KR20220105040A - 방사선열화 진단 회로장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 방사선열화 진단 회로 장치는 방사선 열화의 진단 대상인 제1 전자소자, 제1 전자소자에 연결되어 측정 전압의 초기값을 결정하는 고정 저항, 제1 전자소자에 공급되는 전압을 공유하고, 방사선 열화의 비교 대상인 제2 전자소자, 제2 전자소자에 연결되어 기준 전압을 설정하는 제어저항, 그리고 제1 전자소자의 측정 전압이 제2 전자소자로부터 측정된 기준 전압 이하의 값을 가지게 되면 미리 설정된 값을 출력하는 비교기를 포함한다.

Description

방사선열화 진단 회로장치{RADIATION DEGRADATION DIAGNOSTIC CIRCUIT}
방사선열화 진단 기술에 관한 것이다.
총이온화선량효과(total ionizing dose effects, TID effects)는 방사선이 오랜 시간 동안 누적되어 발생하는 피해로 실리콘 기반의 CMOS의 이상현상을 유발한다. 방사선 환경의 대부분 제어/계측 전자시스템은 집적화와 저전력화를 위하여 CMOS 기반의 집적회로(integrated circuit, IC)로 구성되어 있으며 TID 효과에 노출되었을 때 시스템의 오동작 및 성능저하로 인하여 안전상의 문제가 발생할 수 있다.
예를 들어, 집적회로 전체에 오작동 및 오류, 성능저하 등을 초래한다. 특히 CMOS 중 n-MOSFET에서 방사선에 의하여 생성되는 positive 고정 전하는 드레인과 소스 사이에 누설전류를 발생시켜 소자의 성능 저하를 유발한다. 전자 시스템은 방사선에 취약한 n-MOSFET 수천, 수만 개로 구성되어 있기 때문에 각 소자의 성능저하는 전체 시스템의 열화를 중첩시켜 인명피해나 환경오염 등과 같은 큰 피해로 이어질 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위한 가장 이상적인 방법은 방사선 환경의 전자시스템 전부를 내방사화 하는 것이나 이는 내방사선 설계부터 특성검증, 적용단계에 이르기까지 많은 비용과 기간을 필요로 하기 때문에 아직까지 한계가 있다.
따라서, 방사선 센서를 이용하여 선량을 측정하고 기준 선량 이상에서 시스템 내의 전자소자나 회로, 모듈의 정상동작 상태 확인을 통하여 주기적으로 교체하는 간접적인 방식이 사용되어 왔다. 이러한 방사선 센서를 이용한 방식은 방사선 센싱을 위한 높은 바이어스 전압과 뒷단의 증폭기를 포함한 신호처리회로는 높은 전력소모를 발생시키며, 방사선선량을 측정하여 열화 정도를 추정할 뿐 전자소자나 회로의 방사선 열화 정도를 직접적으로 진단하기에는 어려움이 있다.
또한 방사선 환경의 전자부품이나 회로는 대부분 CMOS 기반으로 구성되고 소자 사이즈에 따라 방사선 열화 정도가 다르기 때문에 방사선에 가장 취약한 사이즈를 갖는 소자의 열화 특성을 진단함으로써, 일부 전자소자나 회로, 모듈이 충분히 동작 가능한 상태일지라도 미리 전자부품을 교체해야 하는 문제점이 있다.
따라서, 방사선 환경의 CMOS로 구성된 전자모듈이나 시스템의 안전성 확보를 위해서는 내부 전자소자나 회로의 방사선 열화 상태를 직접적으로 진단할 수 있는 기술이 요구된다.
관련 선행문헌으로 한국등록특허 1,160,661호는 " ＣＭＯＳ 반도체소자를 이용한 전자장비의 방사선 열화 특성 진단장치 "을 개시한다.
