ELEKTRONICZNA APARATURA DOZYMETRYCZNA

Transkrypt

1 Dr iż. Adrzej Skoczeń KOiDC, WFiIS, AGH Rok akademicki 017/018 ELEKTRONICZNA APARATURA DOZYMETRYCZNA Wyk. 4 9 maj 018 Radiacyje uszkodzeia strukturale metoda pomiaru fluecji eutroów Złącze p- w kieruku przewodzeia i zaporowym Krzemowa dioda p-i- zaporowa dozymetr pasywy Krzemowa dioda p-i- przewodząca dozymetr aktywy Tryby pracy mosimetru Metody pomiaru apięcia progowego Rozwiązaia układowe mosimetrów Kraków, Medycyie, stopień II, semestr 1, 018 1

2 Charakterystyka I-V diody I ΔV F Dozymetria aktywa V Δ I L Dozymetria pasywa Uszkodzeia strukturale Dozymetry eutroowe

3 300µm Prąd upływu krzemowej diody Pierścień ochroy złącze p + i(ν) Dioda p-i- składająca się z wysoko domieszkowaej warstwy p + i dużej objętości krzemu samoistego i(ν), który w zasadzie jest materiałem - o bardzo dużej rezystacji a poziomie kilku kω cm. Wokół diody stosuje się pierścień ochroy także z warstwy p +. 3

4 Napięcie pełego zubożeia diody Napięcie polaryzacji detektora półprzewodikowego, przy którym warstwa zubożoa rozciąga się a całą grubość W elemetu: V FD en D Si 0 W Prąd upływu krzemowej diody Prąd geeracji w objętości półprzewodika wyikający z cetrów G-R istiejących (powstających) w środkowej części przerwy eergetyczej. I L e S i W g Zmiaa domieszkowaia poprzez formowaie staów eergetyczych Rośie ilość cetrów G-R, spada czas życia miejszościowych ośików ładuku 4

5 Prąd upływu krzemowej diody SCT SemiCoductor Tracker Detektor pozycyjy w ATLAS-ie wchodzący w skład detektora wewętrzego (Ier Detector). Jede z podsystemów detekcyjych ATLAS-a, położoy ajbliżej puktu zderzeia, zbudoway z krzemowych detektorów paskowych. Składa się z 4088 modułów krzemowych detektorów paskowych. Każdy moduł to 1 podukładów o 18 paskach każdy. Razem: = ,3 milioa kaałów 5

6 Dioda PIN - ST Microelectroics (Italy) Materiał: Krzem, ρ=1 15 kω cm; orietacja krystalogtaficza <100> i <111> Rozmiar: grubość 300 μm; powierzchia aktywa 5 5 mm ; całkowita 7 7 mm ; Podczas pomiaru: polaryzacja zerowa czyli aoda i katoda są uziemioe Sposób odczytu: Pomiar prądu upływu I L między katodą a aodą przy stałej polaryzacji zaporowej U R dla pełego zubożeia. Elektroda pierścieia ochroego powia być a tym samym potecjale co katoda. W zależości od początkowej rezystywości materiału, zwykle U R =100V. U R I L 6

7 prąd upływu [A] Prąd upływu krzemowej diody Krzywa kalibracji detektora p-i- o grubości 307μm i o powierzchi aktywej 0,5 cm, wokół, którego zastosowao pierścień ochroy. W procedurze pomiarowej zastosowao ailig w 80 o C przez 4 mi. 1-MeV Φ zakres: cm cm - (1MeV eq ) Typowa czułość a eutroy: α= A/cm Zakres prądu upływu: < A (ie aświetloy) 150 μa (przy fluecji cm - ) 7

8 Złącze p- Złącze w rówowadze termodyamiczej p p p p N -e p A i N A x=-x p N D x=0 x=x x W + -N A p N N D i D ev bi -e E C E F E i E V x Dla elektroów: e j 0 j 0 ( ) ed Dla modelu jedowymiarowego: e V bi d dx d p d Przestrzea gęstość ładuku stałego ie skompesowaych joów atomów domieszek. e p p T T p d T dx d d Napięcie dyfuzyje (wbudowae built-i): T l 0 8 p

