P型金属氧化物半导体(PMOS)剂量计探头的差分工作电路技术

第39卷第1期2021年2月辐射研究与辐射工艺学报J.Radiat.Res.Radiat.Process.
/fushe/CN/volumn/home.shtml
V ol.39 No.1
February2021
P型金属氧化物半导体(PMOS)剂量计探头的
差分工作电路技术
王思源1,2孙静2陆妩1,2
1（新疆大学物理科学与技术学院乌鲁木齐830002）
2（中国科学院新疆理化技术研究所乌鲁木齐830011）
摘要针对目前国内使用的P型金属氧化物半导体(Positive channel metal oxide semiconductor，PMOS)剂量
计存在的灵敏度较低的问题，在对PMOS剂量计探头工作电路原理进行深入研究的基础上，采用差分工作
模式的探头电路对我国PMOS剂量计的工作电路进行改进，采用60Coγ辐射源对国内常用探头进行辐照试
验。

结果表明：差分工作模式探头的辐照响应在线性度方面基本与国内目前常用的恒流注入工作模式探头
保持一致，根据公式ΔV
th
=KD n拟合后两种工作模式的n值均为0.7；而差分工作模式下探头的灵敏度得到了大幅度提高，恒流工作模式时探头灵敏度为0.0218V/Gy(Si)，差分工作模式时探头灵敏度为0.0972V/Gy
(Si)，是恒流注入工作模式灵敏度的4倍有余。

关键词金属氧化物半导体场效应晶体管（PMOSFET），剂量计，差分电路，灵敏度，总剂量
中图分类号TN386.1，TN709
DOI:10.11889/j.1000-3436.2021.rrj.39.010701
Differential working circuit of a positive channel metal oxide semiconductor(PMOS)
dosimeter probe
WANG Siyuan1,2SUN Jing2LU Wu1,2
1(School of Physical Science and Technology,Xinjiang University,Urumqi830002,China) 2(Xinjiang Technical Institute of Physics and Chemistry,Chinese Academy of Sciences,Urumqi830011,China) ABSTRACT Currently,positive channel metal oxide semiconductor(PMOS)dosimeters used in China have low
sensitivity;to solve this problem,this study aimed to improve the circuit of the PMOS dosimeter probe through
detailed investigation of the circuit principles.A probe circuit was hence developed for the differential working
mode,and a60Co g radiation source was used to perform irradiation tests on commonly used probes in China.The
results showed that the radiation response of the developed probe circuit in the differential working mode was linear
and consistent with that of the constant current injection mode.Additionally,the sensitivity of the probe in the
differential mode was four times that of the constant current injection mode,which was a considerable improvement.
KEYWORDS PMOSFET,Dosimeter,Differential circuit,Sensitivity,Total dose
CLC TN386.1,TN709
基金资助：中科院西部之光项目（2017-XBQNXZ-B-008）和国家自然科学基金项目（11975305）资助
第一作者：王思源，女，1994年11月出生，2012年于兰州大学获理学学士学位，目前为在读硕士研究生，核科学与技术专业
通信作者：陆妩，研究员，E-mail:***********
收稿日期：初稿2020-06-15；修回2020-09-28
Supported by the Western Light Project of the Chinese Academy of Sciences(2017-XBQNXZ-B-008)and the National Natural Science Foundation of China(11975305)
First author:WANG Siyuan(female)was born in November1994,and obtained her bachelor’s degree from Lanzhou University in 2012.Now she is a graduate student majoring in nuclear science and technology
Corresponding author:LU Wu,professor,E-mail:***********
Received15June2020;accepted28September2020
辐射研究与辐射工艺学报2021 39:010701
统计数据显示，约40%的卫星故障总数是由空间环境导致的［1］。

因此，空间辐射环境数据的收集和研究对太空的深入探索有重要意义。

P 型金属氧化物半导体（Positive channel metal oxide semiconductor ，PMOS ）剂量计是一种十分方便快速的可以在线测量卫星中空间辐射剂量的探测技术，剂量计探头主要由一个P 沟道的金属氧化物半导体场效应晶体管（PMOSFET ）构成。

