CN104391315B

CN104391315B - 辐射探测电路

Info

Publication number: CN104391315B
Application number: CN201410645500.0A
Authority: CN
Inventors: 刘梦新; 刘鑫; 赵发展; 韩郑生
Original assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Current assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Priority date: 2014-11-10
Filing date: 2014-11-10
Publication date: 2017-04-05
Anticipated expiration: 2034-11-10
Also published as: CN104391315A

Abstract

本发明提供了一种辐射探测电路，包括：辐射敏感电流源单元，所述辐射敏感电流源单元包含至少一个辐射敏感PMOS管，用于感测待测辐射，从而产生随辐射量变化的参考电流；电流镜单元，用于复制辐射敏感电流源单元产生的参考电流；电压输出单元，用于将电流镜单元输出的电流放大，并转换为电压输出，从该电压反映待测辐射。本发明通过采用电流镜复制由辐射敏感PMOS管所产生的电流，并转换为电压放大输出，实现了将辐射引起的微小的阈值电压变化转变成较大的输出电压变化，使得对辐射总剂量的检测变得简便易行。

Description

辐射探测电路

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种新型PMOS总剂量辐射探测电路。

背景技术

在太空中，很多电子设备都会暴露在一定的辐射环境下。为了保证这些电子设备的可靠性，对总剂量辐射的检测很有必要。因为一旦辐射总剂量超过某一额度，就会导致电子系统的失效。

PMOS总剂量辐射探测器主要包括由特定工艺制成的辐射敏感场效应晶体管。由于辐射后产生的氧化物陷阱与界面陷阱电荷使得MOSFET阈值电压发生漂移。通过标定阈值电压漂移量与辐照剂量的关系，测出阈值电压漂移量得到辐射剂量的大小。一般说来，NMOS辐射后，氧化物陷阱电荷使其阈值电压发生负向漂移，但是界面电荷使其阈值电压发生正向漂移；PMOS辐射后产生的氧化物陷阱电荷和界面电荷都使得其阈值电压负向漂移，因此大部分的总剂量辐射探测电路都选择采用PMOS场效应晶体管作为总剂量辐射探测器。

由上述原理可知，可以根据pMOS晶体管阈值电压产生的变化设计出电路，使之能够反映出所受总剂量辐射环境的大小。如图1所示，为现有技术的探测电路示意图，该读出电路由四个主要的模块构成，能够将模拟信号转化为数字信号输出。因此这个探测电路为了满足某些数字自动化系统而过于复杂。

发明内容

本发明旨在提出一种能应用在实验室中、较为简单的辐射监测电路。

本发明提供了一种辐射探测电路，包括：辐射敏感电流源单元，所述辐射敏感电流源单元包含至少一个辐射敏感PMOS管，用于感测待测辐射，从而产生随辐射量变化的参考电流；电流镜单元，用于复制辐射敏感电流源单元产生的参考电流；电压输出单元，用于将电流镜单元输出的电流放大，并转换为电压输出，从该电压反映待测辐射。

本发明的发明人发现，在一般的应用中,并不需要AD转换。因此，本发明不用AD转换而用一种模拟的方式，通过采用电流镜复制由辐射敏感PMOS管所产生的电流，并转换为电压放大输出，实现了将辐射引起的微小的阈值电压变化转变成较大的输出电压变化，使得对辐射总剂量的检测变得简便易行，减小了电路复杂度，克服了本领域电子器件的辐射探测电路必须用AD转换的技术偏见。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

图1为现有技术的PMOS总剂量辐探测电路示意图；

图2根据本发明的实施例的PMOS总剂量辐射探测电路的结构图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例。

所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的器件和结构的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他器件的可应用于性和/或其他结构的使用。

根据本发明的一个方面，提供了一种PMOS总剂量辐射探测电路。下面，将通过本发明的一个实施例对图2所示的PMOS总剂量辐射探测电路进行具体描述。如图2所示，本发明所提供的PMOS总剂量辐射探测电路包括：

