總劑量探測(cè)技術(shù)的空間應(yīng)用*

郭東文，楊 艷，鄭 義，高志強(qiáng)，李 軍，史 青，彭泳卿

（1 北京理工大學(xué)信息與電子學(xué)院 北京 100081 2 中國(guó)載人航天工程辦公室 北京 100094 3 北京遙測(cè)技術(shù)研究所 北京 100076）

引言

因?yàn)榭臻g輻射環(huán)境而造成損傷已成為飛行器在軌故障的主要原因?？臻g飛行器處于外輻射帶中心的邊緣，主要受到空間高能電子的影響。高能電子在飛行器表面及內(nèi)BU 電子元器件及材料中沉積能量，影響材料和器件的性能[1-3]。飛行器抗輻射加固技術(shù)水平的全面提高已顯得更為重要和迫切，其中基本任務(wù)之一是對(duì)空間輻射環(huán)境數(shù)據(jù)的收集和研究，通過(guò)獲取高能電子沉積的電離總劑量，可以評(píng)估空間輻射環(huán)境以對(duì)飛行器技術(shù)研究提供數(shù)據(jù)支持。

本文介紹了基于輻射敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管RADFET的總劑量探測(cè)技術(shù)，以及在具體的實(shí)驗(yàn)中如何用實(shí)用的方法進(jìn)行劑量測(cè)量和標(biāo)定。

1 總劑量探測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 原理介紹

總劑量測(cè)量的基本原理是：輻射敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管RADFET 在柵氧化層中產(chǎn)生和俘獲輻射誘導(dǎo)電荷從而改變了RADFET的閾值電壓，這種變化與輻射劑量有關(guān)，輸出閾值電壓的變化能夠通過(guò)電路進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量[4,5]。本設(shè)計(jì)采用的RADFET，是一種離散的P 溝道MOSFET，氧化層厚度為100 nm，量程范圍可達(dá)20 rad～2.5 Mrad。

當(dāng)厚柵氧的PMOSFET 受到輻照后，在其柵極下的SiO2中產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，一定數(shù)目的電子-空穴對(duì)會(huì)立即或很快發(fā)生復(fù)合并消失掉，另外一些沒(méi)有發(fā)生復(fù)合的電子-空穴對(duì)在電場(chǎng)的作用下發(fā)生漂移，由于在SiO2中遷移率的差異，電子的漂移運(yùn)動(dòng)速度要比空穴快很多。外加的電壓偏置條件也對(duì)漂移運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響，在正的偏壓條件下，電子會(huì)迅速漂移到柵極上并離開(kāi)靈敏區(qū)域，與電子運(yùn)動(dòng)方向相反，空穴會(huì)緩慢地向Si 襯底方向運(yùn)動(dòng)，作為SiO2的一個(gè)固有特性，在SiO2中會(huì)有一些空穴陷阱，在Si-SiO2界面附近空穴陷阱的密度是最大的，這就導(dǎo)致一部分空穴到達(dá)界面處并生成新的界面態(tài)陷阱電荷改變界面態(tài)，其余的空穴則在漂移途中被氧化層中的陷阱俘獲形成氧化物陷阱電荷。氧化物陷阱電荷與界面態(tài)陷阱電荷統(tǒng)稱為電離陷阱電荷，電離陷阱電荷壽命很長(zhǎng)，所以多次輻照使電離陷阱電荷累加，對(duì)輻照產(chǎn)生記憶作用。隨著輻照總劑量的增加，SiO2中的電離陷阱電荷也在增加，導(dǎo)致PMOSFET的閾值電壓發(fā)生漂移。閾值電壓的漂移與輻照總劑量存在一定的函數(shù)關(guān)系，通過(guò)測(cè)量閾值電壓漂移量可以計(jì)算出輻射累積總劑量。函數(shù)關(guān)系式為：

其中，k和n為系數(shù)，它們的取值由輻照偏置條件、劑量范圍以及柵氧厚度等因素決定[6,7]，ΔVth中的th是閾值電壓Threshold voltage的縮寫(xiě)。

1.2 設(shè)計(jì)方案

為了測(cè)量便捷，通常測(cè)量PMOS 傳感器的閾電壓或其它某一恒定源漏電流下的電壓，通常采用恒流偏置模式。恒流偏置模式下，PMOS 傳感器適合測(cè)量輻射劑量較高且受劑量率影響較小的場(chǎng)所，該模式能夠更加方便地對(duì)測(cè)量進(jìn)行控制，是衛(wèi)星載荷設(shè)備的首選工作模式。當(dāng)PMOS 傳感器受到輻射時(shí)，傳感器的閾值電壓會(huì)變化，向負(fù)向漂移，這就使得源-漏阻抗加大，恒流通過(guò)源漏極。此時(shí)，通過(guò)分析接收到的柵極電壓和源極電壓的差值就能輕松得到閾值電壓的大小，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、連續(xù)電壓測(cè)量。柵極和源極（與襯底短接）之間建立起的偏壓即為閾電壓，如圖1 所示。