用于PMOS 剂量计探头的PMOSFET 主要特点是具有较厚的氧化层，对电离辐射敏感，其辐照引起的阈电压漂移与辐照累积剂量相对应，并成一定的线性关系。

对于这种特性的PMOSFET 统称为RADFET
（Radiation-sensitive field-effect transistor ）［2］。

中国科学院新疆理化技术研究所于20世纪90年代在国内率先开展了PMOS 剂量计的研制，并已经在我国多颗卫星上应用，获得了详实的空间环境效应数据。

该PMOS 剂量计以恒流注入法为技术路线，利用阈值电压和载流子迁移率的温度变化相互抵消产生的“零温度系数点”特性［3］，来减小温度效应对PMOS 剂量计的阈电压与累积剂量线性关系的影响。

该技术虽然在国内的卫星上已得到广泛应用，但随着我国航天技术的发展，对PMOS 剂量计的测量精度、可靠性等都提出了更高的要求。

恒流注入法存在的探测器灵敏度低，导致剂量计精度不够等问题逐渐凸显，急需研究并开发灵敏度更高的PMOS 剂量计。

为了解决剂量计灵敏度低带来的测量精度不够的问题，国外除提出改进探头结构的方法外，如单、双介质探头和多管级联结构探头等［4-6］，还提出了通过改进探头工作电路和探测模式来提高灵敏度的方法［7-9］，如差分工作电路。

差分工作电路采用相同的两只RADFET 探头工作在相同的环境中，提取两者阈值电压变化差值作为剂量计敏感参数。

从
理论上说，差分电路具有灵敏度高，抗干扰能力强等优点，具有非常好的发展与应用前景，但这种结构是否可应用于对国内PMOS 剂量计的改进，还有待探索和研究。

基于我国航天技术发展对高灵敏度、高精度PMOS 剂量计的应用需要，本文探讨了通过差分工作模式来提高现用PMOS 剂量计灵敏度的方法，并在60Co γ辐射源进行了辐照试验。

在此试验研究的基础上，还对恒流法、差分法的原理，特别是对PMOS 剂量计性能改进的机理进行了探讨。

1
材料与方法
1.1
材料及环境
试验采用的RADFET 为定制的PMOS 剂量计
专用厚栅PMOSFET 探头，探头栅极氧化层厚度为400nm 。

器件采用DIP14封装，每只器件内封装有两只PMOS 管。

辐照试验在中国科学院新疆理化技术研究所的1.26×1015Bq 的60Co γ辐射源上进行，剂量率为0.4Gy (Si)/s ，总剂量300Gy (Si)。

1.2
方法
恒流注入工作模式的探头辐照时，将探头放在特制的辐照版上，在辐照过程中保持漏源之间通过一个恒定的电流，即为阈值电压测量状态，此时的栅源偏置电压即为RADFET 的阈值电压，恒流工作模式时探头栅极不加偏置。

正偏置工作模式选取5V 作为工作电压，因为前期试验证明5V 偏置为试验用RADFET 探头产生最多阈值电压漂移的最劣偏置。

5V 偏置工作模式的探头辐照时，在RADFET 探头栅极加5V 电压。

0V 偏置工作模式的探头辐照时，在RADFET 探头栅极加0V 电压，如图1
所示。

图1差分工作模式：(a)辐照模式；(b)读数模式
Fig.1
Differential working circuit mode:(a)irradiation mode;(b)reading mode
王思源等：P 型金属氧化物半导体(PMOS)剂量计探头的差分工作电路技术
由图1可知，差分工作模式试验时，使用相同工艺的两只RADFET 探头分别在加0V 偏置与5V 正偏置的条件下进行辐照，并提取两者阈值电压变化差值作为剂量计敏感参数。

