Інтегральний дозиметр для отримання доз в змішаних гамма-, нейтронних полях

1. Інтегральний дозиметр для вимірювання отриманих доз в змішаних гамма-, нейтронних полях, що складається з гамма-чутливого польового транзистора типу метал-окиселнапівпровідник (МОН) з потовщеним шаром підзатворного діелектрика і металевим або полікремнієвим затвором та нейтроночутливого P-I-N діода з подовженою базою, покритою шаром захисного діелектрика, який відрізняється тим, що згаданий МОН транзистор виконаний із вбудованим каналом (МОНВК транзистор), і цей транзистор та згаданий діод виконані на одній напівпровідниковій, наприклад, кремнієвій n-типу основі (1) та мають U 2 (19) 1 3 великий розмір іонізаційного елемента, тобто непридатність роботи в потоках малого перетину, а також нечутливість первинного перетворювача випромінювання до гамма випромінювання. Необхідність мініатюризації пристроїв, чутливих до гамма-, нейтронного випромінювання, особливо нагальна у випадку застосування в радіаційній медицині, де використовуються потоки малого перетину, привела до створення однокомпонентних, або інтегрованих детекторів, фізичний стан яких змінюється при взаємодії з конкретним компонентом випромінювання за визначеною залежністю (див. статтю «Планарні сенсори для дозиметрії в змішаних гамма- та нейтронних полях» авторів І.Є. Анохіна та ін., збірник праць Інституту ядерних досліджень НАН України, Київ «Ядерна фізика та енергетика» №1 (19) 2007р., стор. 103108 [2]. Описуваний пристрій представляє собою виконаний на кремнієвій основі P-I-N діод, чутливість якого до нейтронного випромінювання обумовлена зміщенням атомів кремнію швидкими нейтронами, що призводить до появи та поступового збільшення кількості дефектів кристалічної решітки в об'ємі бази діода, які впливають на зсув прямої гілки вольт-амперної характеристики діоду. Вимір означеного зсуву характеристики після експозиції дає можливість визначити величину отриманої дози нейтронного компоненту випромінювання. Визначення інтенсивності гамма компоненту випромінювання проводиться в процесі опромінення шляхом виміру зворотного струму цього ж діоду (фотоструму). Описаний пристрій прийнятий заявниками в якості часткового прототипу. Суттєвим недоліком даного рішення є те, що одночасний вимір отриманих нейтронної та гамма доз утруднений, бо фотострум діоду існує тільки під час опромінення, що ускладнює підключення такого діода до вимірювального ланцюга в зв'язку з необхідністю захисту персоналу та вимірювальної апаратури від дії випромінювання. Крім того, породжені під дією нейтронного потоку додаткові дефекти решітки, кількість яких залежить від отриманої дози, збільшують темновий струм діода, тобто необхідна постійна корекція даних щодо гамма випромінювання в залежності від вже отриманої на момент виміру зворотного струму діоду дози нейтронів, а відсутність пам'яті для гамма дози не дає можливості влаштувати централізований вимір отриманих змішаних доз, наприклад, при визначенні дози, отриманої за деякий період підконтрольним персоналом. Відомий ефект накопичування позитивного заряду в підзатворному діелектрику транзистора типу метал-окисел-напівпровідник (МОН) під дією іонізуючого випромінювання, і відповідно пристрій, описаний у літературі (див. «Evaluation of a lowcost commercial mosfet as radiation dosimeter» авторів L.J. Asensio , M.A. Carvajal та ін., Sensors and Actuators A 125 (2006) pp. 288-295 [3]). Під час експозиції кванти іонізуючого випромінювання породжують електронно-діркові пари в матеріалі підзатворного окислу. Завдяки існуванню на межі Si-SiO2 перехідного шару, здатного захоплювати породжені дірки, причому дірки при 47274 4 тягуються та захоплюються електричним полем цього шару, а електрони відштовхуються та рухаються до затвору, що під час експозиції може бути підключений до