為監(jiān)測(cè)不同屏蔽厚度下的電離總劑量，總劑量探測(cè)器由四路總劑量傳感器探頭、探頭驅(qū)動(dòng)電路以及模擬信號(hào)調(diào)理電路組成?？倓┝總鞲衅魈筋^為半導(dǎo)體PMOS 管，四個(gè)探頭埋深在不同厚度的屏蔽層下。

不同厚度的屏蔽層以臺(tái)階的方式排布，臺(tái)階及總劑量傳感器探頭的布置方式有以下三種，如圖2所示，其中第三種臺(tái)階及探頭布置方式，具有最大的有效張角，可以充分利用有限的設(shè)備體積，使測(cè)量結(jié)果盡量接近平板近似模型。

探頭驅(qū)動(dòng)電路為恒流源，作用是電流加在PMOS 管上，根據(jù)PMOS的數(shù)據(jù)手冊(cè)要求，確定加在PMOS傳感器上的恒定電流值。通過(guò)基準(zhǔn)源和運(yùn)放實(shí)現(xiàn)恒流源，基準(zhǔn)源的輸出Uo與參考點(diǎn)Uc電壓差保持參考電壓Uf。如圖3 所示，加在PMOS 傳感器上的恒定電流為Icon=Uf/R。

總劑量探頭可以輸出反映傳感器總劑量的模擬電壓信號(hào)，電壓為直流慢變化電壓信號(hào)，通過(guò)后級(jí)的模擬信號(hào)調(diào)理電路，對(duì)信號(hào)進(jìn)行偏置、放大、濾波，輸出要求范圍內(nèi)的直流電壓信號(hào)到電子學(xué)箱進(jìn)行采集存儲(chǔ)。如圖4 所示。

2 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 標(biāo)定方案

標(biāo)定試驗(yàn)采用60Co-γ射線放射源，輻照試驗(yàn)總劑量范圍是0～2.5 Mrad。隨著輻照增加，后期靈敏度逐漸變低，因此分兩段進(jìn)行標(biāo)定。在0～100 krad 以內(nèi)采用相對(duì)較低的劑量率進(jìn)行標(biāo)定，在100 krad～2.5 Mrad采用較高劑量率進(jìn)行標(biāo)定，獲得RADFET的標(biāo)定曲線（ΔVth～Dose的關(guān)系）。采用4 路RADFET 器件進(jìn)行總劑量試驗(yàn)，獲得標(biāo)定曲線的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

2.1.1 試驗(yàn)劑量率標(biāo)定方法

總劑量探頭標(biāo)定試驗(yàn)采用的劑量率采用實(shí)測(cè)方法獲得，具體措施是在RADFET 各試驗(yàn)件周圍，布置空氣電離探頭。通過(guò)測(cè)量一段時(shí)間內(nèi)劑量計(jì)的空氣吸收輻射劑量（單位為Gy(Air)，1Gy(Air)=100 rad(Air)）。然而，在輻照試驗(yàn)中，通常以常用的Si 材料中作為吸收媒介，因此需要將空氣吸收劑量通過(guò)能量吸收系數(shù)換算成Si 吸收劑量，然后可以得到所要標(biāo)定的劑量率（單位為rad(Si)/s）。

劑量率標(biāo)定原理如下：γ射線在空氣中的吸收劑量與在Si 中的吸收劑量差一個(gè)系數(shù)，后者是前者的0.897 1，而在SiO2中和Si 中的劑量吸收系數(shù)幾乎相等，即：

因此，經(jīng)過(guò)一定輻照時(shí)間t（單位為s）之后，測(cè)量獲得空氣所吸收的劑量，通過(guò)上述等式計(jì)算獲得Si 中的吸收劑量DSi（單位為rad(Si)）。由于劑量率的定義是單位時(shí)間的累積劑量，從而可以得到Si 材料中的劑量率（單位為rad(Si)/s）為：

經(jīng)過(guò)換算可以獲得RADFET 所受到的輻射劑量。

2.1.2 試驗(yàn)件偏置狀態(tài)

總劑量標(biāo)定試驗(yàn)件采用與正式產(chǎn)品相同的偏置條件，即恒流偏置模式。試驗(yàn)件采用的偏置條件如圖5 所示。

總劑量標(biāo)定試驗(yàn)電路板上可以插拔4 個(gè)RADFET 器件，每個(gè)器件的偏置狀態(tài)一致。通過(guò)高精度萬(wàn)用表采集每個(gè)器件的源極電壓隨累積劑量變化的關(guān)系。器件布置圖和采集電路框圖分別如圖6 和圖7 所示。

在分別獲得0～100 krad 和100 krad～2.5 Mrad 標(biāo)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，獲得這兩個(gè)范圍的劑量標(biāo)定曲線。

2.20 ～100 krad 劑量范圍

RADFET 總劑量探頭的電壓輸出隨輻照劑量變化的結(jié)果如圖8 所示。從圖中可以看出，在0～100 krad范圍內(nèi)，采用Y=a×xb擬合公式可以很好地?cái)M合總劑量探頭的標(biāo)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

