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 МОН C2 2 (19) 1 3 використовується декілька шарів. Такий прилад може використовуватися як детектор гаммавипромінювання при прямому опроміненні іонізаційного елемента. Недоліком даного приладу є 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 являє 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 діода. Вимір означеного зсуву характеристики після експозиції дає можливість визначити величину отриманої дози нейтронного компонента випромінювання. Визначення інтенсивності гамма-компонента випромінювання проводиться в процесі опромінення шляхом виміру зворотного струму цього ж діода (фотоструму). Описаний пристрій прийнятий заявниками як частковий прототип. Суттєвим недоліком даного рішення є те, що одночасний вимір отриманих нейтронної та гаммадоз утруднений, бо фотострум діода 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 діода дози нейтронів, а відсутність пам'яті для гаммадози 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 випромі 97387 4 нювання породжують електронно-діркові пари в матеріалі підзатворного окислу. Завдяки існуванню на межі Si-SiО2 перехідного шару, здатного захоплювати породжені дірки, причому дірки притягуються та захоплюються електричним полем цього шару, а електрони відштовхуються та рухаються до затвора, 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 затвора згаданого транзистора напругу негативної полярності, електричне поле згаданої області буде частково компенсувати поле затвора, що змінить напругу відкривання транзистора VT. Описаний на даному прикладі процес привів до створення різноманітних дозиметрів, з використанням як 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 як частковий прототип. Цей прототип має довготривалу пам'ять дози гамма-випромінювання. Недоліком прототипу є відсутність чутливості до нейтронного випромінювання та невизначеність вихідної напруги відкривання транзистора VT, 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 VT 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 як частковий аналог. Задача - створення пристрою, вільного від вказаних недоліків вибраних прототипів. Технічне рішення поставленої задачі досягається тим, що, маючи на меті створення пристрою, чутливого як до нейтронного, так і до гамма-випромінювання, зі 5 97387 6 зменшеною залежністю вимірювальних характелектрика. Згаданий електрод має деякий потенціристик пристрою від «чужих» отриманих доз і довал відносно бази діода і поле цього електрода готривалою пам'яттю дози, заявники пропонують блокує поверхневі пастки. інтегрований пристрій, в склад якого входить нейЗворотний струм через такий діод при вищій троночутливий P-I-N діод та гамма-чутливий рза граничну напрузі на польовому електроді виканальний МОНВК транзистор, які виконані на спізначається тільки об'ємною генерацією та падає льній напівпровідниковій основі та можуть мати до рівня, визначеного формулою 5.39, наведеною сполучені або спільні електроди. Реєстровані під в [6], стор. 142: час виміру отриманої дози струми обох елементів IgV = (SП.E. + Sрn) enіW/  g є функцією відповідних доз та описуються наведеде: IgV - струм об'ємної генерації; ними нижче формулами з поясненнями. SП.E. - площа польового електроду; Прямий струм P-I-N діода І виводиться з форSpn - площа р-n переходу; мули (2) [2], стор. 103: е - заряд електрона; nі - щільність розміщення центрів генераціїV  k / eln / 0   R рекомбінації; Де: V - напруга не діоді; W - глибина збідненого шару в поверхневій  - параметр якості діода; області напівпровідника; k - стала Больцмана;  g - об'ємний генераційний час життя. Т - температура; е - заряд електрона; Згідно з формулою 5.10 [6], глибина області І - прямий струм діода; збіднення W визначається, як:  І0 - струм насичення діода; 2C д   W  0  1 С д V  Uk   Q  1 , t R - опір бази діода. Cд   0е а    (І0 та R є функцією дози опромінення). Положення прямої гілки характеристики заледе: СД - питома ємність діелектрика, жить від ступеня рекомбінації основних носіїв в V - напруга, прикладена до польового електбазі діода на поверхневих та об'ємних центрах рода, генерації-рекомбінації, що скорочує дифузійну Uk - контактна різниця потенціалів, довжину носіїв в базі діода. Величина прямого Qt* - ефективний поверхневий заряд, струму І залежить від прямої напруги V, прикладе - відносна