한국등록특허 1,160,661
본 발명의 한 실시예는 방사선에 취약한 전자소자(n-MOSFET)의 열화 정도를 직접적으로 측정함으로써 방사선 환경의 전자회로나 모듈의 상태를 정확하게 진단하는 방사선열화 진단 회로장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 한 실시예는 가변형 게이트 구조를 가지는 방사선 내성을 갖는 전자소자(n-MOSFET)를 이용하여 소형화되고 전력소모를 최소화하는 방사선열화 진단 회로장치를 제공하기 위한 것이다.
상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 방사선열화 진단 회로 장치는 방사선 진단 대상인 제1 전자소자, 제1 전자소자에 연결되어 측정 전압의 초기값을 결정하는 고정 저항, 제1 전자소자에 공급되는 전압을 공유하고, 방사선 열화의 비교 대상인 제2 전자소자, 제2 전자소자에 연결되어 기준 전압을 설정하는 제어저항, 그리고 제1 전자소자의 측정 전압이 제2 전자소자로부터 측정된 기준 전압 이하의 값을 가지게 되면 미리 설정된 값을 출력하는 비교기를 포함한다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 방사선 환경의 전자모듈이나 시스템에 전원을 공유한 상태로 열화특성을 가지는 전자소자와 방사선 내성강화 전자소자를 이용하여 전자소자의 열화 정도를 직접 진단함으로써, 실제 사용 환경에서 전자소자의 실제 열화 정도를 정확하게 확인할 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 기존의 열화를 진단하는 장치에 비해 구성이 간단하여 작은 면적으로 온칩화가 가능하고, 측정하고자 하는 전자소자나 방사선 내성강화 전자소자가 항상 턴오프 상태에 있기 때문에 저전력화가 가능하다.　
본 발명의 한 실시예에 따르면, 방사선에 취약한 전자부품이나 모듈에 개별적으로 부착이 가능하며, 방사선 환경에서의 전자시스템의 열화상태를 추정할 수 있어 추정된 열화 상태에 기초하여 전체적인 시스템 오류 또는 오동작의 발행 위험을 정확하게 예측할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 방사선열화 진단 회로장치를 나타낸 예시도이다.
도 2는 도 1에서 저항을 방사선 내성을 갖는 모스펫으로 구현된 방사선열화 진단 회로장치를 나타낸 예시도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 방사선 내성을 갖는 가변형 게이트 모스펫을 나타낸 예시도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 방사선 내성을 갖는 가변형 게이트 모스펫의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 방사선 내성을 갖는 가변형 게이트 모스펫과 일반형 모스펫의 누설 전류량 결과를 측정한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 방사선열화 진단 회로장치의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 안정장치가 추가된 방사선열화 진단 회로장치를 나타낸 예시도이다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 N단계별 열화상태를 진단하는 방사선열화 진단 회로장치를 나타낸 예시도이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 "전송 또는 제공"은 직접적인 전송 또는 제공하는 것뿐만 아니라 다른 장치를 통해 또는 우회 경로를 이용하여 간접적으로 전송 또는 제공도 포함할 수 있다.
본 명세서에서 단수로 기재된 표현은 "하나" 또는 "단일" 등의 명시적인 표현을 사용하지 않은 이상, 단수 또는 복수로 해석될 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 방사선열화 진단 회로장치를 나타낸 예시도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 방사선열화 진단 회로장치는 방사선 열화특성을 가지는 전자소자(n-MOSFET, 110, 이하에서는 제1 전자소자로 명명함)와 고정 저항(Rx)을 포함하는 센싱 모듈(100), 방사선 내성강화 전자소자(n-MOSFET, 210, 이하에서는 제2 전자소자로 명명함)와 제어 저항(RTH1)을 포함하는 기준 모듈(200), 센싱 모듈(100)과 기준 모듈(200)의 전압을 비교하는 비교기(300), 그리고 비교기의 출력값에 기초하여 구동하는 경보 장치(400)를 포함한다.
방사선열화 진단 회로 장치는 방사선 환경의 전자모듈이나 시스템에 전원을 센싱 모듈(100)과 기준 모듈(200)에 공유하도록 구현된다.
여기서, 센싱 모듈(100)은 방사선 열화 정도를 측정하기 위한 모듈이고, 기준 모듈(200)은 방사선 열화 기준을 설정하기 위한 모듈이다.
