총이온화선량이 같아도 트랜지스터의 변화가 같지 않은 이유

방사선 시험에서 10krad를 견뎠다는 숫자를 보면 소자의 내성을 하나의 등급처럼 읽기 쉽다. 하지만 총이온화선량은 물질에 흡수된 에너지를 나타낸다. 그 에너지가 회로의 오차나 고장으로 바뀌는 과정까지 같은 숫자로 정해 주지는 않는다. 단위를 읽는 일과 소자의 반응을 읽는 일을 연결해야 시험 결과를 사용할 수 있다.

입자 수 대신 물질에 남은 에너지를 센다

흡수선량은 이온화 방사선이 대상 물질에 전달한 에너지를 그 질량으로 나눈 값이다. 1Gy는 1J/kg이고 1rad는 0.01Gy다. NASA의 설명도 선량을 대상 물질과 함께 적도록 한다. rad(Si)와 rad(SiO₂)는 어느 물질에서 에너지 흡수를 평가했는지 표시한다. NASA RHA Guidelines, 본문 22쪽 5.2절

가상의 균일한 target 10mg에 이온화 과정으로 에너지 1mJ가 흡수됐다고 정하자. 질량은 10⁻⁵kg이므로 선량은 10⁻³/10⁻⁵=100Gy, 즉 10,000rad 또는 10krad다. 여기서 1mJ는 입사한 입자의 총에너지가 아니라 그 target에 실제 흡수됐다고 지정한 에너지다. 입사 에너지를 모두 흡수했다고 가정하는 것과 구분한다.

같은 입자 수라도 에너지와 차폐, target의 조성이 달라지면 흡수 에너지가 달라질 수 있다. 다른 기준 물질로 교정한 선량도 명칭만 바꿔 같은 값이라고 놓을 수 없다. 시험 보고서에서 괄호 속 물질을 생략하면 중요한 비교 조건을 잃는다.

흡수된 에너지와 남은 전하 사이에는 단계가 있다

MOS 구조에서는 이온화가 전자와 정공을 만들고, 일부 전하가 절연체에 갇히거나 계면 상태를 만드는 과정이 전기적 특성을 바꿀 수 있다. NASA는 문턱전압 변화와 격리 산화막 부근의 누설을 이런 경로와 연결한다. 이 글에서 말하는 선량은 에너지의 누적량이고, 갇힌 전하의 양은 그 뒤의 재료·전계·시간 조건을 거친 결과다. 같은 원문 22–23쪽

정전기적 영향을 따로 보기 위해 유효한 양의 절연막 전하가 20nC/cm² 남고, 단위 면적당 gate capacitance가 1µF/cm²인 가상 모델을 정하자. 이 전하만의 문턱전압 기여를 ΔVT=−Qeff/Cox로 놓으면 −0.020V, 즉 −20mV다. 전하 위치의 효과는 이미 Qeff에 포함했다고 정한다.

이 20nC/cm²는 앞의 10krad에서 자동으로 계산한 값이 아니다. 별도로 지정한 상태다. 실제로 선량을 문턱전압으로 바꾸려면 전하 생성·재결합·포획과 계면 상태의 반응을 알아야 한다. 계면 전하의 기여까지 합친 순변화를 앞의 한 항만으로 확정해서도 안 된다.

같은 누적량에도 시간 조건이 붙는다

10krad를 일정한 1rad/s로 전달하면 10,000초, 100rad/s로 전달하면 100초다. 누적량은 같지만 조사와 그 사이의 반응에 허용한 시간은 다르다. 이 계산은 두 조건의 열화가 어느 쪽에서 더 크다는 예측은 아니다. 선량률을 비교 조건에 포함해야 하는 이유를 보여 준다.

조사 중 bias는 전하의 이동과 포획 조건에 관여한다. 이후의 온도와 대기 시간도 측정한 상태에 영향을 줄 수 있다. NASA는 전원이 꺼진 소자도 영향에서 제외되지 않으며, 최악의 bias 조건을 충분한 자료 없이 미리 단정하지 말라고 설명한다. 원문 본문 21쪽과 23쪽

숫자에 회로의 판단을 붙인다

문턱전압이 조금 변해도 설계 여유 안에 있으면 기능이 유지될 수 있고, 작은 누설 증가가 전력 예산을 넘을 수도 있다. 같은 선량에서 소자 변화가 같다는 가정에 더해, 같은 변화가 같은 회로 고장이라는 가정도 점검해야 한다.

총이온화선량 시험을 읽을 때는 기준 물질, 선량률, bias와 온도, 조사 뒤 읽은 시점, 그리고 판정한 전기적 항목을 함께 확인한다. 10krad라는 숫자는 비교의 출발점이다. 그 숫자 아래에서 어떤 상태가 남았고 회로가 얼마나 허용하는지까지 연결할 때 내성 판단이 된다.