f W f 1 EnfvtteM Nuelm

AUTARQUIA ASSOCIADA A UNIVERSIDADE DE SAO WVULO

DOPAGEM DE SILCIO MONOCRISTAUNO PELA TRANSMUTAO COM NEUTRONS

JOS RICARDO SEBASTIO

Dissertao apresentada como parte dos requisitos para obteno do Grau de Mestre em Tecnologia Nuclear.

Orientador: Dr. Rajendra Narain Saxena

So Paulo 1992

DOPAGEM DE SILCIO MONOCRISTAUNO PELA TRANSMUTAO COM NEUTRONS

JOSE RICARDO SEBASTIO

Dissertao apresentada como parte dos requisitos para obteno do Grau de Mestre em Tecnologia Nuclear.

Orientador: Dr. Rajendra Narain Saxena

So Paulo

1992

NDICE

INTRODUSO

CAPITULO I

Estrutura cristalina do SI e materials send.condutores

1.1 Estrutura cristalina do Si........ 04

1.2 Estados de energia dos eltrons em um cristal... 04 1.2.1 Condutores , isolantes e semicondutores 07

1.2.2 Propriedades bsicas dos materiais semicondutores ... 08 1.2.3 Problemas na dopagem do Si pelo mtodo convencional.. 10 1.3 Mercado do Si 13

1.4 Crescimento de monocristais de Si 14

CAPITULO II

Dopagem do Silicio pela Transmiutao com Neutrons Tcnica e Metodologla.

11.1 Introduo 17

11.2 Consideraes gerais sobre reaSes nucleares no

processo NTD 18

II.2.1 ReaSes nucleares induzidas pelos neutrons 19

11.3 Relao entre dose de neutrons e Resistividade 24

11.4 Danos causados pela irradiao e tratamento Trmico ps irradiao 28

II.5 Medio da resistividade nas lminas de Si, 30

CAPITULO III

Equipamentos Utilizados e Procedimentos

11.1 Introduo 33 11.2 Reator lEA-Rl 34

11.3 Dispositivo de irradiao do Si 34 11.4 Arranjo experimental para monitorao da ativi

dade residual de P^* do cristal de Si 36 11.5 Detectores utilizados 37

11.5.1 Detector SPND 37

11.5.2 Detectores gama-Detectores de Cintilao 40 11.5.3 Detectores Beiger - Muller 41 11.6 Monitorao de Fluxo de neutrons 41

11.7 Calibrao do detector Geiger 43 11.8 Calibrao do detector SPND 46

CAPITULO IV

Resultados Exper1mentais

IV.1 Medida do fluxo de neutrons 48 IV.2 Medida do fator "self-shielding" e razo de cdmio ... 51 IV.3 Determinao do perfil vertical do fluxo de neutrons

na posio de irradiao das amostras de Si..... 56 IV.4 Determinao da eficincia do detector GeigerMueller

e c4culos pelo mtodo de Monte Carlo............ 58 IV.5 Calibrao do detector SPND 62 IV.6 Irradiao de tarugos e lminas de Si no Reator lEA-Rl

do IPEN-CNEN/SP 63 IV.7 Anlise da Homogeneidade na Resistividade das Lminas

de Si Dopadas pela Tcnica NTD. , 70

CAPITULO V

DiscussSo dos Resitados e ConclusSo.

73

Aos meus filhos

AGRADECIMENTOS

- Ao Dr. Rajendra Narain Saxena, pela oportunidade, orientao, incentivo e compreenso nos momentos difceis no transcorrer deste trabalho.

- Agncia Internacional de Energia Atmica ( lAEA ), pelo financiamento do projeto para o desenvolvimento do trabalho de irradiao de silicio monocristalino no Reator lEA-Rl do IPEN.

- Empresa Heliodinmica, em especial ao Sr Valentino e Eng- Reinaldo, pelo fornecimento das amostras de

monocristais de silicio e tratamento trmico.

- Ao Dr. Mauro da Silva Dias, pelo precioso apoio e

sugestSes, sem o qual grande parte deste trabalho nSo

teria sido alcanado.

- Dr- Marina Fallone Koskinas e a sua equipe do laboratrio de Metrologia Nuclear do IPEN, pelas medidas e preparao de amostras.

- Ao Sr Robert, .do Laboratrio de Microeletrnica da POLI, pelas sugestSes e fornecimento de amostras de monocristais de Silicio.

- Ao Dr. K. Heydorn, do Laboratrio Nacional de Riso, Dinamarca, pela orientao na conduo do desenvolvimento do trabalho de irradiao dos monocristais de Silcio.

- A todos os Componentes da Diviso TFF.

RESUMO

Transformao nuclear do silicio em ncleos

de fosforo aps a reao de captura de um neutron trmico

Si^** (n,;^) Si^* . P^ * + (T

foi desenvolvido em uma tcnica eficiente para dopagem dos monocristais de silicio com fsforo. Devido a melhor homogeneidade e preciso de dopagem que resultam do processo

"Nuclear Transmutation Doping - (NTD)", um material semicondutor com caractersticas muito superiores obtido para aplicaes em diversos dispositivos do que quando

obtido com dopagem quimica convencional.

Um dispositivo especial foi projetado, construido e instalado junto ao ncleo do reator de pesquisa lEA-Rl, de 2 MW, tipo piscina, para irradiao de

monocristais de silicio de at 4 polegadas de dimetro. Medidas extensivas e cuidadosas de um perfil vertical de

fluxo de neutrons na posio de irradiao foram realizadas.

A irradiao controlada por dois detectores de prata tipo "self-powered" instalado junto ao dispositivo. A dose final de neutrons medida por monitore^ de cobalto irradiados Junto com cristais de silicio.

Os experimentos realizados mostram a

possibilidade de irradiao de cristais de silicio de at 40 cm de comprimento ( dois tarugos de 20 cm de comprimento cada um ) resultando numa uniformidade de dopagem melhor do que 10% (axial) e 2.7. (radial). Valores de resistividade finais da ordem de 32-35 Ocm foram alcanados para cristais

de silcio de alta resistividade tipo float-zone (FZ) com irradiao durante um periodo de 28-30 horas (dose de neutrons 8-9., 10*'' n/cm^). A produo comercial do silicio NTD com uma capaidade modesta de aproximadamente 400 Kg por ano, parece vivel dentro do presente esquema de operao do reator.

ABSTRACT

Nuclear transformation of silicon into

phosphorus nuclei following thermal neutron capture reaction

Si^" ln,r) Si'* > P^' + ft-

has been developed in to a very efficient technique for

doping monocrysta1line silicon with phosphorus. Because of

superior doping homogeneity (small spreading resistance) and doping accuracy ( resistivity very close to the target value) which results from the neutron transmutation doping NTD process, a far better semiconductor material is obtained

, far a number of devices applications, than what can be

obtained through conventional chemical doping.

A special irradiation rig has been designed

constructed and installed at the 2 MW pool type lEA-Rl

research reactor for doping single crystals of silicon up to

4 inches in diameter. Very careful and extensive

measured of vertical neutron flux profile at the irradiation

position have been carried out. The irradiation is

controlled by two silver self powered neutron detectors

placed close to the crystal positipn. The final neutron dose

is measured by cobalt monitors which are irradiated together

with the silicon crystals.

Test experiments indicate the possibility of

irradiating up to 40 cm long crystals ( two peaces of 20 cm each ) resulting in the doping uniformity better than 10 percent (axial) and 2 percent (radial). Target resistivity values of the order of 32-35 Ocm have been reached for float

zone (FZ) high resistivity silicon crystals irradiated through a period of approximately 28-30 hours (neutron dose

8-9.10*^ n/cifl^). Commercial production of NTD silicon with the modest capacity of approximately 400 Kg for year seems

possible considering the present operation schedule often

reactor.

INTR0DU20

A descoberta do elemento silicio ( Si ) data por volta do sculo XIX nas dcadas de IO, e 20. Este elemento no se encontra livre na natureza, mas sim principalmente na forma de xidos e silicatos. O silicio est presente no sol e estrelas e um componente principal de uma srie de meteoritos conhecidos como aerolitos C38]. O silicio perfaz 25,7 7. da crosta terrestre, em peso, e o segundo elemento mais abundante, depois do oxignio. Areia, quartzo, ametista, gata, pedra e opala so algumas das formas no qual o silicio aparece como xidos. Granito, asbestos, mica, etc, so exemplos de minerais silicatos. A tabela I ilustra o elemento Si com suas propriedades fi sicas mais relevantes.

So inmeras as aplicaes do Si. Na forma de areia e argila o silicio usado para fazer concreto e tijolo. O Si pode ser empregado como material refratrio para trabalhos altas temperaturas. Na forma de.silicatos

utilizado na fabricao de esmaltes, cermicas, etc. Silica, como areia, um dos principais ingredientes do vidro, que um dos materiais mais econt^micos, com excelentes propriedades mecnicas, ticas, trmicas e eltricas. O Si um componente importante na fabricao do ao; sendo que o carbeto de silicio um dos mais importantes abrasivos,

o

utilizados em lasers para produzir luz coerente de 4500 A C383.

Uma das grandes utilizaes do Si da qual trata o presente trabalho, o emprego do Si como material semicondutor. O emprego de dispositivos semicondutores

iniciou-se nos EUA, quando em 1948 foram desenvolvidos os

transistores. V'.

Desde a dcada de 70 o uso do Si como material semicondutor tem crescido muito rapidamente, e

atualmente, o consumo mundial de mais de 6000 toneladas

tabela 1. Propriedades fsicas mais relevantes do elemento Si.

Elemento : Silcio

Smbolo : Si

Classificao peridica : Grupo IV A

Numero atmico : 14

Massa atmica : 28.086

Istopos naturais : 28 , 29 e 30

Abundncia isotpica : Si^ ( 92.27% ) Si^^ ( 4.68% ) Si^ \ 3.05% )

Densidade : 2.33 g/ cm^ ( 25 C )

Ponto de fuso : 1410 C

Nmero de valncia : 4

Forma cristalina : Cbica face centrada, tipo diamante.

por ano. O silicio usado na maioria dos dispositivos eltricos e eletrnicos, desde circuitos integrados para computadores e microprocessadores e em tiristores de grande volume para alta voltagem [4].

Para ser usado nestes dispositivas, o silicio precisa ser dopado com outro elemento. Os elementos mais usados sao o boro que produz um semicondutor tipop e o fsforo que produz um semicondutor tipo N. O mtodo tradicional de dopagem incorpora o elemento no estgio da fundio e formao do monocristal, mas produz um semicondutor com variaes na resistividade ao longo do volume do cristal de at 30% . Entretanto, h cerca de 15 anos vem sendo utilizado um novo mtodo de dopagem de silicio tipo N baseado em um processo puramente nuclear que solucionou este problema. Esta nova tcnica de dopagem chamada de Dopagem por Transmutao com Neutrons CNTD3, e produz semicondutores do tipo N com variaes muito pequenas no valor da resistividade, mesmo para cristais com volumes grandes.

O objetivo do presente trabalho desenvolver uma metodologia para produzir no Brasil o silicio NTD, que um material de caractersticas superiores, e vai possibilitar indstria nacional eletroeletrnica a produo de dispositivos de potncia, tais como tiristores e diodos. Estes dispositivos tem um custo bem maior que os outros dispositivos comuns e sua produo no Brasil permitiria a substituio de uma parte das importaes.