інших електродів транзистора. Електрони, рухливість яких на чотири порядки вища, ніж у дірок, в основному встигають покинути підзатворну область до рекомбінації. Дірки віддалені від поверхні розділу Si-SiO2, поступово потрапляють до цього перехідного шару під впливом згаданого електричного поля та дифузії, аж поки згаданий шар не буде насичений, причому деяка частина дірок рекомбінує. Таким чином, в шарі підзатворного діелектрика створюється область з позитивним зарядом. Якщо по завершенні експозиції в процесі виміру отриманої дози прикладати до затвору згаданого транзистора напругу негативної полярності, електричне поле згаданої області буде частково компенсувати поле затвору, що змінить напругу відкривання транзистора Vт. Описаний на даному прикладі процес привів до створення різноманітних дозиметрів, з використанням в якості чутливого елемента або стандартного, або спеціально розробленого МОН транзистора з потовщеним підзатворним шаром, наприклад, описаного в статті «Dosimetric evaluation of a new design MOSFET in vivo dosimeter» автора Н. Halvorsen, Medical Physics, vol. 32, pp. 110-117, 2005 [4]. Останній пристрій прийнятий заявниками в якості часткового прототипу. Цей прототип має довготривалу пам'ять дози гамма випромінювання. Недоліком прототипу є відсутність чутливості до нейтронного випромінювання та невизначеність вихідної напруги відкривання транзистора Vт, зумовлену технологічними відхиленнями в процесі виготовлення транзистора та випадковими факторами, що позначається на точності вимірів отриманої дози, а також, в зв'язку з застосуванням товстого підзатворного діелектрика та сильної дії підзатворного заряду необхідності застосування значної напруги негативної полярності на затворі транзистора під час виміру отриманої дози (часто більше сотні вольт) що ускладнює застосування низьковольтної вимірювальної техніки та знижує точність виміру. Відома також різновидність МОН транзистора із вбудованим каналом (МОНВК), напруга відкривання Vт якого може регулюватися додатково шляхом зміни напруги на основі відносно витоку. Приклад застосування та розгляд особливостей такого транзистора наведений в статті авторів В.Л.Перевертайла, О.С.Фролова «Напряжение отсечки МДП структуры со скрытым каналом», Оптоэлектроника и полупроводниковая техника, 1984, вып.5, с.78-82 [5]. Цей транзистор також використаний авторами в якості часткового аналогу. Задача - створення пристрою, вільного від вказаних недоліків обраних прототипів. Технічне рішення поставленої задачі досягається тим, що, маючи на меті створення пристрою, чутливого як до нейтронного так і до гамма випромінювання, зі зменшеною залежністю вимірювальних характеристик пристрою від «чужих» отриманих доз і довготривалою пам'яттю дози, заявники пропонують 5 47274 інтегрований пристрій, в склад якого входить нейтроночутливий P-I-N діод та гаммачутливий рканальний МОНВК транзистор, які виконані на спільній напівпровідниковій основі та можуть мати сполучені або спільні електроди. Реєстровані під час виміру отриманої дози струми обох елементів є функцією відповідних доз та описуються наведеними нижче формулами з поясненнями. Прямий струм P-I-N діода І виводиться з формули (2) [2], стор. 103: V = a (kT / e)ln(I / I 0 ) + IR де: V - напруга не діоді; a - параметр якості діода; k - стала Больцмана; Т - температура; е - заряд електрона; І - прямий струм діода; І0 - струм насичення діода; R - опір бази діода. (І0 та R є функцією дози опромінення). Положення прямої гілки характеристики залежить від ступеня рекомбінації основних носіїв в базі діода на поверхневих та об'ємних центрах генерації-рекомбінації, що скорочує дифузійну довжину носіїв в базі діода. Величина прямого струму І залежить від прямої напруги V, прикладеної до діода, питомого опору матеріалу детектора, омічного опору