CN207067413U - 一种基于双栅工艺的辐照检测传感器及检测电路 - Google Patents

一种基于双栅工艺的辐照检测传感器及检测电路 Download PDF

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张薇
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Abstract

本实用新型公开一种基于双栅工艺的辐照检测传感器,包括用于对辐照剂量变化做出响应的N个级联的双栅PMOS管。本实用新型还公开一种基于双栅工艺的辐照检测电路。本实用新型中的基于双栅工艺的辐照检测传感器及检测电路,通过采用双栅工艺的场效应管,提高了载流子的运输迁移率,降低了场效应管的阈值电压,增大了漏源电流,缩短了延迟时间,减弱了短沟道效应的影响,进一步缩小了辐照检测电路的体积,改善了对辐照检测的实时监控及反馈性能。通过增加场效应管的栅氧厚度,提高了辐照检测的灵敏度,从而增强了检测的准确性,实现了提供一种体积小、重量轻、功耗低、测试简便且够适用于大辐射剂量范围的辐照检测传感器及简单、高效、便捷检测电路。

Description

一种基于双栅工艺的辐照检测传感器及检测电路
技术领域
本实用新型涉及微电子器件性能可靠性评估领域。更具体地,涉及一种基于双栅工艺的辐照检测传感器及检测电路。
背景技术
随着空间技术、核技术和战略武器技术的发展,各种电子设备已经广泛用于人造卫星、宇宙飞船、运载火箭、远程导弹和核武器控制系统中,因此,构成电子设备的电子元器件不可避免地要处于空间辐射和核辐射等强辐射应用环境之中。由于辐射作用会对元器件性能造成不同程度的破坏,进而使整个电子设备发生故障,所以器件的抗辐射加固技术水平的全面提高就显得更为重要和迫切。
抗辐射最基本的任务之一就是对空间辐射环境数据的收集和研究。通过对这些数据的收集与研究,一方面可在地面人工模拟空间辐照环境,进行相关元器件的辐照评估实验验证,不仅可以大大减少辐照评估验证方案的实施难度,也极大的降低成本;另一方面,在空间设备运作过程中通过实时检测周边环境的辐照剂量,可有效评估周边环境危险程度,能够及时、有效的规避风险,避免更大的损失。
目前,在众多辐照检测传感器中,PMOS辐照检测传感器以其自身体积小、重量轻、功耗低、测试简便等诸多优点在测量空间辐射总剂量方面得到了广泛的应用。传统的PMOS辐照检测传感器辐照检测传感模块一般采用单管PMOS,由于单管PMOS辐射感生阈值电压漂移的幅度与辐射剂量呈现近乎线性的单调对应关系的线形区域窄,想拓宽该线形区域只能加厚栅氧化层厚度。以现有的硅工艺技术,生长较厚的栅氧化层需要较多时间,且经科学研究表明,增加栅氧化层的厚度对该线形区域的拓宽能力是有限的。
因此,需要提供一种体积小、重量轻、功耗低、测试简便且够适用于大辐射剂量范围的辐照检测传感器及简单、高效、便捷检测电路。
实用新型内容
本实用新型的一个目的在于提供一种基于双栅工艺的体积小、重量轻、功耗低、测试简便且够适用于大辐射剂量范围的辐照检测传感器。
为达到上述目的,本实用新型采用下述技术方案:
一种基于双栅工艺的辐照检测传感器,包括用于对辐照剂量变化做出响应的N个级联的双栅PMOS管,其中
第一双栅PMOS管源极S1与电流源正极电连接,第一双栅PMOS管栅极G1与第一双栅PMOS管漏极D1电连接;
第n双栅PMOS管源极Sn与第n-1双栅PMOS管漏极Dn-1电连接,第n双栅PMOS管栅极Gn与第n双栅PMOS管漏极Dn电连接;
第N双栅PMOS管漏极DN与参考端电连接,第N双栅PMOS管栅极GN与第N双栅PMOS管漏极DN电连接;