제1 전자소자(110)는 방사선 열화 특성을 가지는 모스펫(MOSFET)으로 방사선열화를 진단하고자 하는 소자를 의미한다.
이에 제1 전자소자(110)에 연결된 고정 저항(Rx)은 최초 측정 전압(VX)을 결정하도록 구비된 저항으로 공급전압에 관계없이 제1 전자소자(110)가 동작 가능한 최대 측정 전압(VX)을 갖도록 값이 설정될 수 있다.
그리고 제2 전자소자(210)는 방사선 열화의 비교 대상이 되며, 방사선 내성이 강화된 가변형 게이트 모스펫으로 구현이 가능하다.
가변형 게이트 모스펫은 n-모스펫 레이아웃을 변형한 가변형 게이트를 이용하여 방사선 내성을 강화하고 게이트 커패시턴스를 최소화하는 가변형 게이트 구조의 n-모스펫으로, Z-게이트 모스펫, C-게이트 모스펫, L-게이트 모스펫 등을 포함한다.
제2 전자소자(210)에 연결된 제어 저항(RTH1)은 열화 레벨의 기준 전압(VREF1)을 설정하는 저항이다.
방사선에 노출되기 전 초기 상태에서는 전자소자에 입력이 접지(0v)에 연결되어 항상 턴오프되어 있으므로 전력소모는 거의 없는 상태이다. 그러므로 방사선열화 기준 전압(VREP1)은 제어저항(RTH1)에 의하여 결정되기 때문에 상황에 맞춰 가변 가능하다.
이와 같이, 동일한 전원을 각각 센싱 모듈(100)과 기준 모듈(200)에 공유하면서, 센싱 모듈(100)에서 측정된 전압과 기준 모듈(200)에서 측정된 전압을 비교기(300)를 통해 비교하여 제1 전자소자(110)의 열화 정도를 추정할 수 있다.
비교기(300)는 각각 제1 전자소자(110)와 고정 저항 사이의 측정 전압과 제2 전자소자(210)와 제어 저항 사이의 기준 전압을 비교한다. 그리고 비교기(300)는 측정 전압이 기준 전압 이하로 측정되는 경우, 출력값을 변화하여 출력한다.
센싱 모듈(100)에서 측정 전압(VX)은 VDD-IXRX 으로 나타낼 수 있으며, 방사선이 노출되기 전에 기준 전압(VREF1)은 측정 전압(VX)보다 항상 작기 때문에 비교기(300)의 출력 값은 0으로 유지된다. 이때, 고정 저항은 제어저항보다 작다.
예를 들어, 비교기(300)는 측정 전압이 기준 전압보다 큰 상태이면, 상태 값을 0(0V)으로 출력하고, 측정 전압이 측정 전압이 기준 전압 이하로 측정되면 상태 값을 1(공급 전압V)을 출력할 수 있다.
또한, 비교기(300)를 하나 이상으로 구현함으로써 제1 전자소자(110)의 열화 단계를 세밀하게 추정가능하다.
경보 장치(400)는 비교기(300)의 출력값을 수신하여 구비된 스피커 또는 램프 또는 디스플레이를 이용하여 미리 설정된 경보음을 출력하거나 램프의 조도, 색상 등을 제어하거나 미리 설정된 패턴, 문자, 이미지 등을 디스플레이에 표시할 수 있다.
또한, 경보 장치(400)는 비교기(300)의 출력 값이 변화된 시점, 방사선 열화를 측정하는 제1 전자소자(110) 정보, 위치 등을 연동되는 관리자 단말(미도시함)로 전송할 수 있다.
이와 같이, 방사선열화 진단 회로장치는 제1 전자소자(110)의 방사선 열화 정도를 측정하기 위한 것이므로 제1 전자소자(110)를 제외한 고정 저항(Rx), 제2 전자소자(210), 제어 저항(RTH1), 비교기(300) 그리고 경보 장치(400)는 방사선 내성강화 소자를 이용하여 설계된다.
