CN1296725C

CN1296725C - 对管式差分输出pmos辐射剂量计及其制备方法

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Publication number: CN1296725C
Application number: CNB2004100948621A
Authority: CN
Inventors: 郭�旗; 任迪远
Original assignee: Xinjiang Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Current assignee: Xinjiang Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Priority date: 2004-11-17
Filing date: 2004-11-17
Publication date: 2007-01-24
Anticipated expiration: 2024-11-17
Also published as: CN1605886A

Abstract

本发明涉及一种对管式差分输出PMOS辐射剂量计，该剂量计包括对管式差分输出PMOS剂量计探头、测量偏置方法、剂量记录读出技术、温度补偿方法和退火效应修正方法；利用双p-沟道金属-氧化物-半导体晶体管pMOSFET构成的对管式差分输出的PMOS剂量测量探头；利用该探头构成的辐射剂量计；该剂量计的测量技术、读出技术；以及该剂量计所采用的温度补偿技术和对pMOSFET辐射响应退火效应的修正技术。

Description

对管式差分输出PMOS辐射剂量计及其制备方法

技术领域

本发明是一种电离辐射剂量测量技术，涉及半导体物理、固体辐射物理、辐射剂量学和电子技术领域。

背景技术

PMOS剂量计的概念首先是由英国的Holmes-Siedle提出来的(“The space-charge dosimeter-general principles of a new radiationdetection”，Nucl.Instr.Meth.Vol.121，P169-174(1974).)。p沟道金属-氧化物-半导体晶体管(pMOSFET：P channelMetal-Oxide-Semiconductor Transistor)在受到电离辐射时，由于氧化层正电荷和界面态的产生，器件的阈电压会随辐射剂量发生漂移，对于特定工艺制造的PMOSFET来说，阈电压漂移的幅度与器件所受到的辐射剂量呈现近似线性的单调关系，因此可以用其阈电压漂移的幅度来表征器件吸收的辐射剂量。这就是PMOS剂量计的原理。由于PMOS剂量计具有体积小，重量轻，测量和读出电路简单，便于遥控遥测的特点，首先在空间辐射环境探测领域中得到了应用。目前PMOS剂量计在国外已成为航天飞行器内、外辐射环境电离辐射总剂量监测中普遍采用的测量设备，并在医学、核工业、辐射防护和高能物理试验设备的辐射剂量测量等民用领域也得到了越来越多的应用。

但是由于PMOSFET是一种半导体器件，其自身的特点决定了PMOS剂量计的测量结果极易受到环境因素的影响。影响PMOS剂量计测量结果准确性的主要原因有两个：一是温度效应，即温度变化引起器件阈电压的变化；二是辐射感生电荷在氧化层中的迁移、输运、复合等过程导致器件阈电压漂移值在接受辐射剂量后发生恢复或继续变化，即所谓的“退火效应”，退火效应导致辐射剂量记录的丢失。为了对温度效应进行补偿，“零温度系数点”方法被提了出来。“零温度系数点”对PMOS剂量计的温度效应有明显的补偿作用，但是，PMOSFET受到辐射后“零温度系数点”会发生变化，使补偿效果下降；同时，“零温度系数点”方法不能对“退火效应”进行补偿。因此，有必要对PMOS剂量计的温度补偿技术进行改进，并寻找对其“退火效应”进行修正的方法。

发明内容

本发明的目的在于，改善PMOS剂量计的温度补偿技术，解决其温度稳定性和退火效应等关键应用技术难点。研制的对管式差分输出PMOS辐射剂量计是在中国专利CN98125702X的基础上进一步的改进。该剂量计包括对管式差分输出PMOS剂量计探头、测量偏置方法、剂量记录读出技术、温度补偿方法和退火效应修正方法；利用双p-沟道金属-氧化物-半导体晶体管pMOSFET构成的对管式差分输出的PMOS剂量测量探头；利用该探头构成的辐射剂量计；该剂量计的测量技术、读出技术；以及该剂量计所采用的温度补偿技术和对pMOSFET辐射响应退火效应的修正技术。