辐射敏感电流源单元、电流镜单元和电压输出单元，当所述辐射探测电路受到辐射后，辐射敏感电流源单元输出的参考电流发生变化，电流镜单元将此变化的参考电流复制，并输出给电压输出单元，电压输出单元放大此参考电流并转换为电压输出，下面分别对这三部分结构进行具体介绍。

辐射敏感电流源单元，所述辐射敏感电流源单元包含至少一个辐射敏感PMOS管201(Radiation Sensitive PMOS1)，用于产生随辐射剂量变化的参考电流I_ref。所述辐射敏感PMOS管在受到辐射后会产生氧化物陷阱与界面陷阱电荷，这就会使得其阈值电压发生负向漂移，根据PMOS晶体管饱和区的电流公式：

其中，I_D表示MOS管的源漏电流，μ_P表示PMOS中空穴的迁移率，W和L分别表示MOS管的宽和长，C_OX表示栅氧电容，V_GS表示栅源电压，V_TH是阈值电压。

由此公式可知，在栅源电压保持不变的情况下，随着阈值电压的的减小，流过辐射敏感PMOS管的电流I_D会增加。

如图2所示，所述辐射敏感电流源单元还包括一个恒定电压源V1，正、负两级分别接电压输入端V_DD和参考电流端I_ref。所述辐射敏感PMOS管201的源极、栅极分别接在恒定电压源V1的正、负两级，漏极与栅极短接。

因此，所述恒定电压源V1就保证了辐射敏感PMOS管的栅源电压一直保持不变，而流过辐射敏感PMOS管的电流I_D就作为参考电流I_ref输出给电流镜单元。

电流镜单元，用于复制由所述辐射敏感电流源接结构所产生的辐射敏感电流源接结构。所述电流镜单元具体包括：第一晶体管M1和第二晶体管M2，其中第一晶体管M1和第二晶体管M2均为NMOS管。

具体的，所述第一晶体管M1的漏极和栅极短接，并与参考电流端I_ref和第二晶体管M2的栅极相接，源极接地；所述第二晶体管M2的栅极与第一晶体管M1的栅极相接，源极接地，漏极作为电流镜单元的输出端。

根据模拟电路中电流镜的关系，流过第二晶体管M2的电流I_D2和来自辐射敏感电流源单元的参考电流I_ref满足如下公式：

I_D2＝I_ref[(W/L)₂/(W/L)₁]＝I_ref·A₁

其中，I_D2表示流过第二晶体管M2的源漏电流，(W/L)₁表示第一晶体管M1的宽长比，(W/L)₂表示第二晶体管M2的宽长比，A₁为第一比例系数，其中，

A₁＝(W/L)₂/(W/L)₁＝10

因此，可根据此公式选择电流镜单元对参考电流I_ref的放大倍数。当第二晶体管M2的宽长比(W/L)₂与第一晶体管M1的宽长比(W/L)₁相等时，A₁＝1，即电流镜单元等比例复制参考电流I_ref。在本发明的实施例中，选择将电路结构设计为

A₁＝(W/L)₂/(W/L)₁＝10

这样可以在电流镜单元中就对由辐射产生的微小电流变化进行放大，在其他实施例中，本领域技术人员也可以根据实际需要自行设定放大倍数。

电压输出单元，用于将从电流镜单元输出的电流放大，并转换为电压输出。所述电压输出单元具体包括：第三晶体管M3、第四晶体管M4和输出电阻R，其中所述第三晶体管M3和第四晶体管M4均为PMOS管。

具体的，所述第三晶体管M3的漏极和栅极短接，并与所述电流镜单元的第二晶体管M2的漏极和第四晶体管M4的栅极相接，源极接电压输入端V_DD；所述第四晶体管M4的栅极与第三晶体管M3的栅极相接，源极接电压输入端V_DD，漏极与输出电阻串联；所述输出电阻的一端接地，另一端作为整个PMOS总剂量辐射探测电路的输出。