其中,n、N为自然数且1<n<N。
本实用新型中,采用双栅工艺的PMOS管有两个沟道可以同时导通,在一定的条件下,体内的载流子参加导电,且体内载流子输运的迁移率要比表面载流子迁移率高,比普通体硅MOSFET性能优越。进一步地,双栅PMOS管的阈值电压低、漏源电流大、延迟时间的短,便于实时的监控与与反馈。更进一步地,本实用新型中采用双栅工艺,减弱了短沟道效应的影响,双栅PMOS管可做得更小,进一步缩小了辐照检测电路的整体体积,具有体积小、重量轻、功耗低、测试简便等特点且够适用于大辐射剂量范围的辐照检测。
本实用新型中,N个双栅PMOS管进行级联,提高了对环境中辐照的敏感度和检测准确度,能够对外部环境中的辐照剂量变化做出快速准确的响应。
可选的,N个双栅PMOS管采用共衬底方式级联。
可选的,N个中任一个双栅PMOS管的衬底Bx与第一双栅PMOS管源极S1电连接,其中,x为自然数且1≤x≤N。
可选的,N个双栅PMOS管采用不共衬底方式级联。
可选的,N个中任一个双栅PMOS管的衬底Bx与第x双栅PMOS管源极Sx电连接,其中,x为自然数且1≤x≤N。
可选的,双栅PMOS管为厚栅氧双栅PMOS管。
可选的,双栅PMOS管的栅氧厚度大于20nm。
本实用新型的另一个目的在于提供一种基于双栅工艺的辐照检测电路,包括上述基于双栅工艺的辐照检测传感器,还包括
电流源单元,包括与第一双栅PMOS管源极S1电连接的恒定电流源,用于为辐照检测传感器提供恒定电流;
数据处理单元,用于实时获取辐照检测传感器的栅源偏置电压并进行处理;及
显示单元,用于获取经过处理单元处理的栅源偏置电压,换算为检测辐照剂量并实时显示。
可选的,数据处理单元包括
阈值电压漂移运算电路,实时获取辐照检测传感器的栅源偏置电压并进行误差因子修正;
放大及输出电路,与阈值电压漂移运算电路相连并对其输出的信号进行放大输出。
本实用新型中,电流源采用精度应为nA级别的高精度的稳定电流源为辐照检测传感器提供恒定电流。阈值电压漂移运算电路与放大输出电路将辐照检测传感器的阈值电压漂移量经运算处理后,放大传输到显示单元,换算为检测辐照剂量并实时显示。
本实用新型的有益效果如下:
本实用新型中的基于双栅工艺的辐照检测传感器及检测电路,通过采用双栅工艺的场效应管,提高了载流子的运输迁移率,降低了场效应管的阈值电压,增大了漏源电流,缩短了延迟时间,减弱了短沟道效应的影响,进一步缩小了辐照检测电路的体积,改善了对辐照检测的实时监控及反馈性能。通过增加场效应管的栅氧厚度,提高了辐照检测的灵敏度,从而增强了检测的准确性,实现了提供一种体积小、重量轻、功耗低、测试简便且够适用于大辐射剂量范围的辐照检测传感器及简单、高效、便捷检测电路。
附图说明
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出共衬底级联的辐照检测传感器示意图。
图2示出不共衬底级联的辐照检测传感器示意图。
图3示出基于双栅工艺的辐照检测电路示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本实用新型,下面结合优选实施例和附图对本实用新型做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解,下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的,不应以此限制本实用新型的保护范围。