O desenvolvimento deste mtodo visa, tambm, a implantao de um laboratrio de controle de qualidade dos cristais de silicio irradiados, para a verificao da atividade residual do cristal aps a irradiao. Alm disso, este laboratrio deve ter condies de medir com preciso a dose de neutrons recebida pelo cristal durante a irradiao, possuindo todos os equipamentos

convencionalmente utilizados em espectroscopia gama.

o capitulo I do presente trabalho, apresenta uma discusso sobre a estrutura cristalina do Si e materiais semicondutores.

O capitulo II apresenta ' a metodologia da tcnica NTD.

A descrio do mtodo experimental encontra-se no capitulo III.

A parte experimental e resultados obtidos,

encontrase no capitulo IV.

Finalmente, no capitulo V encontra-se a

Discusso dos Resultados e Concluso.

CAPITULO I

ESTRUTURA CRISTALINA DO SILICIO E MATERIAIS SEMICONDUTORES

1.1 Estrutura Cristalina do Silcio

Chamamos de substncia cristalina, qualquer

substncia cujos tomos estSo dispostos regularmente no espao, ( fig.1.1.1 }

Na figura 1.1.2 ilustramos uma parte da

estrutura cristalina do silicio. Podese notar pela fig.

1.1.2 que os tomos B, C, D, e E formam um tetraedro regular, com o tomo A exatamente no centro. Assim, o tomo A esta mesma distncia dos quatro tomos mais prximos B, C, D, e E. Estes tomos formam entre si uma ligao covalente, tambm chamada de ligao tetradrica neste caso, possuindo uma profunda influncia sobre as propriedades dos materiais semicondutores.

1.2 Estados de Energia dos Eltrons em um Cristal

Os estados de energia dos eltrons em um cristal, em sua forma geral, extremamente complexo, pois os eltrons, alm de serem atrados pelos ncleos dos tomos que formam a rede cristalina, so repelidos pelos outros

eltrons. Aplicando-se a mecnica quntica para este problema, a equao de schroedinger assume a forma.

g . 1 . 1 . 1 . E s t r u t u r a d e u m a s u b s t a n c i a c r i s t a l i n a

i g . 1 . 1 . 2 . D e s e n h o e s q u e m t i c o d e u m a l i g a o t e t r a e d r i c a

decomposta em dois termos, um que s depende da posiSo do

eltron i, V (r^), e que corresponde energia potencial do eltron i no campo eltrico dos ncleos dos tomos do cristal, e um segundo termo, '^ a^ '^ j.j^ * corresponde energia potencial do eltron i. no campo eltrico de todos os outros eltrons e que portanto depende da' posio de todos os eltrons do cristal.

Desprezando o termo V (r ) da energia 2 V J

potencial, a eq.l assume a forma

^ 2

2m d' = O eq. 2

forma [283: A soluo da equao 2 pode ser escrita sob a

., r ) = v/( 1 ) V< ? 3 ) ..V(r ) eq.

uso da equao implica que

probabilidade de encontrar o eltron i no ponto i^ ^ | | depende apenas de r , isto , da coordenada do eltron i em

relao a uma origem arbitrria . Desta forma a equao de schroedinger se reduz a

2m y^ z" E^- V(? ) = O eq. 4

J m

Onde V(r) o potencial no qual o eltron esta se movendo ( potencial dos ncleos dos tomos do cristal ) e o ndice k serve para distinguir as diferentes solues. A eq.4 se aplica a qualquer eltron do cristal, isto , o somatrio da equao 1 foi' ..transformado em um sistema de n equaes idnticas, q u a n d o desprezamos o termo r^. >. Assim podemos estudar o movimento de cada eltron como se ele estivesse sozinho na rede cristalina.

Devido regularidade da disposio dos ncleos em um cristal, o potencial V(r) peridico no espao. Essa periodicidade da rede cristalina impSe certas restries . forma das solues da eq.4, que so expressas pelo teorema de Bloch [283, [263 .

O potencial do eltron no campo de um tomo ionizado dado por

V = - q^ eq.i.2.1

onde r e a distancia entre o eltron e o ncleo do tomo ionizado. Este potencial esta representado na fig.1.2.1

Considerando um "cristal unidimensional",

isto , o conjunto formado por uma linha de tomos ionizados e uma srie de eltrons, o potencial de qualquer um desses eltrons no campo dos tomos ionizados esta representado na figura 1.2.2. Como para um potencial deste tipo nao existe

uma soluo analtica da equao de schroedinger, podese substitui-lo por um potencial que, em certas condies , se parece com o potencial do cristal, e para o qual a soluo de schroedinger apresenta uma soluo simples. Nesse modelo mostrado na figura 1.2.3 e sugerido por Kroning e Penney (1931), o potencial peridico consiste em um nmero infinito de barreiras de potencial de larguras b, com regies de potencial zero de largura a entre as barreiras. A altura das

barreiras V . o

A soluo deste potencial peridico diz que o movimento dos eltrons em um cristal unidimensional s pode acontecer em determinadas faixas de energia chamadas de faixas permitidas de energia [283 [263. Existem outras faixas chamada^ de faixas proibidas de energia, aonde o movimento dos eltrons muito atenuado e eles encontram grande dificuldade para se propapagarem no cristal. Portanto um eltron em um cristal s pode se propagar se sua energia estiver dentro de uma das faixas permitidas.

i g . 1 . 2 . 1 . E n e r g i a p o t e n c i a l de um e l t r o n n a s v i z i n h a n a s de um

t o m o i o n i z a d o

i g . l . E . 2 . E n e r g a p o t e n c i a l d o s e l e t r o n s no i n t e r i o r de um c r i s t a l

U n i d i m e n s i o n a l

(M

>

O >

OJ C C 0) Q.

1.2.1. Condutores, Isolantes e Semicondutores

Em um cristal, os eltrons tendem a ocupar sempre os estados de menor energia. Assim as faixas permitidas mais baixas esto sempre cheias.

Se existir um nmero suficiente de eltrons no cristal para encher completamente um certo nmero de faixas permitidas, deixando as outras vazias, os eltrons do cristal quando submetidos a um campo eltrico, nSo podem se propagar, pois qualquer movimento aumentaria sua energia, colocando - os dentro da faixa proibida. Nesse caso dizemos que o cristal um isolante.

Se, por outro lado, enchem apenas

parcialmente uma das faixas permitidas, os eltrons podem mover - se com facilidade sob a ao de campos eltricos, passando para estados de energia ligeiramente maior. Nesse caso, o cristal pode ser um condutor, um semicondutor, ou um semimetal.

Em um condutor, as faixas permitidas parcialmente cheias possuem um grande nmero de eltrons. Em um semicondutor ou semimetal, as faixas parcialmente cheias possuem um pequeno nmero de eltrons ou estSo quase completamente cheias; em ambos os casos a conduo da corrente menor que nos metais. A diferena entre um semicondutor e um semimetal que na temperatura do zero absoluto um semicondutor se torna isolante, enquanto um semimetal continua a conduzir corrente.

1.2.2. Propriedades Bsicas dos Materials Semi Condutores

'\,A fig. 1.2.2.1 mostra as ligaes covalentes dos tomos de silcio , em uma representao bidimensional, atravs de segmentos de reta.

Como os eltrons de valncia dos

semicondutores formam pares covalentes, eles nSo sSo normalmente livres como no caso dos metais. Em temperaturas muito baixas, prximas do zero absoluto, em que as ligaSes covalentes se mantm praticamente intactas, o cristal se comporta praticamente como um isolante. Entretanto medida que a temperatura aumenta, algumas ligaes covalentes se rompem, devido agitao trmica. Em conseqncia, um dos eltrons ficou livre para vagar por todo o cristal, e ficou um "vazio" em uma das ligaes covalentes do cristal. Este "vazio" chamado de lacuna.

Quando uma ligao covalente est incompleta, isto , quando existe um lacuna, o eltron do tomo vizinho pode deixar sua ligao covalente e vir preencher este "vazio". Com isto, entretanto, o eltron deixa um buraco em sua posio original, que por sua vez pode ser preenchido por outro eltron. Assim um lacuna pode " caminhar " por um cristal, na direo contrria do movimento dos eltrons que procuram enche - lo.

Quando um semicondutor no contm impurezas em quantidades suficientes para alterar - lhe as propriedades, dizemos que se trata de um semicondutor intrnseco. Em um semicondutor .intrnseco o nmero de eltrons igual ao nmero de buracos. A adio de pequenas quantidades de outras substncias a um semicondutor pode modificar consideravelmente as propriedades do material. Essas impurezas podem substituir os tomos da rede cristalina ( impurezas substitucionais ) ou ocupar posies entre os tomos da rede ( impurezas intersticiais ).

Na prtica as propriedades dos semicondutores so controladas atravz da adio de certas impurezas em concentraes cuidadosamente medidas. As impurezas substitucionais mais usadas so certos elementos pentavalentes { arsnio, fsforo, antimonio ) e trivalentes ( boro, alumnio, glio, ndio ).

Analisando o caso em que acrescentamos a um

i g . 1 . 2 . 2 . 1 , R e p r e s e n t a c a o b i d i m e n s i o n a l d e um c r i s t a l d e s i l i c i o

semicondutor puro. ( o silicio ), uma pequena quantidade de uma impureza pentavalente ( por exemplo, o fsforo ); alguns tomos do fsforo ocupam o lugar dos tomos do silicio no cristal, ficando eltrons livres para vagar pelo cristal.

Como os tomos das impurezas pentavalentes cedem eltrons ao cristal, essas impurezas so chamadas de impurezas doadoras ou impurezas tipo N ( a letra n a inicial de negativa, referindo se carga do eltron ).

Os eltrons livres e semicondutor so chamados de portadores.

lacunas um

As propriedades eltricas dos semicondutores dependem fortemente do seu contedo de impurezas. A condutividade o- devido s impurezas em um semicondutor dada pela expresso:

= q N fj eq. (1.2.2.1)

onde q^ a carga do eltron, N o nmero de impurezas ionizadas por unidade de volume e a mobilidade dos portadores de carga.

temperatura ambiente, a maioria das impurezas se encontra ionizada, contribuindo para a condutividade e sua concentrao no ultrapassa a 5 x 10*** tomos/cm^. Nestas condii;;Ses a impureza ocupa um lugar substitucional na cristalina, ocupando a posi^So de um tomo de silicio.

rede

1.2.3. Problemas na EXopagem do

Convenci onal. Silicio pelo Mtodo

Para,modificar as caractersticas originais do silicio, uma certa quantidade de impurezas adicionada alterando a sua condutividade. Este processo denominado de

' , j . i i:( ii.; ' f . i p a ; . ; : " 5 , IO j vimos anteriormente, denominado semicondutor intrnseco.

Assim, para poder ser utilizado na confeco de dispositivos

eletrnicos, o silcio precisa ser convenientemente dopado,

uma vez que o monocristal de silicio intrnseco possui uma

resistividade muito alta, maior do que 200 Ocm, dependendo

do processo de crescimento do monocristal, nSo sendo

adequado para a passagem de corrente eltrica-

se a impureza dopante acrescentada ao silicio for

da familia III-A da tabela peridica, o semicondutor

designado como sendo do tipo P, pois sua condutividade ser

predominantemente devida ao excesso de buracos, que so

portadores positivos de carga. Neste caso as lacunas ou

buracos so chamados portadores majoritrios e os eltrons da banda de conduo, portadores minoritrios. O dopante no

caso chamado de receptor.

Agora, se a impureza dopante pertencer familia V-A, o semicondutor resultante designado como sendo do tipo N, e sua condutividade ser devida ao excesso de eltrons que so portadores negativos de carga, sendo estes agora, os portadores majoritrios e as lacunas, os portadores minoritrios. A impureza dopante chamada de doadora.