本发明所述的对管式差分输出PMOS辐射剂量计，该剂量计包括对管式差分输出PMOS剂量计探头、测量偏置方法、剂量记录读出技术、温度补偿方法和退火效应修正方法；该剂量计是由探头、工作模式选择开关SW-1G、SW-2G、SW-1S、SW-2S、直流电压源Vb1、Vb2和恒流源Ic1、Ic2组成；探头是具有两只结构和特性参数完全相同的pMOSFET匹配构成的对管式结构；用两只pMOSFET经辐射后产生的阈值电压的差值作为表征该辐射剂量的物理参量。

探头由两只相同的p沟道场效应晶体管T1、T2组成；探头的构成采用两种方式实现：选用内含两只相同pMOSFET的单片器件；或将2个PMOS单管尽可能靠近地安装于面积很小的PCB板上，将两管的各个电极分别用引线引出。

对管式差分输出PMOS辐射剂量计的测量方法为，在组成剂量计对管的两只pMOSFET的漏极和源极加分别加以相同的电压，即晶体管T1、T2的源极S1、S2同时接至“零”电位，漏极D1、D2同时接至0-15伏之间的任一电位；而在两只pMOSFET的栅极分别加以不同的电压，即栅极G1、G2分别接至不同的偏置电压Vb1、Vb2，然后置于辐射场中。

对管式差分输出PMOS辐射剂量计的剂量记录读出技术为，向经过辐射的两只pMOSFET管的漏极同时注入大小相同的恒定电流，测量其栅极间的差分电压值。即T1、T2的栅极G1、G2和漏极D1、D2同时接至“零”电位，分别由T1、T2的源极S1、S2注入相同的恒定电流；S1、S2之间的差分电压作为剂量计输出电压引出至采集电路。

对管式差分输出PMOS辐射剂量计的温度补偿方法为，利用对管的两只PMOSFET因相同的结构和特性参数而具有相同温度特性，采用在组成剂量计对管的两只pMOSFET的漏极和源极加分别加以相同的电压，而在两只pMOSFET的栅极分别加以不同的电压，然后置于辐射场中的测量方法和向经过辐射的两只pMOSFET管的漏极同时注入大小相同的恒定电流，测量其栅极间的差分电压值的读出方法，使其温度效应相互抵消而实现温度补偿的技术方法。

对管式差分输出PMOS辐射剂量计的退火效应修正方法为，利用对管的两只PMOSFET因相同的结构和特性参数而具有相近的退火特性，采用在组成剂量计对管的两只pMOSFET的漏极和源极加分别加以相同的电压，而在两只pMOSFET的栅极分别加以不同的电压，然后置于辐射场中的测量方法和向经过辐射的两只pMOSFET管的漏极同时注入大小相同的恒定电流，测量其栅极间的差分电压值的读出方法，使其退火相互抵消而减小剂量测量结果丢失的技术方法。

本发明主要基于以下两点原理：

1、pMOSFET辐射后产生的阈值电压漂移与其辐射时所加的栅极偏置电压有紧密的依赖关系。

2、结构和工艺参数完全相同的pMOSFET具有基本相同的特性，包括温度特性和辐射后的退火特性。

本发明所述的对管式差分输出PMOS辐射剂量计包括对管式差分输出PMOS剂量计探头、测量偏置方法、剂量记录读出技术、温度补偿方法和退火效应修正方法。对管式差分输出PMOS辐射剂量计由两只结构和工艺参数完全相同的pMOSFET构成。两只pMOSFET的漏极相连构成差分对结构。该剂量计具有剂量测量和剂量读出两种工作模式。处于测量模式时两只pMOSFET加以不同的栅源偏置电压接受辐照。由于栅电压不同，两只pMOSFET接受相同的辐射剂量后会产生的的阈电压漂移幅度也不相同。处于读出模式时由两只pMOSFET的源极注入相同的恒定电流，电流的值对应于预先定义的阈电压值，测量两只pMOSFET栅极间的差分电压值，利用事先标定的差分电压与辐射剂量的对应关系曲线，得到与其对应辐射剂量相值。