бази, дифузійної довжини, що залежить від кількості дефектів решітки, в тому числі отриманих дефектів, кількість яких пропорційна нейтронній дозі, та конкретної конструкції приладу. Оскільки чутливість P-I-N діода також залежить від наявності поверхневих дефектів (станів), недокомпенсованих шаром захисного діелектрика (ці дефекти, породжені неоднорідністю поверхні та забрудненнями, формують нерівний потенціальний рельєф поверхні, змінний у часі, що призводить до появи пасток довільної глибини, вплив яких позначається на формі та обсязі об'ємного заряду в базі і відповідному зсуві прямої гілки вольт-амперної характеристики діода). Зменшення впливу цих пасток, забезпечується згідно даних, наведених у книзі «Основы физики микроэлектронных систем металл-диэлектрик- полупроводник»,. Литовченко В.Г., Горбань А.П. К., «Наук. Думка», 1978, стор. 141 - 143 [6], шляхом розміщення додаткового польового електроду поверх захисного діелектрика. Згаданий електрод має деякий потенціал від Vотс - Vпл.з = ( 6 носно бази діода і поле цього електроду блокує поверхневі пастки. Зворотний струм через такий діод при вищій за граничну напрузі на польовому електроді визначається тільки об'ємною генерацією та падає до рівня, визначеного формулою 5.39 , наведеною в [6], стор. 142: IgV = (SП.E. + Sрn) enіW/ t g де: IgV - струм об'ємної генерації; SП.Е.. - площа польового електроду; Spn - площа р-n переходу; е - заряд електрона; nі - щільність розміщення центрів генераціїрекомбінації; W - глибина збідненого шару в поверхневій області напівпровідника; tg - об'ємний генераційний час життя. Згідно формули 5.10 [6], глибина області збіднення W визначається, як: ù 2C д ee é С д (V + Uk ) + Q * - 1ú W = 0 ê 1+ t ee 0 еN а Cд ê ú ë û [ де: Сд - питома ємність діелектрика, V - напруга, прикладена до польового електрода, Uк - контактна різниця потенціалів, Qt* - ефективний поверхневий заряд, e - відносна діелектрична стала кремнію, e 0 - електрична стала вакууму (8,85 * 10-12 Ф/м), Na - концентрація легуючої домішки (акцептора). Змінюючи напругу на керуючому електроді, можна змінювати глибину області збіднення при зворотному включенні діода, тим самим виключаючи дію поверхневих станів на зворотний струм. При цьому міняється кількість центрів об'ємної генерації (дефектів решітки), що потрапляють до області збіднення. Оскільки щільність розміщення центрів генерації-рекомбінації при експонуванні в потоці нейтронів є функцією дози опромінення, заявники вважають, що струм об'ємної генерації також може бути використаний для визначення дози опромінення. Для МОНВК транзистора, згідно даних, наведених в [5], вимірювальний параметр Vвідс. (напруга на затворі при заданому малому струмі пропускання) виводиться з формули (4) на стор. 79: é a 2h p eh p ND æ 1 ê h p + bd D + - a 2h p + bd ç1 ç 2e 0 e 2 ê D D è ë a = 2e 2 e 0 eN D Vpn ( )1/ 2 ; b= ) 2e 2 , e1 ( D = eNАhР де: Vпл.з.= Фms - Qss/Co (Vпл.з - напруга плоских зон, Фms - різниця роботи виходу метал - кремній, Qss заряд границі Si/SiO2, C0 - ємність окислу); е - заряд електрона; e 1 - відносна діелектрична стала двоокису кремнію; e 2 - відносна діелектрична стала кремнію; ] ) ö ÷ ÷ ø 1/ 2 ù - th p ND (h 0 + b d)ú, ú û e 0 - електрична стала вакууму (8,85 * 10-12 Ф/м); hp - технологічна товщина вбудованого каналу; ND - концентрація донорів в основі; NA - концентрація акцепторів в каналі; Vpn - напруга на р-n переході; d - товщина окислу; Враховуючи наведені залежності, заявники пропонують наступне. 