No mtodo tradicional, a dopagem feita por meio da incorporao-de uma pequena quantidade do dopante (da ordem de ppba) no estgio de fundio e crescimento do monocristal ( mtodos Czochralski ou Float zone ). Os elementos mais comumente adotados como dopantes para o silicio so o Boro (que produz um semicondutor do tipo P) e^ o Fsforo (que produz um semicondutor do tipo N ) .

O Boro possui um coeficiente de segregao (que um parmetro que fornece a razo entre a concentrao da impureza na fase slida e na fase fundida) prximo de 0.8, o que faz com que le apresente uma boa difuso ao longo do cristal de silicio, produzindo uma dopagem uniforme.

Na dopagem do monocristal de Si com P,

obtemos uma resistividade maior prximo borda do r i-tT ntxa no ; ontro, j que o fsforo tende a se

concentrar na fase liquida, devido ao seu baixo coeficiente de distribuio ( aproximadamente 0.35 ). Este fato muito negativo, pois, alm de no haver outro' elemento dopante tipo N com coeficiente de distribuio maior do que o do fsforo, os semicondutores do tipo N so os responsveis pelos doadores de carga (eltrons). Como a mobilidade dos eltrons muito maior do que a mobilidade dos buracos, o silicio do tipo N mais adequado para -z construo de dispositivos de potncia. Mas a grande variao na dopagem em diferentes pontos do silicio tipo N limita os valores da voltagem e corrente aplicados a estes dispositivos, principalmente em dispositivos de grande volume, reduzindo muito o desempenho e a durabilidade destes.

Alguns procedimentos de crescimento de cristais foram desenvolvidos tentando compensar estas dificuldades. Bradshaw e Mlavsky C3] fizeram puxamentos de cristais de Si dopando-o com fsforo num processo de fuso a vcuo, aonde usou - se a razo de evaporao do fsforo durante a fuso, por compensao do aumento de concentrao do fsforo, causado pela segregao.

Podemos encontrar ainda na literatura outros mtodos e - procedimentos de crescimento de cristais tentando solucionar este problema [3D. Contudo tais mtodos necessitam de rigorosos controles simultneos dos processos cinticos, incluindo evaporao, segregao, e reaSes liquido - vapor.

O mtodo mais prAtico e eficiente de dopar o cristal de Si com P o mtodo NTD, ( dopagem por transmutao com nutrons ), baseado em um processo puramente nuclear. Esta tcnica de dopagem produz semicondutores d tipo N com variaSes muito pequenas nos valores da resistividade do cristal dopado. As aplicaSes nas quais o silicio NTD pode ser utilizado com vantagens em relao ao silcio dopado pelo mtodo convencional so :

- Na confeco de retificadores e tiristores de alta potncia com grande volume para suportar altas voltagens. Para transmisso de energia eltrica para longas distncias, os circuitos de retificao podem ser construidos com uro nmero menor de tiristores feitos com Si NTD, de tal modo que o sistema se torne mais eficiente e barato.

-O silicio NTD permite que de uma mesma lmina ou lote de lminas sejam construidos vrios componentes idnticos com as mesmas caractersticas de resistividade. Tal fato tem feito que as aplicaes do silicio NTD na indstria automobilstica, por exemplo, aumentem consideravelmente, pois no caso de defeitos mais conveniente substituir uma placa eletrnica por outra com componentes idnticos.

-Microcomputadores, televisores, etc, vem usando cada vez mais componentes com resistividades idnticas feitos com silcio NTD.

1.3. Mercado do Silcio

Em 1955 iniciou-se o uso de silcio grau eletrnico em dispositivos semicondutores, tendo em vista suas propriedades adequadas, abundncia e baixo custo, o que revolucionou o padro de produSo e consumo.

Com o rpido desenvolvimento da tecnologia dos circuitos integrados e, portanto da microeletrnica, e a rpida expanso do campo de aplicao dos mesmos a partir da dcada de 70^'o uso do silcio como material semicondutor tem crescido muito rapidamente. O silcio monocristalino grau eletrnico , portanto, utilizado na grande maioria dos dispositivos eltricos e eletrnicos, desde circuitos integrados para computadores e microprocessadores at

retificadores de grande volume para alta tenso.

A produo mundial de silicio grau eletrnico policristalino localiza-se basicamente nos EUA, Japo e Europa, sendo da ordem de 12.000 toneladas em 1988. O aumento da capacidade de produo foi da ordem de 170% de 1983 a 1989 C243.

No Brasil ainda no existe produo de silicio grau eletrnico policristalino. Apenas poucas empresas brasileiras atuam nas diversas etapas do processamento de laminas de silicio, que so usadas na confeco de dispositivos discretos (diodos, tiristores, clulas solares, etc.) e ?-ircuitos integrados.

Atualmente, a empresa Heliodin&mica de So Paulo a nica que importa cerca de 40 toneladas por ano de silicio policristalino grau eletrnico para produzir monocristais de silicio, que so cortados em lminas. A maior parte destas lminas destinada para a produo de clulas solares pela prpria empresa e o resto vendido para a indstria de microeletrnica [93.

A maior parte do , silicio grau eletrnico consumido no Brasil est embutida em produtos finais que so importados, tais como, dispositivos discretos e circuitos integrados. Em 1988, o montante desta importao alcanou a cifra de US* 500 milheSes [243.

1.4. Crescimento de Monocristais de Silicio

At poder ser usado na confeco de dispositivos semicondutores, o silicio precisa passar por diversas etapas de processamento. A primeira delas a obteno do silicio grau metalrgico a partir do quartzo (grau de pureza da

ordem de 98 a 99%). A seguir, o silicio grau eletrnico (grau de pureza da ordem de 99,999999999%) obtido por meio da purificao da triclorosilana (SiHCl^). A figura 1.4.1 mostra, esquematicamente, as operaes mais relevantes do processo de obteno do silicio d grau eletrnico. Inicialmente o silicio de grau metalrgico reage com cloreto de hidrognio anidro em um reator de leito fluidizado para produzir uma mistura de clorosilanas. Essa mistura, essencialmente de triclorosilana (TCS) e tetracloreto de silcio condensada e destilada para remover impurezas e separar subprodutos. G silicio de pureza eletrnica obtido a partir da triclorosilana purificada em uma reao de reduo, com hidrognio, em um reator a uma temperatura entre 1000 e llOO'^C. Na tabela 1.4.1 esto listados os limites mximos para os contedos de impurezas para o silcio grau eletrnico.

TABELA 1.4.1 - Requisitos de pureza para o Silicio QE

1 ELEMENTOS 1

TEOR 1

(ppba) 1

1 Elementos do grupo III 1 1 < 0,3 !

1 Elementos do grupo V < 1,5

1 Metis pesados < 0,1 1 1 Carbono < 300 I Oxignio < 50 Outros elementos < 0,001

1 1 1

A etapa seguinte consiste em se obter o monocristal de silicio a partir do silicio policristalino grau eletrnico em fornos apropriados. No caso do silcio so usados dois mtodos de crescimento do monocristal:

S I L I C I O GRAU

M E T A L R G I C O F o r n o d e r e d u

c a o a a r c o

T R I C L O R O S I L A N A

( T C S ) R e a t o r d e l e l t o

f l u l d l z a d o

P U R I F I C A O DA

T R I C L O R O S II ANA c o l u n a s d e d e s -

t i l a o

D E P O S I O DO S I -

L I C I O GRAU ELE -

T R O N I C O R e a t o r t i p o U

d e p o s i o a p a r t i r

d a f a s e d e v a p o r

SiO^ + 2C ( s ) ( s )

Si + 2C0

( 1 ) ( g )

Si + 3HC1 ( s ) ( g )

-> SiHCl + H 3 2

( g ) (g)

Si HCl. ( 1 )

Si HCl

( g )

Si HCl + H 3 2

( g ) (g)

Si + 3HC1 ( s ) ( g )

Fig.1.4.1. Principais etapas do processo de obteno do Si grau eletrnico

cowiscAc r:;,c:cf:;L ce cnl-rga nuc lea r / sp - 1PE8

mtodo "Czochralski" ( Cz ) e mtodo "Float Zone" ( Fz ).

No mtodo Cz, pedaos de silcio policristalino so colocados dentro de um cadinho de quartzo que aquecido por um aquecedor resistivo de grafite de alta pureza. Todo este sistema isolado e, uma vez alcanada a fuso do silcio, mergulha-se uma pequena semente de monocristal de silcio orientado na superfcie do silcio fundido. medida que a semente vai sendo levantada, o silcio fundido vai se cristalizando ao seu redor formando o monocristal. O dimetro do monocristal pode ser ajustado pela velocidade de puxamento e controle da temperatura. Usualmente a semente e o cadinho giram em direes opostas, durante o crescimento, para homogenizar o campo de temperaturas na fase lquida. Durante todo o processo mantida uma atmosfera de argnio na cmara de puxamento. A figura 1.4.2, mostra esquematicamente, um puxador tipo Czochralski.

No mtodo "Float Zone", uma barra de silcio policristalina suportada verticalmente aquecida e fundida localmente, por zonas, por meio de uma bobina aquecedora de radio-frequncia que se desloca lentamente ao longo da barra partindo da extremidade onde se. encontra a semente. A movimentao desta bobina de RF estabelece a estrutura cristalina da semente ao mesmo tempo que purifica o silcio. Movendo repetidas vezes a bobina pelo monocristal de silcio, consegue-se atingir resistividades muito elevadas, da ordem de 10 k^cm. A figura 1.4.3, mostra o arranjo barra de Si - monocristal - semente, usado no processo FZ. A figura 1.4.4, esquematiza um equipamento para obteno de silicio monocristalino pelo processo FZ.

Os monocristais de silcio crescidos pelo mtodo CZ apresentam'\a, desvantagem de incorporar oxignio do xido de silcio presente no quartzo do cadinho e carbono do aquecedor resistivo, enquanto que os monocristais FZ no apresentam este problema pois no ficam em contato com nenhum outro material durante o crescimento. Outra vantagem

_ s u p o r t e da s e m e n t e

. s e m e n t e

p e s c o o c r f s t a I

C3 , e scudos

cmara t rm icos r e t r i ge rada

a a g u a

t ~ L b a s e e I e t r oao

escudo t e r m i c o e x t e r n o

ai I U i o T un d I do

SU SC p t D r

de graf i te

t quecedor e grafi te

F i g . 1.4 . 2 . E s q u e m a d e um p u x a d o r C z o c h r a l s k i .

< 1

11

b a r r a S i - p o l i

_ Y < \ b o b i n a RF

T^^t^N-^ c I r c u I a c ao de agua

m o n o c r i s t a l de- s i I i c i o

p e s c o o

s eme nt e

F i g . 1 . 4 . 3 . D e s e n h o e s q u e m t i c o i l u s t r a n d o uma b a r r a d e S i

p o l i c r i s t a l i n o ; o m o n o c r i s t a l s e n d o f o r m a d o e a

s e m e n t e , d u r a n t e o pji o c e s s o F z .

dos monocrlstais FZ o fato de que durante o crescimento do monocristal, as impurezas presentes no silicio migram para uma das extremidades, ali se concentrando. Aps o crescimento podemos descartar esta extremidade obtendo um monocristal com pureza bastante elevada.

CAPITULO II

DOPAGEM DO SILICIO PELA TRANSMUTASO COM NEUTRONS: TCNICA E METODOLOGIA.

II.l. IntroducSo

mtodo de dopagem do silicio pela transmutao com neutrons, mtodo NTD, consiste basicamente na irradiao do cristal de silicio com neutrons trmicos (neutrons de baixa energia, tipicamente da ordem de 0,025 eV) em um reator nuclear.