因为两只pMOSFET具有完全相同的结构和工艺参数，其温度特性也基本相同，辐射后的退火效应也很相近。由于剂量计用来表征辐射剂量的物理参量是两只pMOSFET阈电压的差值，温度造成的阈电压漂移成为共模信号而相互抵消.所以相互抵消后可以获得十分理想的温度补偿效果，达到了温度补偿的目的。同时退火效应也由于相互抵消而得到了修正，使得辐射剂量记录得到更稳定的保持。

附图说明

参见附图

图1为对管式差分输出PMOS剂量计工作原理示意图。

图2为对管式差分输出PMOS剂量计探头结构与测量模式示意图。

图3为对管式差分输出PMOS剂量计读出模式示意图。

具体实施方式

实施例

剂量计构成方式

对管式差分输出PMOS剂量计可由探头、工作模式选择开关(SW-1G、SW-2G、SW-1S、SW-2S)、直流电压源(Vb1、Vb2)和恒流源(Ic1、Ic2)组成；探头由两只相同的p沟道场效应晶体管T1、T2组成；探头的构成可用两种方式实现，(1)选用内含两只相同pMOSFET的单片器件，(2)将2个PMOS单管尽可能靠近地安装于面积很小的PCB板上，将两管的各个电极分别用引线引出。

剂量计的工作方式

对管式差分输出PMOS剂量计有两种工作模式，一种是接收并记录辐射剂量的测量模式；一种是将辐射剂量记录转换为电压信号输出的读出模式。

在测量模式下，T1、T2的源极(S1、S2)、漏极(D1、D2)分别接至“零”电位；栅极(G1、G2)分别接至不同的偏置电压Vb1、Vb2。

在读出模式下，T1、T2的栅极(G1、G2)和漏极(D1、D2)同时接至“零”电位，分别由T1、T2的源极(S1、S2)注入相同的恒定电流；S1、S2之间的差分电压作为剂量计输出电压引出至采集电路。

探头的两个漏极D1、D2直接接地；两个栅极分别通过选择开关SW-1G和SW-2G在偏置电压源Vb1、Vb2或者“零”电位之间切换连接。源极S1、S2通过选择选择开关SW-1S和SW-2S在恒流源和“地”之间切换。输出电压测量的电压表的两端分别接至恒流源Ic1、Ic2的输出端。

控制端Contrl控制选择开关SW-1G、SW-2G、SW-1S和SW-2S来决定探头是处于测量模式还是处于读出模式。

剂量计的工作过程

确定探头的辐照偏置电压

事先通过试验选择构成剂量计的两只晶体管T1和T2在剂量测量模式时的辐照偏置电压Vb1、Vb2；选择Vb1和Vb2的原则是使工T1和T2在受到相同剂量辐射时产生的阈电压漂移幅度具有明显的差别，同时二者在辐射停止后具有相近的的退火响应，以消除退火效应的影响。

确定探头读出工作电流

事先对用于构成探头的p-MOSFET进行不同温度下的亚阈电流-电压特性进行试验，获得其“零温度系数”电流。以该电流作为探头读出模式下的工作电流Ic1、Ic2。以消除温度效应带来的测量误差。

剂量计测量过程

将探头放入辐射剂量场中，外部控制信号通过选择开关将探头置于测量模式(Control＝”0”)。经过一定时间的辐射后，将探头置于读出模式(Control＝”1”)，测量其输出电压ΔVs。

剂量计的标定

剂量计使用前须经过标定。标定方法为将探头置于经其他剂量测量方法标定过的辐射剂量场中，按照将探头放入辐射剂量场中，外部控制信号通过选择开关将探头置于测量模式(Control＝“0”)。经过一定时间的辐射后，将探头置于读出模式(Control＝“1”)，测量其输出电压ΔVs的方法，测量剂量计的输出电压ΔVs与辐射剂量D的响应关系曲线。