도 2는 도 1에서 저항을 방사선 내성을 갖는 모스펫으로 구현된 방사선
열화 진단 회로장치를 나타낸 예시도이다.
도2에 도시한 바와 같이, 방사선열화 진단 회로 장치에서의 고정 저항과 제어 저항과 같은 수동 소자 없이 직접 전류가 흐르고 이득을 갖는 모스펫과 같은 능동소자(120, 220)로 구현이 가능하다.
도 2와 같이, 저항이 방사선 내성 강화 전자소자로 구현되는 경우에는 민감한 방사선열화의 측정이 가능하다. 다시 말해, 측정 전압과 기준 전압이 임계치 이상으로 높은 경우, 저항 값이 매우 작게 설정되어야 하며 이로 인해 회로에 많은 전류가 흐르게 되어 전력 소모가 크게 된다.
이에 저항이 방사선 내성 강화 전자소자(120. 220)로 구현되면, 전자소자를 제어하는 게이트 전압(VG)과 전자소자의 채널 사이즈를 조절하여 흐르는 전류를 세밀하게 조절할 수 있기 때문에 전력 소모를 최소화할 수 있다.
또한 온칩화를 위한 집적회로 설계 시에 낮은 게이트 전압을 인가하면 적은 면적으로도 높은 저항을 구현할 수 있어 요구되는 면적도 최소화할 수 있다. 그리고 전압 조절만으로도 저항을 가변시킬 수 있어, 별도의 추가적인 회로가 불필요하다.
특히 누설 전류 경로의 일부를 차단하는 가변형 게이트 모스펫으로 저항을 구현함으로써, 게이트 커패시턴스를 줄이는 것이 가능하고 면적을 줄일 수 있어 구조적인 장점을 가진다.
이하에서는 도 3 내지 5를 이용하여 방사선 내성을 가지는 n-MOSFET에 대해서 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 방사선 내성을 갖는 가변형 게이트 모스펫을 나타낸 예시도이고, 도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 방사선 내성을 갖는 가변형 게이트 모스펫의 단면도이며, 도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 방사선 내성을 갖는 가변형 게이트 모스펫과 일반형 모스펫의 누설 전류량 결과를 측정한 그래프이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 가변형 게이트 모스펫은 게이트(Gate) 수직 양방향에 가변 가능한 내방사선 레이어 세트에 따라 (a)Z-게이트 모스펫, (b)C-게이트 모스펫, 그리고 (c)L-게이트 모스펫 으로 구분할 수 있지만 반드시 이에 한정하는 것은 아니다.
여기서, 내방사선 레이어 세트는 폴리 게이트, P+ 레이어, P-active 레이어로 구성되어 있다.
상세하게 가변형 게이트 모스펫은 게이트 (Gate)는 소스 영역과 드레인 영역 사이에 위치하며 폴리 게이트와 동일하게 폴리 실리콘(poly silicon)으로 생성될 수 있다.
여기서, 소스 영역과 드레인 영역은 게이트에 의해 구분되는 영역으로 반드시 소스 영역(Source)과 드레인 영역(Drain)의 위치가 고정되는 것은 아니다.
N-액티브 레이어(N-active)는 트렌지스터(Transistor)의 영역을 지정하며, 공정 상에서 절연 옥사이드(Isolation field oxide)가 영역 내 생성되지 않도록 한다. N-액티브 레이어(N-active)는 N+ 레이어(N+ doping)의 일부 영역에 대하여 소스 영역, 드레인 영역 그리고 폴리 게이트 일부 영역을 포함하여 위치할 수 있다.
N+ 레이어(N+ doping)는 n-타입의 높은 도핑 농도를 갖는 소스 또는 드레인을 생성하기 위한 레이어를 나타낸다.
그리고 폴리 게이트는 Z형, C형, L형과 같이 형태에 따라 게이트(Gate)의 양단에 형성된다.