本实用新型提供的基于双栅工艺的辐照剂量检测电路是在传统辐照剂量检测电路的基础上进行的改良,采用基于双栅工艺的厚栅氧PMOS阵列作为辐照剂量检测器,大大减小了辐照剂量检测电路的体积与功耗;提高了辐照剂量检测电路的灵敏度与准确性。与传统的辐照检测传感器相比,采用PMOS器件作为辐照检测传感器,其检测电路具有体积小、重量轻、功耗低、测试简便,可以实时测量以及与IC工艺兼容等优点。
本实用新型提供了一种基于双栅工艺的体积小、重量轻、功耗低、测试简便且够适用于大辐射剂量范围的辐照检测传感器,包括用于对辐照剂量变化做出响应的N个级联的双栅PMOS管,其中第一双栅PMOS管源极S1与电流源正极电连接,第一双栅PMOS管栅极G1与第一双栅PMOS管漏极D1电连接;第n双栅PMOS管源极Sn与第n-1双栅PMOS管漏极Dn-1电连接,第n双栅PMOS管栅极Gn与第n双栅PMOS管漏极Dn电连接;第N双栅PMOS管漏极DN与参考端电连接,第N双栅PMOS管栅极GN与第N双栅PMOS管漏极DN电连接;其中,n、N为自然数且1<n<N。
本实用新型中,双栅PMOS管的两个栅极电连接作为该双栅PMOS管的栅极,例如第一双栅PMOS管的栅极G11和栅极G12电连接作为第一双栅PMOS管的栅极G1,第二双栅PMOS管的栅极G21和栅极G22电连接作为第一双栅PMOS管的栅极G2,第n双栅PMOS管的栅极Gn1和栅极Gn2电连接作为第n双栅PMOS管的栅极Gn。
N个双栅PMOS管可以采用共衬底方式级联或采用不共衬底方式级联:
(1)、N个双栅PMOS管采用共衬底方式级联。N个中任一个双栅PMOS管的衬底Bx与第一双栅PMOS管源极S1电连接,其中,x为自然数且1≤x≤N。
(2)、N个双栅PMOS管采用不共衬底方式级联。N个中任一个双栅PMOS管的衬底Bx与第x双栅PMOS管源极Sx电连接,其中,x为自然数且1≤x≤N。
传统的辐照检测传感器一般采用基于单栅工艺的PMOS阵列。本实用新型中,采用双栅工艺的PMOS管有两个沟道可以同时导通,在一定的条件下,体内的载流子参加导电,且体内载流子输运的迁移率要比表面载流子迁移率高,比普通体硅MOSFET性能优越。进一步地,双栅PMOS管的阈值电压低、漏源电流大、延迟时间的短,便于实时的监控与与反馈。更进一步地,本实用新型中采用双栅工艺,减弱了短沟道效应的影响,双栅PMOS管可做得更小,进一步缩小了辐照检测电路的整体体积,具有体积小、重量轻、功耗低、测试简便等特点且够适用于大辐射剂量范围的辐照检测。
本实用新型中,N个双栅PMOS管进行级联,提高了对环境中辐照的敏感度和检测准确度,能够对外部环境中的辐照剂量变化做出快速准确的响应。
传统的PMOS阵列辐照检测传感器一般采用薄栅氧的PMOS阵列,本实用新型采用厚栅氧双栅PMOS阵列作为辐照检测传感器。对PMOS辐照检测传感器来说栅氧化层是其灵敏区域,栅氧化层厚度是决定其灵敏度的主要因素。相同的辐射总剂量条件下,厚栅氧PMOS管阈值电压漂移量大,灵敏度高,薄栅氧PMOS管阈值电压漂移量小,灵敏度低。更具体地,阈值电压漂移量与栅氧厚度的平方成正比关系,采用厚栅氧双栅PMOS阵列作为辐照检测传感器能进一步提升辐照剂量检测电路的灵敏度与准确性。现有PMOS辐照计量仪器一般栅氧厚度为10nm~1000nm,本实用新型中,双栅PMOS管为厚栅氧双栅PMOS管,具体地,双栅PMOS管的栅氧厚度大于20nm。
下面以具体地N=2为例进行说明
一种基于双栅工艺辐照检测传感器,包括用于对辐照剂量变化做出响应的2个级联的双栅PMOS管,其中,每个双栅PMOS管是一个简单四端器件,分别有栅极G、源极S、漏极D以及衬底B四个端口。双栅PMOS管阵列可以采用共衬底方式级联或采用不共衬底方式级联。
(1)采用共衬底方式级联