测试时采用上述恒流注入法进行读数。

2结果
PMOS 剂量计的关键性能指标是探头的辐照响
应灵敏度与线性度。

灵敏度是指吸收单位剂量的辐照后，阈值电压的漂移改变量，即d V th /d D 。

根据辐照响应曲线可以计算出探头的平均灵敏度（-S ），即阈值电压漂移量（ΔV th ）与总剂量（Total dose ，D T ）的比值，见式（1）。

-S =
ΔV th D T
(1)
根据Holmes-Siedle 提出的探头阈值电压漂移量（ΔV th ）与累积剂量（D ）之间的关系
见式（2）［10］。

ΔV th =KD n (2)
式中：K 为常数；n 值代表了辐照响应曲线的线性度，n 值越接近于1，线性度越高，反之则越低。

图2分别给出了恒流和5V 与0V 偏置工作模式下RADFET 探头的阈值电压漂移改变量随总剂量辐照响应的变化特性，并根据式（2）拟合了曲线，得出n 值。

根据式（1）还可从图2计算出不同工作模式下探头的平均灵敏度：恒流工作模式时探头灵敏度为0.0218V/Gy (Si)；0V 偏置工作模式时探头灵敏度为0.0178V/Gy (Si)；5V 偏置工作模式时探头
灵敏度为0.1150V/Gy (Si)。

在恒流、0V 与5V 偏置三种工作模式中，0V 偏置时探头的辐照响应灵敏度和线性度都是最低的；5V 偏置时探头的辐照响应灵敏度较其他两种工作模式得到了大幅提高，故在辐照时给RADFET 探头加正偏置，可以有效地提高探头的辐照响应灵敏度，但5V 偏置模式较恒流模式辐照响应线性度下降。

为了在提高探头灵敏度的同时不影响探头线性响应的线性度，进行了探头的差分工作模式试验。

从图3可以看出，差分工作模式下的RADFET 辐照响应曲线拟合n 值为0.71162，恒流工作模式下的响应曲线拟合n 值为0.71369，其中差分工作模式较上述5V 偏置模式进一步提高了辐照响应线性度，与恒流模式辐照响应线性度相差不大，恒流模式较差分模式线性度稍好。

根据式（1）计算出恒流工作模式时探头灵敏度为0.0218V/Gy (Si)；差分工作模式时探头灵敏度为0.0972V/Gy (Si)。

两种工作模式下的探头辐照响应灵敏度差距很明显，差分工作模式下探头灵敏度是恒流模式灵敏度的4倍有余。

差分工作模式较5V 偏置模式进一步提高了辐照响应线性度，与恒流模式辐照响应线性度相差不大，而差分工作模式也显著提高了探头的灵敏度。

3分析与讨论
对于RADFET 探头这样的PMOS 管而言，其
辐照后产生的阈值电压漂移量ΔV th
由辐照后产生的
图2
恒流工作模式与0V 、5V 偏置工作模式下的RADFET
探头的总剂量辐照响应特性曲线
Fig.2Shift in threshold voltage of PMOS dosimeter versus total dose at constant current injection working mode and 0V ,
5V bias voltage working
mode
图3
恒流工作模式与差分工作模式下的RADFET 探头的
总剂量辐照响应特性曲线
Fig.3Shift in threshold voltage of PMOS dosimeter versus total dose at constant current injection working mode and
differential working circuit mode
辐射研究与辐射工艺学报2021 39:010701
氧化物陷阱电荷和界面态陷阱电荷共同贡献。

辐射感生的氧化物与界面态这两种陷阱电荷均会使晶体管的阈值电压向负向漂移。

所以，晶体管阈值电压整体表现为随辐照总剂量的累积负向增大。

图4展示了辐射感生电荷的形成过程。

当RADFET 探头接受辐照时，除氧化物陷阱电荷的产生和界面态的产生这两个过程之外，还有氧化物陷阱电
荷的退火和界面态的退火过程，这4个物理过程同时进行并相互竞争。