如图2所示，由于第三晶体管M3和所述电流镜单元的第二晶体管M2为串联关系，因此流过第三晶体管M3的电流I_D3和流过第二晶体管M2的电流I_D2满足：

I_D2＝I_D3

同时，流过第三晶体管M3的电流I_D3和流过第四晶体管M4的电流I_D4满足：

I_D4＝I_D3[(W/L)₄/(W/L)₃]＝I_D3·A₂

其中，(W/L)4表示第四晶体管M4的宽长比，(W/L)3表示第三晶体管M3的宽长比，A₂为第二比例系数。

因此，可根据此公式选择电压输出单元对由电流镜单元输出的I_D2的放大倍数。在本发明的实施例中，选择将电路结构设计为：

A₂＝(W/L)₄/(W/L)₃＝10

这样可以在电压输出单元中对由电流镜单元输出的I_D2进行放大，在其他实施例中，本领域技术人员也可以根据实际需要自行设定放大倍数。

综合考虑电压输出单元中对由电流镜单元输出的I_D2进行的放大和电流镜单元对参考电流I_ref的放大，可以得到：

I_OUT＝A₁A₂I_ref

当I_out流过输出电阻R时，在输出电阻上产生的电压V_OUT将会产生很大的变化。通过测定V_OUT的变化，就可以探测到所受到的总剂量辐射的大小。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：通过采用电流镜复制由辐射敏感PMOS管所产生的电流，并转换为电压放大输出，实现了将辐射引起的微小的阈值电压变化转变成较大的输出电压变化，使得对辐射总剂量的检测变得简便易行。

虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，应当理解在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下，可以对这些实施例进行各种变化、替换和修改。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。

此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。

Claims

1.一种辐射探测电路，包括：

辐射敏感电流源单元，所述辐射敏感电流源单元包含至少一个辐射敏感PMOS管(201)，用于感测待测辐射，从而产生随辐射量变化的参考电流(I_ref)；

电流镜单元，用于复制辐射敏感电流源单元产生的参考电流(I_ref)；

电压输出单元，用于将电流镜单元输出的电流放大，并转换为电压输出，从该电压反映待测辐射；其中，所述辐射敏感电流源单元包括：

恒定电压源(V1)，所述恒定电压源(V1)的正、负两极分别接电压输入端(V_DD)和参考电流端(I_ref)；

辐射敏感PMOS管(201)，所述辐射敏感PMOS管的源极和栅极分别接在恒定电压源(V1)的正、负两极，漏极与栅极短接。

2.根据权利要求1所述的辐射探测电路，其中，所述电流镜单元包括：

第一晶体管(M1)和第二晶体管(M2)，其中

所述第一晶体管(M1)的漏极和栅极短接，并与参考电流端(I_ref)和第二晶体管(M2)的栅极相接，源极接地；

所述第二晶体管(M2)的栅极与第一晶体管(M1)的栅极相接，源极接地，漏极作为电流镜单元的输出端。

3.根据权利要求2所述的辐射探测电路，其中，所述电压输出单元包括：

第三晶体管(M3)、第四晶体管(M4)和输出电阻(R)，其中

所述第三晶体管(M3)的漏极和栅极短接，并与所述第二晶体管(M2)的漏极和第四晶体管(M4)的栅极相接，源极接电压输入端(V_DD)；

所述第四晶体管(M4)的源极接电压输入端(V_DD)，漏极与输出电阻(R)串联；

所述输出电阻(R)的不与第四晶体管(M4)的漏极连接的一端接地，与第四晶体管(M4)的漏极连接的一端作为辐射探测电路的输出。

4.根据权利要求2所述的辐射探测电路，其中：

所述第一晶体管(M1)和第二晶体管(M2)为NMOS管。

5.根据权利要求4所述的辐射探测电路，其中：

所述第二晶体管(M2)的宽长比是第一晶体管(M1)的宽长比的十倍。

6.根据权利要求3所述的辐射探测电路，其中：

所述第三晶体管(M3)和第四晶体管(M4)为PMOS管。

7.根据权利要求6所述的辐射探测电路，其中：

所述第四晶体管(M4)的宽长比是第三晶体管(M3)的宽长比的十倍。

8.根据权利要求1所述的辐射探测电路，其中，所述辐射敏感PMOS管工作在饱和区。