Em 1951 Lark-Horowitz C22], sugeriu, pela primeira vez, que o mtodo NTD podia ser usado para controlar a dopagem em cristais de silicio. Em 1961, Tanenbaum e Mills [37], fizeram a primeira experincia detalhada com o objetivo de produzir silcio dopado homogeneamente. Nos anos seguintes a tcnica foi deixada de lado, principalmente devido ao custo de produo ser maior do que na tcnica tradicional. Com o desenvolvimento do crescimento de monocristais de dimetros maiores pelo mtodo float zone, no inicio da dcada de 70, ficou evidente a necessidade de uma dopagem mais homognea. Alm disto, o aumento das exigncias para um melhor desempenho dos dispositivos eletro-eletrnicos por um lado, e o aumento na demanda por produtos mais econmicos por outro lado, culminou na

Macan i smo d e

r o t ac ao 1 i g

M e c a n i smo d e r o t a c a o da seme n t e

J3

Bar ra de Si P o l i c r i s t a l i n o

Z o n a F u n d i d a

B o b i n a de RF

C r i s t a I

S eme n t e

M e c a n i s m o de des I o c a m e n t e v e r t i c a l

F i g . 1 . 4 . 4 . Esquema d e um f o r n o p a r a c r e s c i m e n t o d e

m o n o c r i s t a i s p e l o m t o d o F l o a t Z o n e .

redescoberta da dopagem de silicio pelo mtodo NTD, a partir de i973 C31],C193.

A partir do final da dcada de 70 surgiram artigos ' U - r . : iSo : - - r : - n o '\ r r'.-re'ncxa [13] e foram realizadas conferencias especificas sobre o silicio NTD, cujos anais [8], [12], e [18] alm de informar os progressos conseguidos nas diversas instituies que se dedicam a estudar o silicio NTD, contm artigos de reviso muito bons. liais recentemente, foi publicado um trabalho que relata todos os aspectos da irradiao de silicio em Harwell [7].

O mtodo est baseado nos fenmenos nucleares de captura de um neutron por um determinado elemento qumico e consequente transmutao do elemento resultante em outro por

30 meio da emisso de uma partcula beta. Assim, o istopo Si que est presente numa abundncia de 3,05% no silicio natural, captura um neutron trmico e forma o istopo

31 radioativo Si. Este, por sua vez, emite uma partcula beta e se transmuta no istopo estvel P^^,substituindo, portanto, tomos de silicio por tomos de fsforo ao longo de todo o cristal. A reao bsica do processo pode ser esquematizada por:

Si^^^ n . S i ^ ^ - ^ ! . P^^ eq.2.1 T = 2,62 h

1 / 2

Portanto, irradiandose o cristal com nutrons de uma forma homognea, pode-se produzir um semicondutor tipo N com dopagem bem homognea.

II. 2. Consideraes Gerais sobre Reaes Nucleares no Processo NTD.

''\,ps nutrons so comumente classificados em funo da energia, da seguinte maneira:

- nutrons trmicos: as mais importantes fontes de nutrons trmicos so os reatores nucleares, nos

quais esses nutrons sSo aqueles que, aps perder energia durante o processo de moderao, atingem o equilibrio trmico com os ncleos do meio. Apresentam uma distribuio de velocidades prxima a uma maxwelliana abrangendo um intervalo de energia de 10 * eV a 1 eV.

-nutrons intermedirios: so os nutrons que ainda se encontram no processo de moderao; esto nessa categoria os nutrons com energias compreendidas no intervalo de 1 eV at lOO keV.

-nutrons rpidos: so os nutrons recm produzidos na fisso e que ainda no iniciaram o processo de moderao. So considerados nutrons rpidos aqueles com energias entre lOO keV a 10 MeV.

II.2.1. ReaSes Nucleares Induzidas pelos Nutrons.

Existem outras possveis reaSes nucleares, na tcnica NTD, que ocorrem paralelamente reao nuclear da eq. 2.1, quando uma amostra de cristal de Si est exposta a um fluxo de nutrons.

Algumas destas outras reaes podem produzir produtos indesejveis e conseqentemente colocar em xeque todo o propsito do experimento, que a dopagem do Si com fsforo.

Na tabela 2.1 esto apresentados as possveis reaSes entre nutrons e os istopos de Si estveis; Si^ ( abundncia natural 72.27% ), Si^ "* ( abundncia natural 4.68% ), Si^ ( abundncia natural 3,05% ). ReaSes com P^ * tambm so consideradas. Na tabela 2.2 e tabela 2.2.1, mostramos suas respectivas secSes de choque, c, e a meia vida para decaimento, T'.., ,

Nota-se pela tab.2.1 que as reaSes II.2, II.3, II.7 e II.8, apenas alteram as razSes isotpicas. A reao II.4 a reao responsvel pela dopagem do silcio.

As reaSes II.5, II.9 e 11.17, levam-nos aniquilaSo do doador P^*, e a reaiCo II. 5 em particular, criao de

Tabela 2.1. Possveis reaes nucleares entre nutrons e os istopos de Si e P.

Reaes ( n.r ):

Si^" ( n,r ) Si^** Si^** ( n,r ) Si^** Si^ ( n,r ) Si^* P^* ( n,r ) P " ^

P^* ^ if ,3 2

Reaes ( n,2n ):

Si^" ( n,2n ) Si*' Si^** ( n,2n ) Si*" Si^ ( n,2n ) Si*** P^* ( n,2n ) P^ '* -.31^

A l " ^ft-

( II.2 ) ( II.3 ) ( II.4 ) ( II.5 )

( II.6 ) ( II.7 ) ( II.8 )

( 11.9 )

Reaes ( n, p ):

1 Si*" ( n. P ) Al*" . Si*" + ( 11.10 ) 1 Si*** ( n j P ) Al*"* . Si*** + ( 11.11 )

Si" ( n. P ) Al^ + nt~ ( 11.12 ) P^' ( n, p ) Si^* Si"' ( 11.13 )

Reaes ( n, cx ) s

Si*" ( n, o( ) Mg*** Si^** ( n, ot ) Mg^* Si^ ( n, a ) Mg*' P " * ( n, a ) Al*"

Al

Si

2 7

2 B

i 11.14 ) ( 11.15 ) ( 11.16 ) ( 11.17 )

Tabela 2.2. Dados nucleares dos istopos de Si, P e 0^.[19], [29]

reao ( n, ) reao ( n, 2n )

cy*(barns) ^ 1 / 2

Tabela 2.2.1. Dados nucleares dos istopos de Si, P e O^.C193, C293

rea^So ( n, p ) rea^^So ( n, )

o-barns) T^^^ E (Mev) a (barns) "^1/2 E (Mev)

Si*" 0,004 2,3m 4,0 2,7 Si*** 0,10 6,6m 3,3 0,04 S i " 0,00017 9,45m 4,2

3 2

P 0,77 2,62h 0,97 0,15 2,27m 0,91

0,05 7,38s 10,2 2,2

0^' 4,14s 8,1 0,25 - 0,15 5500a trmica 0*" 2,3s

Pela tabela 2.2, vemos que a seco de choque para a reao II.5 cerca de duas vezes maior que a da reao II.4.

Porm

C S^* ] ^ C P^* ] eq. ( 2.2 ) C P=* 3 C Si^ :

Onde os colchetes, C 1, significam con cen trao.

Logo, para uma irradiao com neutrons, suficiente para transmutar 10^' tomos de Si^ em tomos de P^*, a quantidade de P^ * destruida equivalente a 5.9 10^*. Isto obviamente insignificante. A quantidade de P^* destruida equivalente quantidade de s " * produzida, e esta concentrao, por sua vez, no afeta as propriedades eltricas em niveis de resistividade e tempo de vida usuais dos dispositivos semicondutores.

O efeito mais problemtico da reao II.5 a gerao da atividade no monocristal de Si durante um periodo de tempo relativamente longo, com a emisso de partculas ft pelos ncleos dos tomos de P^* que possui uma meia vida de 14.22 dias. A atividade total, naturalmente, ser proporcional ao volume do Si, e o manuseio de grandes quantidades necessita de consideraes especiais.

As reaes (n,?') da tabela 2.1 s podem ocorrer com neutrons trmicos. As reaes com neutrons de maior energia, so as reaes, ( n, 2n ), ( n, p ) e ( n , a ) .

'\,As reaes II.6 e 11.16, seriam problemticas se ocorressem numa mdia comparvel da reao II.4 que produz P^ *, pois, isto poderia resultar em compensao e contribuir para a produo de Si tipo - p ao invz do Si tipo N. Porm, os resultados obtidos no presente trabalho.

no indicam nenhum indicio de Si tipo-p nas amostras irradiadas.

As reaSes II.IO, 11.11, 11.12 e tambm 11.13 nSo produzem qualquer tipo de alterao.

Quanto s reaSes 11.14 e 11.15, se existissem, seria necessrio uma anlise mais profunda sobre sua concentrao e possveis implicaes, uma vez que as propriedades eltricas do Mg so desconhecidas, o que foge ao carter do presente trabalho. Contudo, no existe nada documentado na literatura com respeito a implicaes do elemento Mg devido ao mtodo NTD.

Para o silicio crescido pelo mtodo Cz importante considerar o efeito do dissolvido no Si. Estas consideraes no so importantes para o Si crescido pelo mtodo floatzone.

As reaes que devem ser consideradas para o Si crescido pelo mtodo Cz esto apresentadas na tab.2.3.

Tabela 2.3. Possveis reaSes nucleares entre nutrons e os

istopos de O

reaSes (n, )

(11.18) 0*'( n,r ) 0*" (11.19)

n,r ) o'** (11.20) reaSes (n.p)

n,p ) N*** (11.21) 0 (n,p ) N (11.22)

n,p ) N*" ^ O*" + (11.23)

reaSes (n,a)

n.a ) C*" (11.24) 0*'( n,a ) C** (11.25) G'"( n.a ) C*'* (11.26)

reaes (n,2n)

n,2n ) (11.27) n,2n-.) , (11.28) n,2n ) *' (11.29)

As reaSes 11.18, 11.19, 11.28, e 11.29 somente alteram a razo isotpica do oxignio. As reaSes 11.21, II 22, e provavelmente 11.23 no produzem mudanas. As reaSes 11.24, 11.26, e 11.27 provavelmente necessitaro de nutrons com energias acima de '5 tiev, no sendo portanto relevantes suas consideraes no caso do reator IEAR-1.

A reao 11.25 pode ocorrer com nutrons trmicos. Como a meia vida do C^* bem longa, o efeito principal desta reao a produo de carbono. A reao 11.20 tambm ocorre com nutrons trmicos mas possui uma seo de choque extremamente pequena. Entretanto , desde que a concentrao de oxignio no exceda 10^" t/cc, e como as abundancias O^' e so 0,04% 0,20%, respectivamente, poderemos esperar que a frao de flor produzido pela reao II 1.20 seja cerca de 10~** da frao de fsforos produzidos, e a frao de C^^ produzido pela reao 11.25 seja IO ' da frao de fsforos produzidos. Estas quantidades de impurezas so completamente desprezveis. Portanto, cristais de Bi contendo cerca de 10^" tomos de oxignio por cm^ podem ser irradiados com segurana.

Podese concluir a , partir desta discusso, que as reaSes nucleares paralelas que podem ocorrer quando um tarugo de silcio irradiado com nutrons num reator nuclear, no prejudicam o processo principal que a dopagem do silicio com fsforo. Entretanto deve ser enfatizado, que outros efeitos como por exemplo os danos na estrutura cristalina do silicio, produzidos em conseqncia da irradiao, no so totalmente desprezveis e podem at ser um fator decisivo para o sucesso do processo NTD. Estes efeitos sero discutidos posteriormente, no sub-tem II.4.