另外，界面态的产生较氧化物陷阱电荷的产生所需时间更长，而界面态的退火需要更长的时间，在辐照后的长时间内发生。

所以，单位辐照所产生的阈值电压漂移量，主要受氧化物陷阱电荷的产生与退火、界面态陷阱电荷的增长影响。

在卫星上测量空间辐射剂量时，环境温度变化范围较宽，而RADFET 的阈值电压受温度影响较大，温度效应极大地影响剂量计的测量精度［3］。

对于恒流注入法，通过对RADFET 进行的温度试验可得出如图5（a ）所示的曲线簇。

由图5（a ），在一定温度范围内的I ‒V 曲线簇存在一个相交叉的区间（以下简称为交点），在这个交点上的漏电流具有近似为0的温度系数，相应的栅电压变化非常
小，这主要可归结为阈电压随温度增加，与载流子迁移率随温度减少的作用相互抵消的结果，故存在这样一个栅压工作点，其温度系数近似为0［3］。

恒流注入法正是利用这个原理，测量时在漏源之间注入这个交点对应的电流，即可抑制探头的温度效应，提高剂量计的测量准确性，图5（b ）为其工作原理示意图。

由图2可知，辐照偏置电场对探头的调制作用十分明显。

辐照时，偏置电压主要起分离和加速
迁移辐射感生电子和空穴的作用，与氧化物陷阱电荷的形成密切相关［11］。

相对于加正偏置
的
图4栅极加正电压的MOS 结构能带图
Fig.4
Energy band diagram of MOS structure with positive voltage applied to the
gate
图5恒流注入模式工作原理图：(a)不同温度下400nm RADFET I ‒V 曲线簇；(b)RADFET 的恒流注入法读数
Fig.5Working principle diagram of constant current injection mode:(a)400nm RADFET I ‒V curve cluster at virous
temperatures;(b)RADFET constant current injection method reading
王思源等：P 型金属氧化物半导体(PMOS)剂量计探头的差分工作电路技术
RADFET ，未加偏置的RADFET 没有外加电场，辐照时产生的电子-空穴对可以充分复合并消失，形成的氧化物陷阱电荷较正偏置的少。

经研究发现，界面态陷阱电荷也具有非常强的偏置依赖性，随电场的增加而逐渐增加［11］。

两种辐照感生的陷阱电荷均受辐照时偏置影响，随电场增加而增大，所以在相同的辐照总剂量下，正偏置状态下的RADFET 会产生更多的阈值电压漂移量。

因此，5V 偏置时探头的灵敏度更高，但5V 偏置模式为单一偏置工作模式，抗干扰能力较弱，受外界环境影响较大，这就使得5V 偏置工作模式时探头辐照响应的灵敏度虽然有所提高，但线性度也降低较多。

如图6所示，差分工作模式采用两支RADFET
分别加5V 正偏置与0V 偏置，取两者阈值电压变化差值作为剂量计敏感参数。

差分电路有放大差模信号，抑制共模信号的特点，有较强的抗干扰能力。

故探头在差分工作模式时会获得较5V 偏置模式更高的辐照响应线性度。

另外，上文也提到，辐照偏置电场对探头的调制作用十分明显。

两种辐照感生的陷阱电荷受辐照时偏置影响，随电场增加而增大，在相同的辐照总剂量下，正偏置状态下的RADFET 会产生更多的阈值电压漂移量，因此，虽然差分工作模式时探头的敏感参数采用5V 偏置与0V 偏置两只探头阈值电压变化的差值，但与恒流工作模式的探头相比，差分工作模式时探头的灵敏度也会更高。

从实验结果来看，差分工作模式是提高PMOS 剂量计探测灵敏度的一种非常有效的方法。

但该方法是否对于更宽总剂量范围的应用仍然适用，还需要进一步的实验研究。

4结论
通过对不同PMOS 剂量计探头工作电路与模
式的比较、分析，特别是工作原理的研究，探讨了对国内现有PMOS 剂量计的改进方法和技术。

研究结果表明：较国内目前常用的恒流工作模式，5V 偏置工作模式辐照响应灵敏度虽大幅提高，但辐照响应线性度不足，而差分工作模式可以在基本不影响探头辐照响应线性度的基础上，大幅度提高探头辐照响应的灵敏度，灵敏度达到了恒流注入工作模式的4倍有余。

研究结果直接为我国现有PMOS 剂量计的探测技术能力提升提供了方法、技术及理论指导。

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