Electron(전자)
물질에 입사된 전자는 음전하를 띠고 있어 전기적인 힘에 의해 물질 내의 전자나 원자핵과 상호작용합니다. 이 과정에서 입사된 전자의 경로가 변경되며, 경우에 따라 광자(photon)가 방출될 수 있습니다.
Electron–Electron Interaction (전자-전자 상호작용)
전자끼리는 같은 음전하를 띠므로, 가까이 접근할수록 강한 반발력이 작용하게 됩니다. 이로 인해 입사 전자는 진행 경로에서 벗어나며, 표적 전자는 일반적으로 자신의 궤도를 유지합니다. 결과적으로 전자 충돌 후 입사 전자의 방향이 바뀌게 됩니다.
입사 전자가 표적 전자의 에너지 준위를 상승시키는 방식으로 상호작용할 수도 있습니다. 만약 전자가 궤도에서 튕겨나가면 전자 궤도에 빈자리가 생기고, 그 자리를 상위 궤도의 전자가 채우면서 광자가 방출됩니다.
원자번호(Z)가 높은 원소일수록 이때 방출되는 광자는 X선(X-ray)에 해당합니다. 이는 광전 효과에서 나타나는 특성 X선과 유사합니다.
반면, Z가 낮은 원소에서는 가시광선 영역의 광자가 방출됩니다. 이를 이용한 예로 형광등이 있습니다.
또한, 어떤 경우에는 표적 전자가 완전히 이탈하여 자유 전자가 되기도 하며, 에너지가 충분하다면 다른 원자들을 이온화시키며 연쇄 반응을 일으킬 수 있습니다. 이러한 고에너지 자유 전자를 델타선(delta-ray)이라고 합니다.
Electron–Nucleus Interaction (전자-원자핵 상호작용)
음전하인 전자가 양전하를 가진 원자핵 가까이 접근하면, 인력이 작용하여 전자가 감속되고 경로가 휘어지게 됩니다. 원자핵은 전자보다 훨씬 무겁기 때문에 궤적 변화는 거의 없습니다. 이 상호작용에서도 입사 전자의 경로는 변화합니다. 경우에 따라 전자가 원자핵을 직접 밀어내어 변위를 유발하기도 하는데, 이는 Displacement Damage라고 부릅니다. 하지만 대부분은 전자 에너지가 이온화에 사용됩니다. 입사 전자가 원자핵과 상호작용할 때, 감속되며 브렘스트랄룽(Bremsstrahlung) 또는 제동 복사(braking radiation)라 불리는 광자를 방출할 수 있습니다. 전자가 원자핵 가까이 접근할수록 전기적 인력에 의한 감속이 커지고, 이에 따라 방출되는 광자의 에너지도 증가합니다. 이 현상은 연속적인 에너지 스펙트럼 형태로 나타나며, 그 최대 에너지는 입사 전자의 운동 에너지에 따라 결정됩니다.
전자 산란
이미지 출처: Electron-beam interaction and transmission with sample - Wikimedia Commons
저작자: Zephyris / CC BY-SA 3.0
일반적인 반도체 소자는 불투명한 재료(플라스틱, 세라믹, 금속 등)로 감싸져 있기 때문에, 약 300 keV 이상의 에너지를 가진 전자만이 이 패키지를 뚫고 내부 회로(die)에 도달할 수 있습니다.
산업 및 의료 환경에서는 전자빔이나 방사성 물질에서 방출된 베타 입자가 존재하며, 이들의 에너지는 0.01~4 MeV 수준입니다. 이런 고에너지 전자는 패키지를 관통하여 회로에 영향을 줄 수 있습니다.
지상 환경에서는 고에너지 전자의 양이 부족해 일반적으로 반도체의 신뢰성에 큰 위협은 되지 않습니다.
하지만 우주 환경에서는 전자 플럭스가 매우 크고, 특히 밴 앨런 복사대에서는 0.1~10 MeV 범위의 고에너지 전자가 다수 분포하고 있습니다. 이들은 반도체 패키지를 쉽게 통과하며, 총 이온화 선량(TID: Total Ionizing Dose) 효과를 유발할 수 있습니다.
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