II.3. Relao'fntre Dose De Nutrons e Resistividade

possvel estabelecer uma relao emprica entre a resistividade final que se deseja obter e a dose de nutrons necessria, que leva em conta os parmetros

nucleares do reator envolvidos no processo de irradiao.

De acordo com a equao 1.2.2.1, se um semicondutor tem uma densidade de n eltrons de conduo e p lacunas por unidade de volume, sua condutividade pode ser expressa por:

a = ^J^yin + A^ p^) (Q.cm)"* eq. (2.3.1)

Onde:

q^ a carga do eltron = 1,6 x 10~*** Coulomb /j^ a mobilidade dos eltrons de conduo

expressa em cm*/V.s. a mobilidade das lacunas.

As mobilidades relacionam a velocidade de arrasto dos portadores de carga com a intensidade do campo eltrico aplicado. Ambas so constantes que podem ser determinadas experimentalmente e so da oi temperatura ambiente C27]. experimentalmente e so da ordem de 1396 cm*/V.s para o Si e

No caso especifico do silicio NTD que um material semicondutor do tipo N, tem-se que n >> p, de tal forma que a eq. (3.1) se reduz a:

o' = q/un eq. (2.3.2) e e

A resistividade o inverso da condutividade, assim temse:

p = I / C A ^ P ^ eq. (2.3.3)

onde a densidade de eltrons n foi substituida pela 3 3

concentrao de P , C (tomos/cm ), uma vez que cada tomo de fsforo fornece um eltron de conduo para a rede.

A concentrao final de fsforo ser igual concentrao inicial presente no material antes da

irradiao mais a concentrao introduzida pela irradiao pelo processo NTD:

N T D eq.(2.3.4)

Por outro lado, a concentrao de tomos de fsforo introduzidos pela irradiao com neutrons dada pela frao de tomos de Si^ por unidade de volume que capturam um neutron trmico durante todo o periodo de irradiao t:

C = N &

o valor de a situa-se entre 0 . 1 1 e 0 . 1 3 barns c

segundo relata a referncia [ 1 2 3 . O valor exato caracterstico de cada reator e depende se o espectro de nutrons bastante termalizado, ou se exibe uma proporo significativa de nutrons rpidos ou' em processo de termalizao. Portanto, o valor de deve ser determinado experimentalmente na posio em que so feitas as irradiaSes.

Esta determinao pode ser feita por meio da tcnica de ativao por nutrons, irradiandose pequenas amostras de silicio na posio de irradiao e aps dissolver a amostra, mede-se a atividade fi absoluta em um contador do tipo 4TT.

Outra forma de se determinar o valor de por meio da equao ( 2 . 3 . 6 ) . Tendo-se o valor da resistividade inicial, aps terem sido realizadas um nmero significativo de irradiaes e medidas as resistividades finais, pode-se fazer um tratamento estatstico dos dados para se determinar um valor mdio de c [ 7 3 .

c

Para se usar a equao ( 2 . 3 . 7 ) , que estabelece a relao dose de nutrons >; resistividade final, devese ter uma medida precisa da dose total de nutrons ^.t. Para tanto necessria uma* monitorao constante do fluxo de nutrons na posio de irradiao. O monitor deve, portanto, ser de dimenses reduzidas, uma vez que o espao disponvel na posio de irradiao, em geral, muito limitado. O monitor mais usado do tipo SPND, "self-powered neutron detector", devido s vantagens de ter um baixo custo, tamanho reduzido e necessitar de uma eletrnica bastante simples. No entanto, o monitor do tipo SPND permite apenas medidas relativas do fluxo de nutrons, sendo ideais para controlar o tempo de irradiao d, cristal, necessitando portanto de uma calibrao adequada.

Para se ter um controle de qualidade mais

eficiente, a dose de neutrons recebida pelo cristal durante

a irradiao deve ser medida com preciso. Um mtodo ideal para este tipo de medida o da tcnica de ativao , usando fios de cobalto. Os fios de cobalto so irradiados Junto com os cristais, assim, aps a irradiao medese a atividade dos fios e determina-se a dose de neutrons .t.

II.4 Danos Causados pela Irradiao e Tratamento Trmico ps Irradiao.

Aps a irradiao, o cristal de silicio apresentase com vrios danos em sua estrutura cristalina. ReaSes de espalhamento por nutrons rpidos provocam o deslocamento dos tomos de silicio das posiSes que eles ocupariam numa rede cristalina perfeita e, no caso de uma alta transferncia de energia, ocorre a formao de grupos de tomos altamente desordenados. A este efeito, acrescenta-se sempre o deslocamento dos tomos devido ao recuo quando da captura de nutrons trmicos. Portanto, a dopagem por transmutao sempre ir introduzir defeitos de modo significativo no cristal de silicio. Estes defeitos funcionam como armadilhas, aprisionando os eltrons. Ou seja, a deteriorao da estrutura do crista] resulta em uma variao significativa das suas propriedades eltricas.

No h ainda um consenso de qual o procedimento mais adequado para o tratamento trmico. A discrepncia entre os procedimentos considerados como ideais pelos diversos autores deve ter sua origem nas diferenas de qualidade dos cristais antes da dopagem e nas diferenas de condies de irradiao.

Est estabelecido que temperaturas baixas no so convenientes -[36D. tratamento trmico realizado abaixo de 550 '^C pode introduzir uma concentrao siqnificativa de tomos de oxignio que so "doadores". Outro fato aue temperaturas menores do que aproximadamente 650 C no so suficientes para remover os defeitos introduzidos na rede

pela irradiao. Temperaturas mais altas, acima de 800 ' ' c , devem ser utilizadas com extremas precaues quanto s impurezas, pois acima desta temperatura, os elementos metlicos se difundem com muita facilidade no silicio.

Um parmetro muito importante para se estabelecer 0 tratamento trmico mais adequado a razo de cdmio. Quanto mais baixa esta razo, maior deve ser a temperatura, pois um nmero maior de nutrons rpidos ir provocar mais defeitos.

II. 5 . Medio da Resistividade nas lminas de Si

Aps o tratamento trmico as lminas de Si irradiadas submetemse medida de resistividade. A medida de resistividade a mais fundamental das medidas de rotina que comumentemente so feitas em cristais semicondutores. Basicamente estas medidas so feitas, fazendose passar uma corrente de valor bem conhecido atravz da amostra e medindo-se uma queda de voltagem entre dois pontos separados, a uma distncia conhecida.

Existem dois mtodos de se medir a resistividade de materiais semicondutores. Um , mtodo muito preciso aplicar um potencial transversal na amostra, realizando uma srie de medidas* potenciomtricas da queda de voltagem entre uma ponta de contato fixa e uma mvel. A ponta de contato mvel permite pequenos movimentos ao longo da amostra, normalmente de O.5 mm ou 1.0 mm. Um desenho eaquemtico ilustrado na figura 2.5.1.

Como podemos observar pela fig. 2.5.1, se a distncia entre as pontas de contato for aumentada de x a x

Ax, a variao da resistncia AR do parte da amostra que situase entra, j< e x + Ax somada resistncia R da parte entre O e x. Ento, se a corrente fluindo sobre a amostra 1 e se a mudana de potencial AV verificada no potencial o

entre a ponta fixa e a mvel acompanhando a mudana Ax, pela definio de resistividade:

s u p o r t e m o v e I

c a b o de c o r r e n t e -

p a r a p o t . { - )

g . 2 . 5 . 1 . D e s e n h o e s q u e m t i c o de um a p a r e l h o de m e d i r r e s i s t i v i d a d e de

a m o s t r a s d e S i p e l o m t o d o d o p o t e n c i a l t r a n s v e r s a l

AR = AV = pAx eq.(2.5.1) I A o

Onde A a seco transversal da amostra. Resolvendo para p, vemos que

p = A AV eq.(2.5.2) I Ax o

Representa a resistividade do material entre x e x Ax,

Fazendo uma srie de medidas levando em conta a mudana do potencial AV em funo do espaamento Ax, possvel chegar em uma determinao experimental da resistividade como funo da distncia ao longo da amostra. Um grfico representando estas medidas de resistividade denominado perfil de resistividade da amostra.

O outro mtodo o usado no presente trabalho chamado de mtodo 4 pontas. Este mtodo mais prtico, porm menos preciso que o anterior e usado para controle de especificaes de materiais em dispositivos de processos de fabricao. Nesse mtodo, 4 pontas equidistantes tocam a superfcie da amostra, conforme ilustrado na fig.2.5.2 . As duas pontas externas so usadas para fazer passar uma corrente contnua, pela amostra, e o par interno de pontas usado para medir uma queda de voltagem por um potencimetro.

Usando os mtodos padro da teoria de corrente contnua e eletrosttica, pode-se achar a distribuio de-potencial resultante e desta soluo mostrar que a diferena de potencial entre as duas pontas internas deve ser dada por

V = ' I eq.(2.5.3) 2 n a

Onde,

I = corrente continua

COM

ESP AC ADOR

I S O L A N T E

FORNEC]MENTO DE C O R R E N T E

P O T E N C I O M E T R O

-PONTAS AMOSTRA

i g . 2 . 5 . 2 . D e s e n h o e s q u e m t i c o de um a p a r e l h o m e d i d o r de r e s i s t i v i d a d e

p e l o m t o d o 4 p o n t a s

a = espaamento entre as pontas adjacentes a = condutividade eltrica.

Como

P = 1 eq. (2 .5.4) a

Podemos obter uma outra equao sob a forma

p = 2 n a V eq. ( 2 . 5 . 5 ) I

Em nosso trabalho, utilizamos para a realizao das medidas de resistividade de amostras, um medidor de

resistividade pelo mtodo 4 pontas marca Veeco, modelo FP 5000 .

CAPITULO III.

EQUIPAMENTOS UTILIZADOS E PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS

III.1. Introduo

Para se utilizar a tcnica NTD em monocristais de Si, exige-se um fluxo de neutrons da ordem

1.3 2

de 10 n/cm .s. Lom um fluxo de neutrons menor, alonga-se muito o tempo de irradiao dos monocristais de Si.

A temperatura nr posio de irradiao deve ser a mais baixa possvel, de preferncia menor do que ISO^^C, para se evitar defeitos na estrutura do cristal. Qualquer amostra irradiada num reator est sujeita ao aquecimento provocado pelas reaSes nucleares que ocorrem em seu interior e devido s radiaes que chegam na amostra. Estas reaes liberam energia provocando o aquecimento da amostra. G efeito da temperatura pode ser minimizado, colocandose o cristal de silicio em contacto direto com a gua, que geralmente o prprio refrigerante do reator, ou ainda, por meio de um fluxo de gs atravs do canal de irradiao.

Procurou-se. portanto, uma posio para irradiao dos monocristais de Si no reator lEA-Rl, prtica e compatvel com as condies de irradiao exigidas. Uma vez escolhida a posio adequada para a irradiao dos monocristais de Si no reator, foi inicialmente construido um dispositivo para irradi-los. Este dispositivo permite irradiar tarugos de Si de at 2,5" de dimetro. Posteriormente, j com as bases do projeto bem definidas, iniciou-se a confeco de outro dispositivo de irradiao para tarugos 'de Si de at 4" de dimetro, e a implantao de um laboratrio pra controle da atividade do Si irradiado..