7 1. Інтегральний дозиметр для вимірювання отриманих доз в змішаних гамма-, нейтронних полях, що згідно Фіг.1 складається з напівпровідникової, наприклад, n-кремнієвої основи, на якій розташовані гаммачутливий та нейтроночутливий компоненти. Гаммачутливий компонент пристрою представляє собою МОНВК транзистор, наприклад, р-канальний, що має виток (2) з р+ областю (3) під ним, стік (13) з відповідною р+ областю (11), металевий або полікремнієвий затвор (14), розташований на потовщеному шарі оксиду (15) та вбудований канал (12) згаданого МОНВК транзистора, а в якості витоку використовується р-електрод (2). Канал та р+ області згаданого транзистора відокремлені від основи р-n переходом (16). Поліпшена точність підбору напруги відсікання зумовлена подачею невеликої додаткової керуючої напруги на основу транзистора відносно витоку. Встановлення необхідної чутливості при експозиції проводиться шляхом подачі відповідної напруги позитивної полярності на затвор транзистора. Нейтроночутлива частина заявленого пристрою представляє собою керований P-I-N діод, розрахований на роботу в умовах прямого зміщення, що має протяжну базу (1). вкриту шаром захисного ізолятора (8), наприклад, SiO2 для зменшення поверхневих ефектів, та на обох поверхнях згаданої основи поверх ізолятора розташовані металеві польові електроди (4), (9) з керованими відповідними областями збагачення (5), (10) для основних носіїв матеріалу бази діода і підключаються разом або нарізно, та р-електрод згаданого діода, роль якого виконують спільно виток (3) з електродом (2), стік (11) з електродом (13) та рканал згаданого транзистора, і n+ область (7) з електродом (6), причому n+ область (7) дещо заходить під електрод (4) та перекривається з областю керованого збагачення (5) і згадані електроди знаходяться у вікнах польового електроду (4). Регулювання чутливості пристрою по нейтронній дозі провадиться шляхом зміни опору або однієї області (5), або сумісно областей (5), (10) при зміні керуючого потенціалу, при чому частина струму бази відгалужується в тонкий прошарок збагачення під електродами (5), (10), маючий знижену чутливість завдяки великій електропровідності та малій кількості породжених дефектів, що потрапили в об'єм згаданого прошарку. 2. Пристрій за п.1 з тим, що P-I-N діод розрахований для роботи в умовах зворотного зміщення і в цей час згідно Фіг.2 під електродом (4) існує область збіднення та інверсії відносно матеріалу бази, та ця область перекривається з р+областю (3) р-n переходу діода, що частково заходить під електрод (4), а для проведення в умовах існування електромагнітних завад виміру нейтронної дози використовується зворотний струм, зумовлений об'ємною генерацією в базі, що дає можливість значно підвищити напругу в ланцюзі зчитування, а регулювання чутливості та блокування поверхневих станів відбувається шляхом зміни збіднюючого потенціалу на польових електродах (4), (9). Регулювання чутливості гамма компонента відбувається аналогічно п.1. 47274 8 3. Пристрій за п.1 з тим, що для збільшення точності виміру отриманої гамма дози в умовах інтенсивного нейтронного опромінення в склад пристрою для компенсації похибки виміру введений додатковий польовий транзистор, що має спільний виток з вимірювальним транзистором та затвор, ізольований р-n переходом, і не має пам'яті дози та водночас має подібну залежність характеристик від деградації структури, що обумовлено подібністю його конструкції до конструкції вимірювального транзистора. Для вибраного радіаційно залежного параметру Vвідс. компенсаційного транзистора маємо, згідно формули (32), наведеної в книзі «Радиационные эффекты в некоторых классах полупроводниковых приборов», авторів Е.Н. Вологдіна, А.П. Лисенко, НОЦ - МГИЭМ, М, 2001, стор. 20 [7]: Wp-n (Vотс ) = w k0 = 2 2 × e × e 0 × (Vk + Vотс ) , q × Nk де: Wp-n(Vomc) - ширина об'ємного заряду р-n переходу, wk0 - технологічна товщина каналу, e - відносна діелектрична стала кремнію, e 0 - електрична стала вакууму (8,85 *10-12 Ф/м), Nk - ефективна концентрація легуючої домішки (акцептора). q - заряд електрона, Vk - контактна різниця потенціалів, Vomc - напруга відсікання. При Vk