도 3의 (a)에서는 게이트(Gate) 양단에서 서로 상이한 방향으로 폴리 게이트가 형성된다. 그리고 (b)에서는 게이트(Gate) 양단에서 동일한 방향으로 폴리 게이트가 형성되며, (c)에서는 게이트(Gate) 일단에서는 양방향으로 게이트(Gate) 너비보다는 넓지만 소스 영역과 드레인 영역에 대한 너비보다는 좁은 형태로 폴리 게이트가 형성되고, 게이트(Gate) 타단에서는 일 방향으로 폴리 게이트가 형성된다.
P+ 레이어는 추가된 폴리 게이트에서 게이트(Gate)의 반대 편으로 형성되며, 추가된 폴리 게이트 엣지에 만나거나 일부가 포함되도록 형성된다.
그리고 P-액티브 레이어(P-active)는 추가된 폴리 게이트와 p+ 레이어를 통과하여 형성되며, P+ 레이어 상에서 P+ 레이어 영역을 넘지 않도록 형성된다.
이때, Z-게이트 모스펫, C-게이트 모스펫, 그리고 L-게이트 모스펫에서는 폴리 게이트가 N+ 레이어와 이격되어 배치되면서 P-액티브 레이어가 N-액티브 레이어와 접촉되도로 배치된다.
이를 통해 게이트와 드레인 또는 소스가 만나는 부분을 최소화하여 게이트 커패시턴스를 줄이는 것이 가능하며, 요구되는 면적을 최소화할 수 있어 실제 회로설계 시 내방사선 레이어 세트가 양방향에서 개별적으로 가변이 가능하기 때문에 줄어든 면적 부분을 소스나 드레인의 연결 패스로 사용가능하다.
또한, P+ 레이어는 누적 이온화 영향으로 발생하는 절연층 경계에 위치하여 고정 전하에 의한 누설 전류 경로를 억제한다. 이처럼 누설 전류 경로가 억제됨에 따라 누적 이온화 영향을 감소시킬 수 있다.
다시 말해, P-액티브 레이어와 P+ 레이어는 문턱 전압을 상승시킴으로써 트래핑(trapping)된 정공에 의해 발생하는 채널 반전을 억제시키고 누설 전류의 발생을 차단할 수 있다.
그러므로 내방사선 회로 설계상에서 속도저하 문제를 최소화하고 면적 줄이면서 효율적으로 각 소자간 전극을 연결할 수 있는 구조적인 장점을 갖는다.
도 4는 Z- 게이트 모스펫의 구조에 따른 단면도를 나타낸다.
도 4에 도시한 바와 같이, 가변형 내방사선 레이어 세트가 절연옥사이드를 따라 발생하는 누설전류 경로를 일부분을 차단한다.
내방사선 레이어 세트에 포함된 폴리 게이트는 p+ 영역의 바디와 n+ 영역은 소스, 드레인의 연결을 차단하는 실리사이드 블록킹 레이어 역할을 하는 동시에 절연옥사이드를 소스나 드레인으로부터 격리 시키는 역할을 한다. P-active 레이어는 N-acitve 레이어 엣지 부분과 만나도록 형성하여 Active 영역 사이에 절연옥사이드가 형성되는 것을 차단한다. p+ 레이어는 최외곽의 절연산화막에 트랩되는 정공이 n+ 영역에 영향을 주지 않도록 하는 역할을 담당한다.
그리고 도 5는 Z- 게이트 모스펫과 일반형 n-MOSFET의 방사선 내성을 평가한 그래프로, 각 모스펫0.18um CMOS 벌크공정에서 채널 사이즈 5um/0.5um(W/L)로 각각 제작되었고, 실제 고준위 감사선 조사시설에서 Cobalt-60 선원을 이용하여 최대 누적선량 25kGy까지 조사한 결과이다.
각 소자의 게이트 전압이 0인 상태 즉 소자의 턴오프 상태에서 누적방사선 증가에 따른 누설전류를 측정하였으며 그 결과로, 일반형 n-MOSFET은 턴오프 상태임에도 불구하고 누설전류는 누적선량 10kGy까지 급격히 증가하여 약 10uA까지 도달 후 포화되는 것을 확인할 수 있다. 이러한 현상은 n-MOSFET으로 설계된 IC가 방사선 환경에 노출 시 누적 방사선 증가에 따른 오동작이나 데이터 오류 등과 같은 피해의 원인이 된다.