III.2. Reator lEA-Rl

O reator lEARl do IPEN um reator de pesquisas tipo piscina. Tem como moderador e refrigerante a gua leves como refletor, blocos de grafite revestidos de aluminio e como blindagem radiolgica gua e concreto com barita que chega a atingir 2 metros de espessura na parede lateral da piscina, fluxo de nutrons controlado por trs barras de segurana e uma de controle. A refrigerao realizada atravs de uma circulao forada de cima para baixo com gua leve, com vazo normal de 600 m V h , sendo a temperatura de entrada do refrigerante no ncleo do reator em torno de 30 C e de salda 33 C , para a operao de 2 MW. Opera desde 1758 com uma potncia de 2 MW, embora sua capacidade construtiva permita at 5 MW. A figura 3.2.1 ilustra a vista geral do reator lEA-Rl.

O caroo do reator constituido de 27 elementos combustveis circundados por elementos refletores. As dimenses da parte ativa do ncleo do reator so de 60X40X38 cm^ Os elementos combustveis so constituidos de placas de aluminio com xido de urnio no interior, formando um "sanduche". Alguns elementos combustveis possuem urnio enriquecido a 93% e outros a 20%, pois os elementos combustveis esto sendo trocados por outros com baixo enriquecimento. A figura 3.2.2 ilustra esquematicamente o ncleo do reator, olhando-se de cima, com uma legenda sobre sua composio.

III-3. Dispositivo de Irradiao do Silicio

O 'desenho do dispositivo de irradiao de tarugos de Si de 2,5" de dimetro, esta ilustrado na figura 3.3.1. Podese observar, que este dispositivo constituido de um tubo guia de Al (de 3" de dimetro), instalado numa

p i s c i n a

F i g. 3_. 2 1 V i s pi o n e r a l A r r. T XZ A _ Q 1

h a s t e

tubo g u i a

canaca

M o t o r

^

n

T

n

a

1^ o n t e

u b o pa ra

n c l e o do r e a t o r

U L J U LJ W L j

< 1 . 3 . 3 . 1 . D e s e n h o e s q u e m a t i c o d o d i s p o s i t i v o d e 2 / b p o l e g a d a

posico vertical no caroo do reator, e fixado atravs de um plug de Al, ocupando a posio 42 da placa matriz. A figura 3.2.2 ilustra o posicionamento deste dispositivo no caroo do reator. Dentro deste tubo guia introduzido um recipiente de aluminio, dentro do qual colocado o tarugo de silicio. Este recipiente suspenso por uma haste de aluminio fixado em sua tampa. A haste presa na ponte do reator e conectada a um motor que faz todo o conjunto girar a uma velocidade de 2 rpm.

Um tubo de Al de 7 mm de dimetro soldado na face lateral do tubo guia, destina-se ao alojamento do detector SPND { Self Powered Neutron Detector )

O desenho do dispositivo para irradiao de tarugos de Si de 2,5", 3" e 4" de dimetro, esta ilustrado na figura 3.3.3. Este dispositivo instalado verticalmente junto ao caroo do reator. Veja a figura 3.3.3a.

Pode-se notar pela fig.3.3.3, que este dispositivo constituido de um tubo guia quadrado, e de dois plugs confeccionados de Al. As dimensBes deste tubo so de " de lado por 1,5 m de comprimento. Dois lados deste tubo guia quadrado, (a) e (b), ocupam posies de elementos refletores e portanto so confeccionados de grafite e revestidos de aluminio externamente, tendo cada lado uma espessura de 28 mm. Os outros dois lados do quadrado, (c) e (d), so constituidos de chapas de Al de 1/8". Dentro deste tubo guia introduzido um recipiente de Al de 110 mm de dimetro (e), onde colocado o tarugo de Si alojado dentro de uma caneca de aluminio. Um adaptador (f) para tarugos de Si com dimetros de 2,5" ou 3" usado para manter o tarugo de Si numa posio vertical dentro deste recipiente. Para a sustentao e apoio do recipiente de Al, existe um pino de Al (g) em sua parte inferior, encaixandose sobre uma bucha (h), de dimenses 69.85 x 22 mm, confeccionada de ao inox, fixada na base do tubo guia . Este recipiente suspenso por uma haste de Al (i) fixada em sua tampa (j) atravs de um pino trava (k). A haste presa na ponte do reator e

. - / 0 : 3 ^vB

F i g . 3 . 3 . o . D e s e n h o e s q u e m t i c o d o

d i s D o s i t i v o 2 . 5 " . 3 " e 4".

7^ 2

ye

3 m X

X o X X

ra s Q

1/

^ K s ^ K K

E l e m e n t o E l e m e n t o Combustvel \ ^ R e f l e t o r

E l e m e n t o Fonte de de

I r r ad iao E I eme nt o C omb U S t V e I de c o n t r o l e

D l e p o B i t i v o d e

I r r a d i a o d o S

N e u t r o n s

T a m p o

F i q . 3 . 2 . 2 . V i s t a d e ma do rI u c I e o d o

r e a t o r 1 E A - R1

conectada a um motor que faz todo o conjunto girar a uma velocidade de 2 rpm.

Dois tubos de Al (1) de 12 mm de dimetro, soldados cada um nas faces laterais (c) do tubo quadrado, destinamse ao alojamento dos detetores SPND.

A figura 3.3.4 ilustra esquematicamente o

desenho do dispositivo de 2.5, 3 e 4 polegadas no reator

lEARl, apresentando-o numa viso geral mediante um corte

vertical. Nesta figura h a presena de um espaador, que consiste de um tubo de aluminio, usado para controlar o

posicionamento do tarugo de Si dentro de uma determinada

regio de fluxo de nutrons.

III.4. Arranjo Experimental para Monitorao da Atividade Residual do P^* do Cristal de Silcio.

No presente trabalho foi instalado um

laboratrio composto de um sistema capaz de medir a atividade residual do cristal de silcio aps a irradiao. O objetivo verificar quando o cristal ter um valor de atividade abaixo do valor mximo estabelecido pelas normas de proteo radiolgica para o cristal ser considerado como isento de regulamentaes. Este sistema consiste de um

detetor geiger e eletrnica associada cujas caractersticas e procedimentos de calibrao, esto descritos no sub-tem

III.5.3 e III.8 respectivamente.

Foi elaborado um arranjo para auxiliar a monitorao da atividade residual de ^*P nos tarugos de Si.

Este arranjo permite um mapeamento preciso em toda a superfcie do tarugo de Si monitorado. O esquema deste

arranjo mostrado na figura 3.4.1.

Q arranjo constituido de dois eixos cilndricos (a), encaixados uma base de sustentao com dimenses 40 x 15 cm de lado (b).

m o t o r p o n t e

t u b o p a r a a I o j a m e n t o do d e t e c t o r

S P N D

c a n e c a de i r r a d i a o

p I s o

t u b o p a r a a I o Jamen t o do d e t e c t o r

s p n d

N

K

t u b o g u l a ,

a d a p t a d o r .

e s p a c a d o r

p i n o de s u s t e n t a o ^ L ^ t

h a s t e

t amp a

t a r u g o de s i l i c i o

/

- e I e m e n t o s c o m b u s t i ve i s

p l u g s

F i g . 3 . 3 . 4 . V i s o g e r a l m e d i a n t e um c o r t e v e r t i c a l d o d i s p o s i t i v o d e 2 . 5 ,

e 4 p o l e g a d a s n o r e a t o r l E A - R l

F i g . 3 . 4 . 1 . D e s e n h o e s q u e m t i c o d o a r r a n j o a u x i l i a r p a r a 3 2

m o n i t o r a r a a t i v i d a d e r e s i d u a l d o P .

Um prisma (c) destinado ao apoio de tarugos de silcio dispostos em posiSo horizontal , fixa-se sobre

um prato circular (d) que permite movimentos de rotao nos eixos X e y. Este prato por sua vez, fixa-se sobre uma base

mvel e pode deslizar por entre os dois eixos cilndricos (a), permitindo movimentos na direo x.

base de sustentao (b) est acoplado, na parte central, um fuso (e) que permite movimentos no eixo z.

O arranjo permite movimentos na direo dos eixos X , y e z em relao a um detetor geiger Mueller, que

se encontra em uma posio fixa para a monitorao da

atividade. O material do qual confeccionado o arranjo todo de ao.

III. 5 Detectores Utilizados

III.5.1. Detector SPND CSelf Powered Neutron Detectorj

A idia inicial e a descrio do projeto do detector SPND foi estabelecido pelo russo M.B. Mitelman em

1961, e os primeiros estudos visando o uso de detectores

self-powered encontrados na literatura datam de 1964 tl6D.

Estes detectores podem ser projetados para serem relativamente sensveis a nutrons e raios gama.

Os detetores self-powered so particularmente teis para medidas continuas de distribuio de fluxo no ncleo de reatores por periodos que variam de meses a anos. Em reatores de potncia estes detetores podem ser usados para mapeamentos de fluxo e controle da variao de potncia. Se houver necessidade de informaSes do fluxo mdio sobre a extenso de um volume ou comprimento, os detetores self-powered podem ser fabricados sob a forma de longos cabos flexveis.

As principais vantagens do detector SPND so:

, . . . r-RTrr.; N U C L E A R / S P - M

baixo custo -simplicidade de operao e instrumentao de leitura,

-exatido e confiabilidade

pequeno "burnup" e vida longa

-continua capacidade de operao em ambientes

de alto fluxo, e altas temperaturas

-reprodutibilidade de caractersticas de saida de deteco,

-pequenas dimenses, que diversificam o seu uso, podendo ser manuseado em lugares de dificil acesso.

Na fig.3.5.1, ilustrado um desenho esquemtico de um detector SPND. Como pode-se notar, este detector formado por dois eletrodos em geometria coaxial separados por um isolante. No caso de um detector SPND sensvel a nutrons trmicos, o eletrodo central ou emissor, formado por um elemento com elevada seco de choque para captura de nutrons trmicos, ficando radioativo e decaindo pela emisso de partculas (3 . O eletrodo externo ou coletor configura o envelope externo ou carcaa do detector. O isolante formado por Al^O^ ou MgO.

princi pio de operao do detector SPND consiste em medir a intensidade de corrente eltrica gerada devido a um fluxo incidente de nutrons ou raios gama no material emissor. Existem dois mecanismos primrios onde esta radiao incidente no material emissor convertida em corrente eltrica. No primeiro caso a captura de nutrons pelo emissor produz um ncleo produto radioativo que decai pela emisso de partculas (3 . Detectores SPND que operam neste princpio de funcionamento so classificados como detectores com tempo de resposta lenta ou atrasada, isto porque o tempo de resposta de um detector SPND para fornecer

informaes sobre o fluxo de nutrons incidente no emissor, depende da meia vida do ncleo radioativo formado. No segundo caso a captura de nutrons pelo emissor produz radiao gama de captura que so parcialmente absorvidas no

c o l e t o r

e m I 3 s o r

i 3 0 I a d o r

_ c a b o c o a x i a

m e d i d o r d e c o r r e n t e

F i g . 3 . 5 , 1 . D e s e n h o e s q u e m t i c o d e um d e t e c t o r SPiND

prprio emissor produzindo efeitos comptom e fotoeltrico. s detectores SPND que possuem emissor com estas caractersticas so classificadas como de resposta rpida ou pronta.

Em ambos os tipos de detectores, uma parte

dos eltrons emitidos pelo emissor possuem energia suficiente para atravessar o isolante e ser recolhida no

coletor. Dessa forma a intensidade da corrente eltrica medida entre o coletor e o emissor ser proporcional a intensidade do fluxo de nutrons no detector.