如图1所示,第一双栅PMOS管的栅极G11和栅极G12电连接作为第一双栅PMOS管的栅极G1,第二双栅PMOS管的栅极G21和栅极G22电连接作为第一双栅PMOS管的栅极G2。第一双栅PMOS管的源极S1与外部输入电流源的正端相连;第一双栅PMOS管的栅极G1与第一双栅PMOS管的漏极D1相连;第一双栅PMOS管的衬底B1与第一双栅PMOS管的源极S1相连;第二双栅PMOS管的源极S2与第一双栅PMOS管的漏极相连D1;第二双栅PMOS管的栅极G2与第二双栅PMOS管的漏极D2相连;第二双栅PMOS管的漏极D1与外部输入电流源的参考端/地相连;第二双栅PMOS管的衬底B2与第一双栅PMOS管的源极S1相连。
(2)采用不共衬底方式级联
如图2所示,第一双栅PMOS管的栅极G11和栅极G12电连接作为第一双栅PMOS管的栅极G1,第二双栅PMOS管的栅极G21和栅极G22电连接作为第一双栅PMOS管的栅极G2。第一双栅PMOS管的源极S1与外部输入电流源的正端相连;第一双栅PMOS管的栅极G1与第一双栅PMOS管的漏极D1相连;第一双栅PMOS管的衬底B1与第一双栅PMOS管的源极S1相连;第二双栅PMOS管的源极S2与第一双栅PMOS管的漏极相连D1;第二双栅PMOS管的栅极G2与第二双栅PMOS管的漏极D2相连;第二双栅PMOS管的漏极D2与外部输入电流源的参考端/地相连;第二双栅PMOS管的衬底B2与第二双栅PMOS管的源极S2相连。
如图3所示,本实用新型还提供了一种基于双栅工艺的辐照检测电路,包括上述基于双栅工艺的辐照检测传感器,还包括电流源单元、数据处理单元和显示单元,其中,电流源单元包括与第一双栅PMOS管源极S1电连接的恒定电流源,用于为辐照检测传感器提供恒定电流;数据处理单元用于实时获取辐照检测传感器的栅源偏置电压并进行处理;显示单元用于获取经过处理单元处理的栅源偏置电压,换算为检测辐照剂量并实时显示。进一步地,数据处理单元包括阈值电压漂移运算电路和放大及输出电路,其中,阈值电压漂移运算电路用于实时获取辐照检测传感器的栅源偏置电压并进行误差因子修正;放大及输出电路与阈值电压漂移运算电路相连并对其输出的信号进行放大输出。
本实用新型中,电流源采用精度应为nA级别的高精度的稳定电流源为辐照检测传感器提供恒定电流。阈值电压漂移运算电路与放大输出电路将辐照检测传感器的阈值电压漂移量经运算处理后,放大传输到显示单元,换算为检测辐照剂量并实时显示。
本实用新型中基于双栅工艺的辐照检测电路的检测原理如下:
PMOS辐照检测传感器的主要结构是一个P沟道场效应管,其基本原理是利用阈值电压漂移作为辐照总剂量的敏感参数。当PMOSFET受空间带电粒子辐射时,在电离辐射和外加电场的作用下,其栅氧化层中和Si/SiO2界面会形成感生的氧化物电荷和界面态,导致辐射后阈值电压漂移,辐射感生阈值电压漂移的幅度与辐射剂量呈现近乎线性的单调对应关系。通过检测这种线形关系的变化情况,便可以间接得到器件所处环境的辐照剂量。
本实用新型提供的基于双栅工艺的辐照剂量检测电路在使用时,首先电流源单元为辐射检测传感器提供高精度稳态电流源,以满足精度需求。辐照检测传感器是实现检测环境辐照剂量的双栅PMOS器件,其在外加VT辐照偏置的情况下,PMOS辐射感生阈值电压漂移的幅度与辐射剂量在一定区域范围内呈现近乎线性的单调对应关系,通过检测该对应关系的线性区域变化情况可间接实现检测环境辐照剂量。数据处理单元用以将辐照检测传感模块输出的电压信号转化、放大为数字信号,提高信号的抗干扰能力。显示单元用于实时反馈当前环境的辐照剂量。