반면, 방사선 내성강화 Z- 게이트 모스펫은 누적선량 증가에도 불구하고 누설전류가 수 nA로 유지하는 것을 확인할 수 있다.
이처럼, Z- 게이트 모스펫은 방사선 내성강화 특성을 가지며, 방사선 환경용 IC 설계에 적합한 것을 알 수 있다.
이에 따라 도1 및 도 2에서 도시한 바와 같이, 고정 저항(Rx), 제2 전자소자(210), 제어 저항(RTH1) 그리고 비교기(300)를 가변형 게이트 모스펫으로 구현하여 저면적, 속도저하 최소화, 회로설계 유연성 등의 장점과 함께 방사선 내성강화 소자로 이용가능하다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 방사선열화 진단 회로장치의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6에서는 공급 전압을 3.3V, 기준 전압은 제어 저항을 조절하여 2.5V로 설정한 후, 방사선에 의한 측정 전압의 하강은 고정저항을 조절하여 모델링된 방사선 열화 진단 회로 장치를 시뮬레이션한 결과이다.
도 6에서와 같이, 방사선 증가에 따라 열화 센싱 전압이 서서히 감소하다가 열화 기준 전압 이하로 변화하면, 비교기의 출력값이 0V(0)에서 3.3V(1)로 변하게 되는 것을 알 수 있다. 이러한 비교기 출력값의 변화로 전자 부품의 열화 정도를 예측하거나 해당 전자 부품의 교체 시기를 예측할 수 있다.
이하에서는 도 7과 도 8을 통해 기능이 확장된 방사선 열화 진단 회로 장치에 대해서 상세하게 설명한다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 안정장치가 추가된 방사선열화 진단 회로장치를 나타낸 예시도이다.
도 7에 도시한 바와 같이, 저항(RTH1, RD)만으로 이루어진 고정 전압(VREF1)과 비교기를 추가적으로 구비하여 안전 장치를 추가할 수 잇다.
여기서, 안전 장치는 제2 전자소자(210)에서 문제가 발생할 경우에 대비하여 추가적으로 구비된 장치이다.
상세하게는 제2 전자소자(210)의 기준전압(VREF0)을 기준으로 제1 전자소자(110)에 대한 측정 전압(VX)과 저항으로 구성된 고정전압(VREF1)을 비교한다.
이때 각 전압의 크기는 VREF1 < VREF0 < VX 상태가 된다.
그러므로 제1 비교기(310)의 값은 측정 전압(VX)이 기준 전압(VREF0)보다 큰 값을 가지면 0을 출력하고, 측정 전압(VX)이 기준 전압(VREF0)보다 작은 값을 가지면 1을 출력한다. 그리고 제2 비교기(320)의 값은 기준 전압(VREF0)이 고정 전압(VREF1)보다 높은 값을 가지면 0을 출력하고 기준 전압(VREF0)이 고정 전압(VREF1)보다 낮은 값을 가지면 1을 출력한다.
이에 따라 방사선에 노출되지 않는 초기 상태의 경우, 제1 비교기(310)와 제2 비교기(320)의 출력은 0이 되지만, 방사선량 증가에 따른 측정 전압(VX)이 기준 전압(VREF0)이하로 측정되면 제1 비교기(310)의 출력이 0에서 1로 변화된다. 이를 통해 제1 전자소자(110)의 방사선 열화를 진단할 수 있다.
반면에, 제2 비교기(320)의 출력은 항상 0을 유지해야 하지만, 제2 전자소자(210)에서 이상이 발생한 경우, 제2 비교기(320)의 출력값이 1로 변경되어 제2 전자소자(210)의 이상 상황을 확인할 수 있다.
예를 들어, 기준 전압(VREF0)이 고정 전압(VREF1) 낮아지는 경우, 제2 전자소자(210)에 이상이 생긴 것으로 추정할 수 있다.