Os tipos de materiais emissores mais comuns para detectores SPND com sensibilidade a nutrons sos Prata ( Ag ) e Rdio ( Rh ) como detectores de resposta atrasada; e Cobalto ( Co ), Hfnio ( Hf ) e Platina ( Pt ), como detectores de resposta pronta.

Na escolha do tipo do detector SPND adequado para um determinado experimento, se de resposta pronta ou no, devese considerar se o fluxo de nutrons incidentes no emissor continuo durante o tempo, ou sofre interrupes. Isto porque, por exemplo, num detector de resposta pronta,

como D detector SPND com emissor, de cobalto, que possui uma meia vida de 5.272 anos, haver uma contnua emisso de corrente eltrica pelo material emissor, mesmo com uma interrupo de horas no fluxo de nutrons incidentes, gerando, neste caso, uma errnea informao sobre o fluxo de nutrons incidente durante um certo perodo de tempo. Por outro lado, num detector SPND com emissor de curta meia vida, como por exemplo o rdio, que possui meia vida de 42 s, D fornecimento da informao sobre a interrupo de fluxo seria dada com um atraso 42 s; da a definio, detector de resposta lenta ou atrasada.

Durante a instalao de um detector SPND, no local onde se deseja um monitoramento de fluxo, devese assegurar sempre a existncia de no mnimo 1/8" de gua ou massa equivalente, entre o detector SPND ou cabo e qualquer

massa de Aluminio situada nas vizinhanas do local. Os ncleos dos tomos de aluminio ativos emitem partculas p de 2.S7 Mev que podem penetrar o detector ou cabo

interferindo na corrente eltrica que teve origem no emissor.

No presente trabalho, foram utilizados dois detectores SPND de emissor de Platina, com as seguintes caractersticas gerais:

Dimetro externo : 2mm -Comprimento sensvel: 100 mm

-Dimetro do emissor: 1 mm -Comprimento do cabo: 12 m

Estes detectores foram fabricados no IPEN.

III. 5.2. Detectores Gama - Detectores de Clntilao

O detector de cintilao empregado no presente trabalho um cristal inorgnico Nal (TI), um dos mais utilizados para deteco de radiao gama . Este tipo de detector apresenta um rendimento de luz excelente, maior do que qualquer outro material cintilador conhecido C25], C33] e. considerado como material padro para espectroscopia gama. O cristal frgil e higroscpico, devendo ser encapsulado, no podendo ser exposto ao

ambiente.

O detector gama utilizado um cintilador de iodeto de sdio ativado com tlio tipo 12S12/3, de janela fina, com 76.2 mm de dimetro.

III.5.3. Dotectoras &ig&r - Mtll&r

O detector Geiger - Mller um detector que emprega cmara de gs. O princpio de funcionamento de um detector a gs, em geral, consiste de um cilindro condutor cheio de gs, ou uma mistura de gases, a uma presso

relativamente baixa e um fio coaxial bem isolado das paredes do cilindro entre os quais se aplica uma diferena de potencial. Quando uma radiao ionizante passa atravs do detector, ela ioniza o gs, gerando pares de ons que so coletados dando origem a uma carga Q em eletrodos C203, [25] e C303.

Em um detector Geiger - Mller a carga coletada independe da ionizao que a inicia ( ionizao primria ), sendo caracterizado por um processo de avalanche de pares de ons, iniciado por uma radiao incidente no detector [253, [30]. Dado a independncia da carga coletada com a ionizao primria, no se pode medir a energia das partculas, nem possvel discriminarem-se tipos diferentes de radiaes atravs da ^ensibilidade do circuito eletrnico do detector Geiger - Mller. O detector geiger utilizado um detector com preenchimento a gs NeA ( halog. ), tipo 18506, aplicao /?, ^ .

III.6. Monitorao de Fluxo de Nutrons

Para a medida de ,f luxo de nutrons no reator utilizouse fios de cobalto como monitores. A seguinte reao utilizada para produo do ncleo radioativo Co***

Co ( n,y- ) Co e Co

A porcentagem isotpica do Co^** lOOX [253 e a meia vida dos produtos formados para o Co***"" ( meta estvel ) igual a 10,5 minutos, e, para o Co*^ *^ , igual a 5,272 anos. A seco de choque total cr^ para reao in^r) de 37,2 - 0,6 barns [353-

No processo de ativao do Cobalto ocorre a formao do Co****"*, nucldeo metaestvel, sendo necessrio esperar o seu decaimento para Co*^, antes de efetuar a medida de atividade. A meia vida do Co*^"* da ordem de 10,5

minutos; portanto, suficiente uma espera de algumas horas aps a irradiao. A medida da atividade especifica de um fio de cobalto aps irradiao por um tempo determinado, fornece o valor de fluxo de nutrons.

Como descrito no capitulo II, subi tem II.3, o melhor mtodo para medir o fluxo de nutrons durante a irradiao de amostras de Si pela tcnica de ativao, usando fios de Cobalto. Para se medir a atividade dos fios de Co*"*, usou-se no presente trabalho um sistema de espectrometria gama.

O sistema de espectrometria gama Nal(Tl) utilizado, emprega o arranjo eletrnico visto na figura 3.6.1. Esse sistema constituido pelo detector Nal(Tl) 3" x 3" acoplado a um pr amplificador, uma fonte de alta tenso, um amplificador, um analisador monocanal, um contador e uma impressora.

Os pulsos provenientes do detector de cintilao, apis sua amplificao, so selecionados nos intervalos de energia de interesse atravs de um analisador de altura de pulsos monocanal. A fig. 3.6.2 ilustra o espectro de energia do Co**. onde h uma regio sombreada que significa a rea correspondente aos intervalos de energia de interesse selecionados. Os pulsos selecionados so enviados para o scaler onde so registradas as contagens.

A curva de calibrao determinada a partir de medidas de atividade conhecida de um conjunto de fontes de Co**'. Estas fontes foram padronizadas num sistema de cmara de ionizao de poo 4rr, no laboratrio de metrologia nuclear do IPEN-CNEN/SP.

Foram utilizados 5 fontes padrSes de Co*** com diferentes atividades . As atividades so prximas s atividades dos fios de cobalto que sero irradiados no reator lEA-Rl, junto com tarugos de silcio. Foram

GETECTOR P R E A M P L I r j a n T 1 AI-IFL I F [ . F I C A D O R

A L T A " E N S A O

A N A L . ri O N O -

C A N A L

COMT ADORi I M P R E S S O R A

^ i g . 3 . 6 . i , D i a g r a m a d e b l o c o d o a r r a n j o e l e t r - o n i c o d c s i s t e m a r i a l C T I ,)

F g . 3 . c . 2 . E s p e c t r o d e e r . e r g i a d o C o - 6 0 em um d e t e c t o r N a l ( T I )

Tabela 3.6.1. Atividade das fontes padrSes de Co

utilizados como monitores, fios de cobalto de 0.504 mm de dimetro por 2 mm de comprimento. A tabela 3.6.1 mostra as atividades dos fios de cobalto utilizados como padrSes.

III.7. Calibrao do Detector Geiger

Como mencionado no capitulo II, a reao do ncleo P^ * com nutrons trmicos, geram P^^, que por sua vez decaem por emisso de partculas f3 , deixando o monocristal de Si radioativo. A meia vida do P^'^ relativamente longa; 14,22 dias, o que leva a um tempo de espera de pelo menos duas semanas para o manuseio do monocristal aps a irradiao. A medida desta atividade residual do P^^ presente nos monocristais aps a irradiao essencial sob o ponto de vista de proteo radiolgica, para a liberao do monocristal para fins comerciais.

3 2

Como o P uro ncleo radioativo, emissor puro de radiao (3 com energia mxima E _= 1.7 Mev e meia vida 14.22 dias [293, a determinao da atividade especfica do P^^ num cristal de silicio macio um pouco complexo, devido absoro das partculas"^ no meio do silicio e envolve clculos elaborados para estimar os efeitos desta absoro. No presente trabalho, foi realizado uma simulao experimental para calibrao do detector que mede a

3 2

atividade beta do P . Foi utilizado para medir a atividade residual dos monocristais de Si irradiados, um detector geiger. Um procedimento prtico para a calibrao do detector geiger, observando a mesma geometria dos monocristais , seria a construo de um recipiente com as mesmas dimensSes do monocristal, chelo de uma soluo com atividade conhecida de P^* diluida. Deste modo, pode-se monitorar este recipiente e calibrar o detector geiger.

Foi preparado como fonte de atividade

conhecida para a calibrao do detector geiger, uma soluo de P . A composio desta soluo constituiu-se de 98 mg de

CCWISCAO KAC:Cf^ ;:. a t N t R G ; / . N U C L E A R / S P - IPES

SPND D IG ITAL IZADOR DE CORRENTE

SCALER

P R I N T E R

l g . 3 . 8 . 1 . D i a g r a m a d e b l o c o do

o d e t e c t o r SPND s t e r n a e l e t r n i c o e m p r e g a d o p a r a

> Q-0) n

-O a. e

0 -Q 3

O T3

E

o

/ .1 L /i

-J

o ce

Ll

c b c , c: e P '. C c o I i rr. a d c r S u p O r t .

J \ D de ' ' c o n e x o

-^m e s a a p o i o

c e c c o r g e i g e r

''.s o .j ; a o d e P 3 2

- ^ a r r a n j o a u x i l i a r

u n d a d e

d i d t i c a

de c o n t a g e m

g . 2 . / . 2 . D e s e n h o e s q u e m t i c o d o e x p e r i m e n t o p a r a a c a l i b r a o d o d e t e t o r

G e i g e r

cido fosfrico por litro d'gua.

As fontes foram preparadas em sala especial para pesagens, seguindo as normas prescritas pelo BIPM C333 no laboratrio de Metrologia Nuclear do IPEN. Uma alquota da soluo de P^^ foi colocada sobre suporte especial constituido por uma arandela de ao, sobre a qual colocada uma pelcula de VYNS ( acetato de cloreto de polivinila ). Para cobrir essa pelcula com uma superficie condutora, os suportes sofrem um processo de metalizao vcuo, com deposio de ouro, antes da preparao das fontes. Para obter a atividade absoluta de emissores betapuros , a fonte assim preparada foi medida pelo mtodo ATZ-(3 CIO], C39]. A atividade medida desta soluo foi de 6.89 - 0.34 KBq/g.

Um tubo de PVC de 3" de dimetro por 250 mm de comprimento, com janelas de makrofol KG de 8 j de espessura por 31 mm de dimetro, foi totalmente preenchido com esta soluo de P . Sobre as janelas de makrofol fixou-se um colimador de lucite de 12 mm de espessura por 25 mm de dimetro interno e 35 mm de dimetro externo, conforme figura 3.7.1

O tubo de PVC a^ssim preparado deitado, apoiado, sobre o prisma do arranjo auxiliar, permitindo que o tubo geiger penetre exatamente pelo dimetro interno do colimador at tocar a superfcie do makrofol, conforme fig.3.7.2. As contagens so ento registradas em uma unidade didtica de contagem PI 752.

III.8. Calibrao do detector SPND

O sistema eletrnico empregado para o detector SPND est ilustrado sob forma de diagrama de bloco na figura 3.8.1. O detector SPND utilizado um detectar com emissor de platina.

A corrente eltrica proveniente do detector SPND processada em um digital izador de corrente e apis.

enviada para um contador e, em seguida as contagens so

impressas em uma impressora.

Estes detectores so usados para medir a dose de nutrons de uma forma relativa. Aps a calibrao, os detectores SPND podem ser usados para controle de dose de

nutrons recebida pelo cristal de silicio durante irradiao, que um parmetro importante para controle preciso da resistividade final do Si. Para a calibrao desses detectores, foram usados as medidas do fluxo de nutrons trmicos obtidas a partir dos monitores de cobalto.

