，单个光子可导致高达 400 mV 的电压变化。由于 CPU 核心电压约为 1.2 V，这接近逻辑中任何地方可能发生位翻转的水平。实际上，布线电容和从 X 射线光子到晶体管的不完美电荷传输会大大降低发生位翻转的概率。

对于闪存和 DRAM 内存，还有一个问题，因为能量不一定来自单个光子。相反，电荷可以通过多次撞击积累。
给出了 110 nm 闪存单元的电容为 90 aF。这有点过时了，但另一方面，较小的技术节点不会随着介电距离和面积的减小而快速降低电容。几个 X 射线光子击中同一个单元很容易改变其位值。

DRAM 内存单元的电容 (= 6000 aF)。这个电容足够高，需要数百个光子。由于 DRAM 会定期刷新，因此这 100 个光子必须在 50 毫秒内击中单个单元。

如果辐射强度足以取代芯片结构中的原子，则可能会发生永久性退化。然而，我所能找到的所有关于辐射导致永久性 IC 损坏的研究都是从 5 MeV 光子能量开始，一直到 100 MeV 或更高。因此，可以合理地预期，低于 50 keV 的 X 射线不会产生这种影响。

光子通量

机场扫描每次通过扫描仪时，剂量约为 0.2 mSv。根据 50 keV 光子能量计算，这相当于每公斤组织吸收约 25e9 个光子。与大约高 10 倍。考虑到密度，每立方米约有 6e14 个光子。

对于芯片上的 10x10x50 纳米晶体管门，我们平均每 30 亿个晶体管会吸收一个光子。由于布线电容和电感，金属布线受到的影响会减小。如果我们计算整个芯片面积，每次扫描我们大约会吸收 100,000 个光子到芯片有源层中。

典型的芯片有几十亿个晶体管，因此很有可能至少有一个晶体管会直接受到撞击。数千个晶体管会通过布线间接受到撞击。但是，单个晶体管在一次扫描中被多次撞击的可能性极小。如果我们将闪存留在 X 射线扫描仪中，几年后我们可能会开始出现位错误。

屏蔽

上述讨论假设辐射到达元件时没有衰减。但通常情况并非如此。

在元件层面，高级芯片通常采用结构。芯片的有源部分朝向 PCB 表面放置。从底部，PCB 材料和任何铜接地层会屏蔽该部分，从顶部，无源硅会屏蔽该部分。任何被这些材料吸收的光子都不会影响芯片的功能。

此外，出于 EMC 方面的考虑，通常需要在 PCB 或外壳上安装金属屏蔽。这可以进一步保护元件。

作为参考，以下是相关材料的X射线。衰减长度是能量在经过1/e = 36 %之后剩余的距离。

  • 铜：50 µm
  • FR4（玻璃+环氧树脂）：5 毫米
  • 硅：1 毫米
  • 铁：100 µm

吸收量并不大，但算上典型手机的所有部件，我们至少会发现有 2 个吸收长度的材料。通过查看电子设备的 X 射线图像可以证实这一点，电子设备看起来大部分但不完全不透明。

这进一步降低了上面计算的光子命中的概率。

错误的影响

高密度闪存芯片使用来纠正随机数据错误。这些错误通常是由于电气噪声和制造缺陷造成的，但同样的机制也可以纠正辐射引起的单个比特错误。

消费级逻辑电路不包含任何校正电路，因此位翻转将直接影响结果。位翻转的影响取决于芯片正在做什么。在典型使用中，CPU 内核大部分时间处于空闲状态，位翻转完全没有影响。如果 CPU 正在处理视频或照片内容，则很少会注意到单个像素的颜色错误。但如果位翻转影响内存地址，则可能会导致单个应用程序或整个操作系统崩溃。

有时光子撞击可能会导致情况，过大的电流会流过并烧毁晶体管。现代芯片设计有一定的耐受性和抗闩锁能力，因为闩锁可能是由静电放电和其他电压尖峰引起的。无论如何，闩锁需要比位翻转高得多的光子能量。

与其他辐射源的比较

单光子能量更高（100 kEv 及以上），但通量较低（每小时每芯片约 1 次撞击）。宇宙射线每秒撞击芯片的风险较低，但它们始终暴露在外。而且由于能量高，宇宙射线撞击晶体管时更有可能产生位翻转或其他效应。

地球大气层阻挡了大部分宇宙辐射。有多少辐射能穿透，取决于高度。飞机飞行过程中辐射的增加部分被金属结构提供的屏蔽所抵消，而且无论如何，你在地面上度过的时间比在飞机上要多。