그리고 경보 장치(400)는 제1 비교기(310)와 제2 비교기(320)의 결과에 대해 각각 독립적으로 표시하거나 다른 형태로 표시될 수 있다.
예를 들어, 경보 장치(400)는 제1 비교기(310)와 제2 비교기(320)를 각각 제1 램프와 제2 램프로 결과를 표시하여 제1 비교기(310)에서 출력값이 1로 변하면 제1 램프의 조도를 높이고 제2 비교기(320)에서 출력값이 1로 변하면 제2 램프의 조도를 높일 수 있다. 또는 경보 장치(400)는 제1 비교기(310)의 출력이 1로 변화한 경우, 램프의 색상을 노란색으로 설정하여 조도를 높이거나 제2 비교기(320)의 출력이 1로 변화한 경우, 램프의 색상을 빨간색으로 설정하여 조도를 높일 수 있다.
이러한 구성은 하나의 예시로 추후에 관리자에 의해 용이하게 변경 및 설계 가능하다.
이처럼, 방사선 내성강화 전자 소자인 제2 전자소자(210)의 이상 현상을 확인하면서 제1 전자소자(110)의 열화정도를 진단할 수 있다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 N단계별 열화상태를 진단하는 방사선열화 진단 회로장치를 나타낸 예시도이다.
도 8에 도시한 바와 같이, 가변이 가능한 제어 저항 N개를 이용하여 제1 전자소자(110)의 열화 기준을 단계별로 설정하고, 각 단계에 따른 비교기를 통해 제1 전자소자(110)의 열화 상태를 단계별로 확인이 가능하다. 여기서, N은 자연수이며, 관리자에 의해 용이하게 변경 및 설정가능하다.
도 8은 예시적으로 4 단계의 상태로 진단하는 것으로 도시하였으며, 각 비교기의 출력값을 입력값으로 하여 제1 전자소자(110)의 열화 단계를 출력하는 인코더(500)를 더 구비할 수 있다.
인코더(500)는 4단계로 제1 전자소자(110)를 진단하기 위해 2-bit의 디지털 값으로 출력하며, 예시적으로 정상상태(00), 긴장상태(01), 위험상태(10), 매우위험상태(11) 등으로 출력할 수 있다.
보다 정밀한 진단을 위해 n-bit의 출력을 구현할 경우 회로의 동작속도가 확보되는 한 해상도(resolution)를 증가시킬 수 있다.
한편, 도 7 및 도 8에 도시한 방사선 열화진단 회로에서 포함된 저항들을 방사선 내성 강화 전자소자로 구현 가능하다.
이와 같이, 방사선열화 진단 회로장치는 방사선 환경에서 사용되는 전자소자와 방사선 내성강화 전자소자를 이용하여 전자소자의 방사선 열화정도가 기준 이하에 도달하게 되면 디지털 신호의 변화가 발생하고 이를 시각화하여 제공할 수 있다.
이를 통해 방사선 환경에서 전자소자의 열화 특성에 기초하여 실제 열화 정도를 측정함으로써, 각 전자소자의 열화 정도를 정확하게 측정 가능하다.
또한, 기존의 방식에 비해 간단한 구성으로 소형화, 온칩화가 가능하며, 저전력으로도 구현이 가능하여 개별적인 전자소자의 열화뿐 아니라 전체 시스템에서 대해서 방사선 열화에 의한 시스템 오류 또는 오동작을 미리 예측할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 따른 방법을 실행시키기 위한 프로그램은 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다.
컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체는 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크와 같은 자기-광 매체, 및 롬, 램, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 여기서 매체는 프로그램 명령, 데이터 구조 등을 지정하는 신호를 전송하는 반송파를 포함하는 광 또는 금속선, 도파관 등의 전송 매체일 수도 있다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드가 포함된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (11)

  1. 방사선 열화의 진단 대상인 제1 전자소자,
    상기 제1 전자소자에 연결되어 측정 전압의 초기값을 결정하는 고정 저항,
    상기 제1 전자소자에 공급되는 전압을 공유하고, 방사선 열화의 비교 대상인 제2 전자소자,
    상기 제2 전자소자에 연결되어 기준 전압을 설정하는 제어저항, 그리고
    상기 제1 전자소자의 측정 전압이 상기 제2 전자소자로부터 측정된 기준 전압 이하의 값을 가지게 되면 미리 설정된 값을 출력하는 비교기,
    를 포함하는 방사선열화 진단 회로 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 비교기로부터 상기 미리 설정된 출력값을 입력받으면, 미리 설정된 경보음을 출력하거나 문자, 패턴, 또는 이미지 중에서 하나 이상을 표시하거나 연동된 조명을 제어하는 경보 장치를 더 포함하는 방사선열화 진단 회로 장치.
  3. 제1항에서,
    상기 제2 전자소자는,
    가변형 게이트 구조의 모스펫(MOSFET)으로, 소스 영역과 드레인 영역 사이에 배치되는 게이트의 양단에 형성된 추가 게이트와 상기 추가 게이트 엣지에 접촉되거나 일부가 포함되도록 형성된 P+ 레이어와 상기 P+ 레이어 상에서 위치하는 P-액티브 레이어를 포함하는 레이어 세트를 포함하는 방사선열화 진단 회로 장치.
  4. 제3항에서,
    상기 소스 영역, 상기 드레인 영역 그리고 상기 게이트 상에 N+ 레이어가 형성되고, 상기 N+ 레이어의 일 영역에 대응하여 상기 소스 영역과 상기 드레인 영역을 포함하는 N 액티브 레이어가 위치하며,
    상기 P-액티브 레이어는 N-액티브 레이어와 경계면이 맞닿도록 배치되는 방사선열화 진단 회로 장치.
  5. 제4항에서,
    상기 추가된 게이트는,
    상기 게이트의 일단의 너비보다 좁은 영역이 맞닿도록 형성되며, 상기 N+ 레이어와 이격되어 위치하는 방사선열화 진단 회로 장치.
  6. 제4항에서,
    상기 추가된 게이트는,
    상기 게이트의 일단에서 상기 게이트의 너비보다 양방향으로 넓은 너비를 가지면서, 상기 소스 영역의 상기 드레인 영역을 포함하는 너비보다 좁은 너비를 가지도록 형성되고,
    상기 게이트의 타단의 일부 영역에서 일방향으로 형성되는 방사선열화 진단 회로 장치.
  7. 제3항에서,
    상기 고정 저항 또는 상기 제어 저항은,
    스위칭 특성을 가지는 상기 가변형 게이트 구조의 모스펫으로 구성하여, 상기 가변형 게이트 구조의 모스펫의 사이즈 또는 게이트 전압을 조절하여 저항값을 설정하는 방사선열화 진단 회로 장치.
  8. 제1항에서,
    저항만으로 구성된 고정 전압, 그리고
    상기 고정 전압을 기준으로 상기 제2 전자소자의 기준 전압과 비교하여 전압간의 차이 값이 바뀌면 미리 설정된 값을 출력하는 제2 비교기
    를 더 포함하는 방사선열화 진단 회로 장치.
  9. 제8항에서,
    연동되는 경보 장치를 통해 상기 제2 비교기에서 상기 미리 설정된 출력값을 입력받으면, 상기 제2 전자소자의 이상 동작에 관한 알림 메시지를 생성하여 출력하는 방사선열화 진단 회로 장치.
  10. 제1항에서,
    N개의 상기 제어 저항에 따른 N개의 기준 전압과 상기 제1 전자소자의 측정 전압을 각각 비교하는 N개의 비교기를 구비하고,
    상기 N개의 비교기로부터 입력받은 출력값을 디지털 신호로 변환하여 출력하는 인코더(N은 자연수),
    를 더 포함하는 방사선열화 진단 회로 장치.
  11. 제10항에서,
    연동되는 경보 장치를 통해 상기 인코더의 출력값에 기초하여 미리 설정된 상기 제1 전자소자의 N개의 방사선 열화 단계 중에서 해당되는 방사선 열화 단계를 출력하는 방사선열화 진단 회로 장치.
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