CAPITULO IV

RESULTADOS EXPERIMENTAIS

A uniformidade na resistividade do cristal de

silcio aps a irradiao fortemente dependente do comportamento do fluxo de nutrons ao longo de toda a extenso da amostra. Deve - se portanto minimizar quaisquer

efeitos de no uniformidade do fluxo, absoro de nutrons no cristal, depresso local de fluxo, etc.

VariaSes espaciais e temporais de fluxo esto relacionadas principalmente a fatores geomtricos do reator e ao seu ciclo de funcionamento. Deve - se considerar que, embora tais efeitos estejam presentes em qualquer tipo de reator, em reatores tipo piscina, as distorSes do fluxo trmico ao longo de um determinado eixo so, em geral maiores que em outros tipos de reatores, como aqueles moderados a gua pesada ( D^O ) e grafite. Isto se deve principalmente pequena altura do caroo do reator^ menor taxa de produo de nutrons e s propriedades dos nutrons na gua comum.

As caractersticas eltricas dos semicondutores so altamente dependentes da perfeio da rede cristalina, sendo portanto, recomendvel que a gerao de defeitos seja a mnima possvel. A razo entre o fluxo de nutrons trmicos e nutrons acima desta energia ( nutrons epitrmicos e rpidos ), constitui um parmetro fundamental no que diz respeito gerao de defeitos.

Pode-se afirmar que as condiSes de irradiao 12 13

exigem um fluxo de nutrons trmicos entre 10 e 10 2

nutrons por cm por segundo, a razo entre o fluxo de nutrons trmicos e o fluxo de nutrons rpidos entre 3 e 100 e a variao do fluxo de nutrons ao longo do eixo vertical deve ser menor do que 107. C153.

MJ.

IV. 1. Hedida do Fluxo de Neutrons.

Como descrito no capitulo II, a dopagem do monocristal de Si depende da dose de nutrons recebida pelo monocristal. Usouse no presente trabalho, o mtodo de ativao de fios de cobalto para o controle absoluto da dose de nutrons incidente sobre cada amostra de Si irradiada. Cada fio de cobalto teve uma numerao em comum com a respectiva amostra de Si irradiada. A determinao do fluxo trmico utilizando os fios de cobalto, foi efetuada por meio das medidas de atividade induzida, utilizando a seguinte expresso;

A^( 1 - R ^^e 0^= _ eq. 4.1

G N = Fluxo de nutrons trmicos '

T = Temperatura do meio moderador o

( T^ = 20*^0 ) T = Temperatura na posio

irradiao.

Os parmetros G^ , T e R " foram determinados experimentalmente. Abaixo, esto relacionados os fatores com uma apresentao de informaSes especificas sobre cada um deles:

6^ : fator "self-shielding"; seu valor foi

de O.858 - 0.02. Sua determinao experimental encontra-se descrita no sub-item IV.2.

T : temperatura na posio de irradiao. Esta temperatura foi determinada por meio de termo pares Q valor medido foi: T = SO'^C.

R : razo de cadmio. Q valor experimental determinado para a razo de cadmio utilizando fios de

cobalto foi de 29,3. A determinao experimental da razo de cadmio R encontra-se descrita no sub-tem IV.2.

Os erros nos valores da determinao de fluxo foram calculados por propagao de erros em cada um dos fatores utilizados na expresso 4.1. Esses erros so apresentados a seguir:

-Erro causado pela incerteza na determinao da atividade. Para esse clculo foram considerados os seguintes erros parciais:

E : erro estatstico, calculado pegando-se a i

uma mdia aritmtica do valor das contagens da fonte de Cof Uma mesma fonte foi contada dez vezes pelo sistema Nal(TI). Este erro foi da ordem de 0.2X .

E : erro na atividade das fontes padrSes de

Metrologia Nuclear (NPA) do IPEN/CNEN-SP. E =2.57. . ap

E. : erro causado pela incerteza do tempo de t\.

irradiao. Essa incerteza provm da cronometragem durante a operao, para colocar e retirar o monocristal da posio de irradiao junto ao caroo do reator. Este erro foi estimado em 0.17. .

E : erro no tempo de rampa do reator. O p

tempo de rampa do reator, o perodo compreendido durante o tempo de incio de operao do reator ao tempo em ele fica critico; com sua potncia mxima. Este erro foi calculado para um perodo de irradiao de 8 h em nossas amostras, e o valor do erro obtido que ocasionar uma incerteza na determinao do fluxo da ordem de O.IX .

E ! erro causado pela incerteza na meia T l / Z

vida. Este erro foi calculado por meio dos erros encontrados na literatura para T . Este erro foi da ordem de 0.17. .

E : erro causado pela incerteza nos valores

da seco de choque c^; este erro obtido do valor tabelado na literatura C35], sendo da ordem de l.7. .

E : erro causado pela incerteza na m

determinao da massa do fio. Este erro dado pelo erro da balana utilizada ( Mettler M5 SA ) que de 15 JQ.

E s erro causado pela incerteza nos valores a

1 obtidos experimentalmente de G^, que da ordem de 2.5% .

As atividades dos fios de cobalto irradiados so determinados atravs da curva de calibrao do sistema Nal (TI), dado pelo grfico das contagens coletadas pelo detector em funo das respectivas atividades conhecidas de fontes padrees. Na fig. 4.1.1 mostrado a curva de calibrao do sistema Nal(TI).

6,0E + 006 -1

( 1

o

c: o r-m

5 . 0 E + 0 0 6 -

4.0E + 006 -

D" CG

(U 3.0E + 006 " O O

" D >

< 2.0E + 006 -

1.0E + 006 -

O .OE+000 I I I I I I I I I I I I I M I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I O 2 0 0 0 0 0 4 0 0 0 0 0 6 0 0 0 0 0

I I I I I I I I I I I I I 8 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0

Contagens detector Nal(TI) ( c p s / g )

F ig .4 .1 .1 . Curva de cal ibrao do s is tema Nal(Tl)

IV.2. Medida do Fator "Self-Shielding" e Razo de Cadmio.

Neste subi tem descrito o mtodo experimental utilizado para determinao de um dos fatores de correo de fluxo; o efeito sombra, ( "Self- shielding " ).Este efeito ocasionado no prprio fio de Cobalto, devido a sua espessura . denominada sombra pois os tomos das camadas mais externas absorvem uma frao dos nutrons incidentes , ficando as camadas mais internas expostas a um fluxo mais baixo, uma vez que j foi absorvida pelas camadas externas d l , C23 e C343. A fig.(4.2.1) ilustra o comportamento do fluxo de nutrons na presena do fio.

A experincia para determinao do fator "Self-Shielding" foi realizada com dois fios de cobalto . O fio n- 1 foi dissolvida em cido ntrico, ( volume mais ou menos 1 ml ), diluido para 5 ml; 50 JI desta soluo foram depositados em um papel de filtro Whatmann, e selada em um tubo de si 11ca.

G fio de Cobalto n- 2, selado em um outro tubo de silica e a soluo pipetada, foram juntos irradiados sob um fluxo de nutrons no reator durante 6 h. Em seguida o fio n- 2 foi dissolvido em cido ntrico e completada no volume de 5ml; 50 ul desta soluo foi pipetado, depositado num papel de filtro Whatmann e selado em um tubo de silica.

Os dois tubos de silica contendo as soluSes, foram medidas atravs de um detector Ge(Li) no laboratrio de Metrologia Nuclear do IPEN/CNEN-SP. Os resultados so mostrados na tabela 4.2.1. O fator "self-shielding", G^, a razo entre as atividades especficas das duas soluSes, e como pode-se observar de 0,86 - 0.02.

Para a determinao da razo de cadmio, irradiouse juntos dois fios de cobalto, um envolto em cadmio e outro sem cadmio. O cadmio um material que apresenta uma seo de choque de absoro com o valor da ordem de 2500 b na energia trmica, com uma ressonncia

F L U X O

FLUXO I N C I D E N T E NA S U P E R F I C I E DA F O L H A

FLUXO MEDIO ( D E T E R M I NADO EXPERIMENTALMENTE )

F i g . 4 . 2 . 1 . C o m p o r t a m e n t o d o f l u x o d e n u t r o n s na p r e s e n a do

f i o d e c o b a l t o

prxima em O,178 eV. Acima dessa energia a secSo de choque * bastante baixa, caindo para 70 b. Deste modo o cadmio atua

como um filtro de nutrons, absorvendo os nutrons de energia abaixo de uma certa energia de corte E _, e deixando

cd passar nutrons acima dessa energia. A energia E se

cd

localiza prximo energia do pico da ressonncia e varia ligeiramente com a espessura de cadmio a ser utilizada.

Por clculos tericos pode-se determinar uma energia de corte efetiva que esta em torno 0,5 eV, para uma espessura de cadmio de 0,5 mm. A razo entre a atividade do fio sem cadmio e a atividade da fio com cadmio dar a razo de cadmio definida por:

A R = - 2 eq. ( 4.2.1 )

A c

Onde:

A^ = atividade especifica do fio de cobalto sem cadmio.

A^ = atividade especifica do fio de cobalto com cadmio.

^ Tabela 4.2.1. Resultados do experimento self-shielding.

o n- fio dimetro massa atividade

( mm ) ( mg ) ( Mbq/g )

1 1 4,714 - O.019 3,649 - 0.055

2 1 4,238 - 0.017 3,132 - 0.047

A tabela 4 . 2 . 2 . mostra os resultados

do experimento para a determinao da razSo de cadmio R na posio de irradiao dos cristais de Silicio.

Com o valor da atividade especifica do fio de

cobalto envolto com cadmio A^, determinoii-se o fluxo de

nutrons epitrmicos na posio de irradiao atravs da expresso:

A ln(E /E ) 0 = - - - eq. ( 4 . 2 . 2 )

6 N I ( i - e ^^i )

Onde:

A = atividade especifica do fio de cobalto c

envolto com cadmio (espessura 0 , 5 mm). \ = constante de decaimento do Co**** . (X. =

4 , 2 . 10~** s~*) . t^ = tempo de espera.

E^ = mxima energia adotada para os nutrons epitrmicos. E^ = 1 MeV.

E^ = minima energia adotada para os nutrons epitrmicos. E = E = 0 . 5 5 eV.

G t

fator self-shielding ( 6 ^ = 0 . 8 5 8 - 0 . 0 2 ) N = nmero de tomos por grama de cobalto.

(N = 1 , 0 2 . 1 0 ^ ^ t/g). I = integral de ressonncia (I = 7 4 , 1 5 -

2 , 2 7 barns). t^ = tempo de irradiao.

O valor do fluxo de nutrons epitrmicos na posio de irradiao foi de ( 3,O - 0 . 1 1 ) . l o " n/cm^.s Usando o valor da atividade especifica do fio de cobalto sem cadmio, e utilizando a expresso 4 . 1 , calculou-se o fluxo de

Tabela 4.2.2. Resultados do experimento para a determinao da razo de cadmio R na posio de irradiao dos

cristais de Si.

fio de Co esp. (0.5mm)

massa t. irr. (g) (h)

atividade (Mbq/g)

razo de c.d, R

com cadmio

sem cadmio

0,00545

0 , 0 0 5 5 5

7,45

7,45

(1,4 - 0,02). 10'

(4 , 1 - 0,06). 10 29,3 - 0 , 6

nutrons trmicos na posio de irradiao, onde obteve-se o valor de ( 1,20 - 0,04 ).10*^ n/cm^.s . Desta maneira podese calcu