剂量计的应用实施方法：

a、未知辐射场在某一辐射时间区间Δt内累积辐射剂量D的测量：将探头置于要测量的辐射场中，记录辐射开始时间；当辐照到预定时间Δt按照将探头放入辐射剂量场中，外部控制信号通过选择开关将探头置于测量模式(Control＝“0”)；经过一定时间的辐射后，将探头置于读出模式(Control＝“1”)，测量其输出电压ΔVs方法，测量计量计的输出电压ΔVs；通过事先标定的剂量响应曲线获得该时间区间内探头受到的累积辐射剂量D。

b、未知辐射场辐射剂量率d的测量：将探头置于要测量的辐射场中，记录辐射开始时间t1；按照将探头放入辐射剂量场中，外部控制信号通过选择开关将探头置于测量模式(Control＝“0”)。经过一定时间的辐射后，将探头置于读出模式(Control＝“1”)，测量其输出电压ΔVs的方法以一定的时间间隔测量计量计的输出电压ΔVs；当ΔVs的值达到满足测量精度要求的幅度时，同时记录ΔVs值和时间t2；通过事先标定的剂量响应关系曲线获得对应的累积辐射剂量；利用下式可求得该辐射场的剂量率d：

d = \frac{D}{t 2 - t 1}

Claims

1、一种对管式差分输出PMOS辐射剂量计，其特征在于该剂量计选自对管式差分输出PMOS剂量计探头、测量偏置、剂量记录读出、温度补偿和退火效应修正；该剂量计是由PMOS剂量计探头、工作模式选择开关SW-1G、SW-2G、SW-1S、SW-2S、直流电压源Vb1、Vb2和恒流源Ic1、Ic2组成；探头是具有两只结构和特性参数完全相同的pMOSFET匹配构成的对管式结构；用两只pMOSFET经辐射后产生的阈值电压漂移的差值作为表征该辐射剂量的物理参量。

2、根据权利要求1所述的对管式差分输出PMOS辐射剂量计，其特征在于探头由两只相同的p沟道场效应晶体管T1、T2组成；探头的构成采用两种方式实现：选用内含两只相同pMOSFET的单片器件；或将2个PMOS单管安装于PCB板上，将两管的各个电极分别用引线引出。

3、根据权利要求1所述的对管式差分输出PMOS辐射剂量计的测量偏置方法，其特征在于在组成剂量计对管的两只pMOSFET的漏极和源极分别加以相同的电压，即晶体管T1、T2的源极S1、S2同时接至“零”电位，漏极D1、D2同时接至0-15伏之间的任一电位；而在两只pMOSFET的栅极分别加以不同的电压，即栅极G1、G2分别接至不同的偏置电压Vb1、Vb2，然后置于辐射场中。

4、根据权利要求1所述的对管式差分输出PMOS辐射剂量计的剂量记录读出技术，其特征在于向经过辐射的两只pMOSFET管的漏极同时注入大小相同的恒定电流，测量其栅极间的差分电压值；即T1、T2的栅极G1、G2和漏极D1、D2同时接至“零”电位，分别由T1、T2的源极S1、S2注入相同的恒定电流；S1、S2之间的差分电压作为剂量计输出电压引出至采集电路。

5、根据权利要求1所述的对管式差分输出PMOS辐射剂量计的温度补偿方法，其特征在于利用对管的两只PMOSFET因相同的结构和特性参数而具有相同温度特性，采用在组成剂量计对管的两只pMOSFET的漏极和源极分别加以相同的电压，而在两只pMOSFET的栅极分别加以不同的电压，然后置于辐射场中的测量方法和向经过辐射的两只pMOSFET管的漏极同时注入大小相同的恒定电流，测量其栅极间的差分电压值的读出，使其温度效应相互抵消而实现温度补偿。

6、根据权利要求1所述的对管式差分输出PMOS辐射剂量计的退火效应修正方法，其特征在于利用对管的两只PMOSFET因相同的结构和特性参数而具有相近的退火特性，采用在组成剂量计对管的两只pMOSFET的漏极和源极分别加以相同的电压，而在两只pMOSFET的栅极分别加以不同的电压，然后置于辐射场中的测量方法和向经过辐射的两只pMOSFET管的漏极同时注入大小相同的恒定电流，测量其栅极间的差分电压值的读出，使其退火相互抵消而减小剂量测量结果丢失。