標(biāo)定數(shù)據(jù)的擬合公式為：

其中，X表示輻射劑量，單位為krad；Y為輸出電壓，單位為V。

對(duì)四路RADFET 總劑量探頭的響應(yīng)進(jìn)行分析，以獲得不同RADFET 探頭響應(yīng)的差異性。圖9 是四路總劑量探頭隨著總劑量變化的關(guān)系。從圖中可以看出，四路總劑量探頭的一致性很好，可以代表正式產(chǎn)品件的總劑量響應(yīng)。

為了定量分析得到RADFET 探頭在0～100 krad 范圍內(nèi)的差異性，將四路探頭的電路輸出進(jìn)行平均，并獲得四路輸出電壓的標(biāo)準(zhǔn)偏差。將其畫(huà)在一張圖中，如圖10 所示。從圖中可以看出，RADFET 在100 krad 范圍的標(biāo)準(zhǔn)偏差很小，幾乎可以忽略。

2.3100 krad～2.5 Mrad 范圍

同理可以獲得100 krad～2.5 Mrad 范圍內(nèi)的四路RADFET 探頭的總劑量響應(yīng)，具體結(jié)果如圖11所示。

標(biāo)定數(shù)據(jù)的擬合公式為：

其中，X表示輻射劑量，單位為krad；Y為輸出電壓，單位為V。

可以分析獲得100 krad～2.5 Mrad 范圍內(nèi)，RADFET的輻射響應(yīng)差異，見(jiàn)圖12 和圖13。從圖中可以看出隨著輻射劑量的不斷增加，四路RADFET 間的差異性不斷顯現(xiàn)，但最大也不超過(guò)29%。不同RADFET間的差異性是由于PMOS 傳感器的靈敏度跟柵氧化層的厚度有著密切的關(guān)系，厚度增大，靈敏度就增高。這四路RADFET 雖然型號(hào)相同，但在工藝上也存在微小的差異性。

2.4 退火影響

PMOS 劑量計(jì)，是利用P 溝道MOS 晶體管受電離輻射后感生的氧化物正電荷與施主界面態(tài)造成的閾電壓漂移來(lái)測(cè)量輻射總劑量的。已有研究表明[8-10]：MOS 管在停止輻照后，輻射感生氧化物正電荷會(huì)發(fā)生所謂退火。溫度和偏置是退火速率和程度的決定性因素，高溫退火，初始退火速率就高，退火幅度也較大；低溫條件下退火幅度則較小。同樣的退火溫度下，正偏壓有加速初始退火速率的作用，負(fù)偏壓則起到抑制作用。負(fù)偏壓越高，抑制作用越明顯。正偏壓與負(fù)偏壓相比能較明顯地提高初始退火速率，但正偏壓之間，相對(duì)較低的電壓卻表現(xiàn)出更有利于退火，特別是零偏（所有管腳短接）退火，其退火程度最大[11]。

本設(shè)計(jì)采用恒流偏置模式，與零偏相似[12]。輻照試驗(yàn)結(jié)束后，在室溫環(huán)境下退火，退火時(shí)間為135 h，圖14 給出了四路RADFET 總劑量電路的退火特性。退火試驗(yàn)的結(jié)果表明所有RADFET 總劑量探頭的電壓輸出均為先保持穩(wěn)定（前24 h 內(nèi)），而后緩慢下降。加電退火時(shí)間135 h 后，RADFET 電壓輸出相對(duì)輻照試驗(yàn)結(jié)束時(shí)刻的電壓輸出最大變化為32%。

圖11～圖14 中，500 krad 輻射劑量附近有小部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失，是因在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始階段設(shè)備連接線意外斷開(kāi)導(dǎo)致。連接線在被發(fā)現(xiàn)斷開(kāi)后及時(shí)得到恢復(fù)。少量數(shù)據(jù)的丟失不影響曲線大趨勢(shì)，對(duì)分析數(shù)據(jù)的走向基本沒(méi)有影響。

3 結(jié)束語(yǔ)

本論文圍繞空間輻射探測(cè)的目標(biāo)，進(jìn)行了總劑量探測(cè)器系統(tǒng)的搭建與測(cè)試。由于RADFET 體積小、功耗低，讀出簡(jiǎn)單，以及可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，因此基于RADFET的總劑量探測(cè)器又具備低能耗和可近似點(diǎn)測(cè)的功能。探測(cè)器的集成微型化、模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化，有利于它在飛行器上進(jìn)行多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的空間分布，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器上關(guān)鍵電子部件、系統(tǒng)的吸收劑量監(jiān)測(cè)，以及子系統(tǒng)故障、空間突發(fā)事件的監(jiān)測(cè)和分析。

發(fā)展更高性能的總劑量探測(cè)技術(shù)將是未來(lái)我國(guó)空間應(yīng)用的要求，為空間材料、宇航人員防護(hù)等科學(xué)研究提供便利的技術(shù)手段。