діелектрична стала кремнію, ної до діода, питомого опору матеріалу детектора, -12 0 - електрична стала вакууму (8,85 *10 Ф/м), омічного опору бази, дифузійної довжини, що заNа - концентрація легуючої домішки (акцептолежить від кількості дефектів решітки, в тому числі ра). отриманих дефектів, кількість яких пропорційна Змінюючи напругу на керуючому електроді, нейтронній дозі, та конкретної конструкції приладу. можна змінювати глибину області збіднення при Оскільки чутливість P-I-N діода також залежить від зворотному включенні діода, тим самим виключанаявності поверхневих дефектів (станів), недокомючи дію поверхневих станів на зворотний струм. пенсованих шаром захисного діелектрика (ці деПри цьому міняється кількість центрів об'ємної фекти, породжені неоднорідністю поверхні та загенерації (дефектів решітки), що потрапляють до брудненнями, формують нерівний потенціальний області збіднення. Оскільки щільність розміщення рельєф поверхні, змінний у часі, що призводить до центрів генерації-рекомбінації при експонуванні в появи пасток довільної глибини, вплив яких познапотоці нейтронів є функцією дози опромінення, чається на формі та обсязі об'ємного заряду в базі заявники вважають, що струм об'ємної генерації і відповідному зсуві прямої гілки вольт-амперної також може бути використаний для визначення характеристики діода). Зменшення впливу цих дози опромінення. пасток, забезпечується згідно з даними, наведеДля МОНВК транзистора, згідно з даними, наними у книзі «Основы физики микроэлектронных веденими в [5], вимірювальний параметр Vвідс. (насистем металл-диэлектрик- полупроводник»,. Липруга на затворі при заданому малому струмі протовченко В.Г., Горбань А.П. К., «Наук. Думка», пускання) виводиться з формули (4) на стор. 79: 1978, стор. 141-143 [6], шляхом розміщення додаткового польового електрода поверх захисного діе1/ 2   2hp  ehpND  1    thpND h0  d, Vотс  Vпл.з  hp  d D    2hp  d 1    202  D D      2 2 де:   220eD Vpn 1/ 2;   , . D = eNАhР 1      1/ 2;     де:   220eD Vpn Vпл.з.= Фms - Qss/C0 (Vпл.з - напруга плоских зон, Фms - різниця роботи виходу метал - кремній, Qss заряд границі Si/SiО2, C0 - ємність окислу); е - заряд електрона; 1 - відносна діелектрична стала двоокису кремнію;  2 2 , D = eNАhР 1 2 - відносна діелектрична стала кремнію; -12 0 - електрична стала вакууму (8,85 *10 Ф/м); hp - технологічна товщина вбудованого каналу; ND - концентрація донорів в основі; NA - концентрація акцепторів в каналі; Vpn - напруга на p-n переході; 7 d - товщина окислу. Враховуючи наведені залежності, заявники пропонують наступне. 1. Інтегральний дозиметр для вимірювання отриманих доз в змішаних гамма-, нейтронних полях, що згідно з фіг. 1 складається з напівпровідникової, наприклад, n-кремнієвої основи, на якій розташовані гамма-чутливий та нейтроночутливий компоненти. Гамма-чутливий компонент пристрою являє собою МОНВК транзистор, наприклад, р-канальний, що має витік (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 як витік 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 являє 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 витік (3) з електродом (2), стік (11) з електродом (13) та р-канал 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 електрода (4). Регулювання чутливості пристрою по нейтронній дозі провадиться шляхом зміни опору або однієї області (5), або сумісно областей (5), (10) при зміні керуючого потенціалу, причому 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 з 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 поверхне 97387 8 вих станів відбувається шляхом зміни збіднюючого потенціалу на польових електродах (4), (9). Регулювання чутливості гамма-компонента відбувається аналогічно п. 1. 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 витік 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 параметра Vвідс. компенсаційного транзистора маємо, згідно з формулою (32), наведеною 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 Vвідс.   wk0  2 2    0  Vk  Vвідс.  q  Nk , де: Wp.n(Vвідс.) - ширина об'ємного заряду р-n переходу, wk0 - технологічна товщина каналу,  - відносна діелектрична стала кремнію, -12 0 - електрична стала вакууму (8,85 * 10 Ф/м), Nk - ефективна концентрація легуючої домішки (акцептора). q - заряд електрона, Vk - контактна різниця потенціалів, Vвідс. - напруга відсікання. При Vk