实际检测时,将双栅PMOS阵列辐照检测传感器的探头放在特制的辐照板上,探头在连续辐照期间采用VT辐照偏置进行辐照响应测试,同时,对阈值电压进行在线检测。其中,VT辐照偏置是指辐照检测电路正常工作时,电流源保证PMOS阵列漏源之间通过一个恒定的电流,使电路满足阈值电压的测量状态。此时,PMOS阵列栅源偏置电压为PMOSFET的阈值电压VT,辐照检测电路就是通过实时检测VT值进而换算得出环境中的辐照剂量。
本实用新型中的基于双栅工艺的辐照检测传感器及检测电路,通过采用双栅工艺的场效应管,提高了载流子的运输迁移率,降低了场效应管的阈值电压,增大了漏源电流,缩短了延迟时间,减弱了短沟道效应的影响,进一步缩小了辐照检测电路的体积,改善了对辐照检测的实时监控及反馈性能。通过增加场效应管的栅氧厚度,提高了辐照检测的灵敏度,从而增强了检测的准确性,实现了提供一种体积小、重量轻、功耗低、测试简便且够适用于大辐射剂量范围的辐照检测传感器及简单、高效、便捷检测电路。
显然,本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例,而并非是对本实用新型的实施方式的限定,对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动,这里无法对所有的实施方式予以穷举,凡是属于本实用新型的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之列。

Claims (9)

1.一种基于双栅工艺的辐照检测传感器,其特征在于,包括用于对辐照剂量变化做出响应的N个级联的双栅PMOS管,其中
第一双栅PMOS管源极S1与电流源正极电连接,第一双栅PMOS管栅极G1与第一双栅PMOS管漏极D1电连接;
第n双栅PMOS管源极Sn与第n-1双栅PMOS管漏极Dn-1电连接,第n双栅PMOS管栅极Gn与第n双栅PMOS管漏极Dn电连接;
第N双栅PMOS管漏极DN与参考端电连接,第N双栅PMOS管栅极GN与第N双栅PMOS管漏极DN电连接;
其中,n、N为自然数且1<n<N。
2.根据权利要求1所述的基于双栅工艺的辐照检测传感器,其特征在于,所述N个双栅PMOS管采用共衬底方式级联。
3.根据权利要求2所述的基于双栅工艺的辐照检测传感器,其特征在于,所述N个中任一个双栅PMOS管的衬底Bx与第一双栅PMOS管源极S1电连接,其中,x为自然数且1≤x≤N。
4.根据权利要求1所述的基于双栅工艺的辐照检测传感器,其特征在于,所述N个双栅PMOS管采用不共衬底方式级联。
5.根据权利要求4所述的基于双栅工艺的辐照检测传感器,其特征在于,所述N个中任一个双栅PMOS管的衬底Bx与第x双栅PMOS管源极Sx电连接,其中,x为自然数且1≤x≤N。
6.根据权利要求1所述的基于双栅工艺的辐照检测传感器,其特征在于,所述双栅PMOS管为厚栅氧双栅PMOS管。
7.根据权利要求6所述的基于双栅工艺的辐照检测传感器,其特征在于,所述双栅PMOS管的栅氧厚度大于20nm。
8.一种包括权利要求1~7中任一项基于双栅工艺的辐照检测传感器的辐照检测电路,其特征在于,还包括
电流源单元,包括与所述第一双栅PMOS管源极S1电连接的恒定电流源,用于为所述辐照检测传感器提供恒定电流;
数据处理单元,用于实时获取所述辐照检测传感器的栅源偏置电压并进行处理;及
显示单元,用于获取经过处理单元处理的栅源偏置电压,换算为检测辐照剂量并实时显示。
9.根据权利要求8所述的辐照检测电路,其特征在于,所述数据处理单元包括
阈值电压漂移运算电路,实时获取所述辐照检测传感器的栅源偏置电压并进行误差因子修正;
放大及输出电路,与所述阈值电压漂移运算电路相连并对其输出的信号进行放大输出。
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