结论

安全裕度很小，但在目前的芯片技术和X射线光子能量水平下，单粒子扰动不太可能发生。

未来芯片技术的发展可能会将内部电容降低到风险变得实际显著的水平。这可以通过添加更多屏蔽层来抵消。

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    非常感谢您的详细回答！我非常感谢您总结不同类型组件的影响。您能帮助我理解我关于光电的基本问题吗？光子能量的变化如何转化为电响应？
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    @needbrainscratched 这可能更适合物理 SE。简短的解释是光子能量使电子错位。我必须承认，这里的答案有点简单化，因为不仅光子的能量很重要，而且芯片内电子的能级也很重要。
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    @needbrainscratched 这里有一些资源可以帮助你：、。其中，A 是高级资源，B 则非常技术化。特别是，查看 A 第 11 页的图表，它显示了高能粒子如何离开电离轨道，直到其能量耗尽。
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您的计算机在行李 X 光检查机中接收的总辐射剂量（假设它处于睡眠模式）约为 1mrad。这大约是它一天中从背景辐射中接收的辐射剂量。因此，如果您没有看到数据一直翻转，只是在那里放了几天……

能量也相对较低，约为 20keV，为“软”X 射线。根据下文所述，阳极电压为 55kV 时，峰值发射在 15-25keV 范围内。

相比之下，对于某些应用，我们使用能量高出数百倍的粒子进行测试。在这种能量水平下，可以观察到参数偏移、干扰和累积设备损坏，这并不奇怪。

Yang Zhang 等人在 DOI 10.7567/1347-4065/aae9f6中研究了 45 nm SRAM 中 X 射线引起的单粒子软错误，其中的一些信息表明，使用阳极电压为 55kV 的飞利浦 X 射线机，2M x 16bit SRAM 中出现重大错误需要数 krad。

在过去的一两天里，我将我的电脑（处于睡眠模式）放在了 5 台不同的 X 射线机上，并没有发现任何问题——当然，如果 32G 中的一两位被翻转了，我可能不会注意到。

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    我要补充一下个人经历，那是在美国 9/11 事件之后的改变/改进之前。我带上了我的 NaI 闪烁装置。我在起飞前、在家时以及在飞往伯班克的途中在大约 35,000 英尺的高度再次进行了读数。我对结果感到非常惊讶。就软组织损伤而言，那次 2 小时的飞行（从波特兰到伯班克，稍短一些，但也不短）产生了大约一年的在家剂量。高空的铝管在机舱内产生宇宙射线流。鉴于此，我一点也不担心正在使用的安全系统。
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    @periblepsis 很好。我猜铝也会变得有点放射性——在粒子加速器光束中它显然会产生2424^{24}Na 的半衰期为 15 小时。因此，即使是机舱清洁工也会受到一定程度的接触。
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我只想根据我在航天工业工作的经验补充几点。我们通常将辐射对半导体器件的影响分为两类：总电离剂量 (TID) 和单粒子效应 (SEE)。

当半导体受到电离光子（TID 的主要来源）的撞击时，它必须以“正确的方式”受到撞击才能产生影响。对于数字电路晶体管，主要易受影响的组件是栅极绝缘体，通常是二氧化硅。电离辐射会随着时间的推移给该栅极绝缘体充电。这会增加漏电流并改变设备的 Vgson。如果 TID 足够高，则无论栅极电压如何，晶体管都可以永久开启。然而，这需要比 X 射线扫描仪提供的更多的曝光。仅仅乘坐飞机就可能使电子设备受到比扫描仪更多的辐射。受 TID 影响的半导体在暴露后会退火，并且绝缘体中积累的大部分电荷最终会消散。

另一方面，如果X射线撞击晶体管的栅极电极，它绝对可以产生电流，但是其能量不足以对栅极进行充电并打开栅极，除非在栅极再次被电路驱动之前有多束X射线撞击栅极（这种情况不太可能发生）。

对于模拟设备，X 射线会影响信号。虽然能量不足以引起数字位翻转，但足以在模拟信号中产生错误。当我们对图像传感器进行辐射测试时，这一点很明显。在测试过程中，传感器会受到伽马射线的轰击，输出图像看起来就像丢失信号的旧电视机产生的灰色静电。当我们关闭辐射时，由于栅极绝缘体中的电荷，一些静电会残留，但由于传感器退火，大部分静电会在几天后消失。同样，能量不足以损坏图像传感器。对于光电二极管来说，这些波长的量子效率非常小。大多数 X 射线或伽马射线要么被反射，要么直接穿过，根本不与二极管相互作用。

无论是在数字情况下还是在模拟情况下，X 射线和伽马射线光子通常都没有足够的能量来引起单粒子效应。如果条件合适，它们在某些情况下可以引起单粒子效应，但通常不会。单粒子效应通常由高能粒子（通常是宇宙射线或更重的高能粒子，如质子或中子）引起。这些事件可能导致位翻转、闩锁、栅极破裂或许多其他问题。

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