9 Rówaie diody idealej Schockleya Suma gęstości prądów dziurowego i elektroowego w każdym przekroju diody (dla każdego x) jest taka sama (połączeie szeregowe): j j p ( x ( x ed p p0 ev ) exp( ) 1 L kt p ed pp0 ev ) j ( xp) exp( ) 1 L kt j j p ( x) j( x) Poieważ założyliśmy, że w warstwie zubożoej ie ma rekombiacji. I ev I exp( ) 1 s kt I s L D Dp p Ae Lp 0 D L p0 Gdzie: I s - prąd asyceia złącza, A pole powierzchi przekroju złącza. 9

10 I Rówaie diody rzeczywistej Dla polaryzacji w kieruku przewodzeia trzeba uwzględić prąd rekombiacji: U szybkość rekombiacji: U τ r 1 σv th 1 σv N th t Ae p N t 0 i ev exp kt D p p p0 i τ r D ev exp kt exp ev kt I I rec rec A W 0 eudx eaw τ r efektywy rekombiacyjy czas życia σ przekrój czyy a wychwyt ruchomego ośika ładuku r eaw r i ev exp kt i exp ev kt η=1 czysta dyfuzja η= czysta rekombiacja I ev exp kt η - Współczyik idealości diody 10

11 metal Krzemowa dioda przewodząca W diodzie p-i- o szerokości zubożeia W spolaryzowaej w kieruku przewodzeia, dziury są wstrzykiwae od stroy kotaktu p + -i, a elektroy od stroy kotaktu i - +. Napięcie a diodzie jest sumą spadku apięcia a dwóch złączach V Fj i a obszarze samoistym (bazie) V Fb : V F = V Fb + V Fj Złącze p + -i Złącze + -i Krzem typu π lub ν Wysokiej rezystywości baza p + + metal N A N b N D Niski poziom wstrzykiwaia: p I Fj Y Jak dla złącza p- z rekombiacją i a W evfj exp kt W Wysoki poziom wstrzykiwaia: p I Fj c ev exp kt i Fj Brak zależości od τ i N b Podstawowy tryb pracy diody p-i- w dozymetrze 11

12 1 Czułość dozymetru d d d dv d dv S F F K d d d K d K 1 1 l exp T F F T F T F F d dv D X I V V D X I T F F T F T F F d dv W Y I V V W Y I l exp Przypadek idealy Przypadek G-R 1 W K Z K Z d dv S F V F = V Fb + V Fj 1 T Z T Z 1

13 dvf S K d Czułość dozymetru Przypadek apięcia bazy V Fb iezależego od prądu I F : (iski poziom wstrzykiwaia) W L W f K L W f 1 W L Swartz, Thursto, 1966 Przypadek apięcia bazy V Fb zależego od pierwiastka prądu I F : (wysoki poziom wstrzykiwaia) S dvf d K 3 W g L K W 3 g 1 W L 13

14 I F = 5mA Krzemowa dioda przewodząca V Z Układ dozymetru aktywego eutroowego Przebieg odpowiedzi apięciowej I F =5mA V F Do wzmaciacza i ADC V F t F =100ms Prametry impulsu prądowego ależy dobrać tak aby uikąć grzaia się diody z dwóch powodów: występowaie ailigu, zmiay apięcia wbudowaego diody. Nie ma sposobu a rozróżieie zmia wywołaych promieiowaiem i temperturą. Dwa zjawiska temperaturowe: Dodati współczyik temperaturowy rezystacji krzemu samoistego, Ujemy współczyik temperaturowy złącza p-. 14

15 Krzemowa dioda przewodząca Wykładiczy przebieg wyikający z modulacji przewodości. Rezystacja diody spada gdy gęstość ośików ładuku wzrasta. Czas potrzeby a osiągięcie stau ustaloego zależy od geometrii diody i rezystywości krzemu samoistego. Wartość stau ustaloego podstawowa odpowiedź dozymetru. Po wyłączeiu prądu apięcie spada w sposób agły do apięcia a złączach elemetu. Nachyleie dalszego zaiku apięcia jest związae z czasem życia ośików w krysztale. Dlatego także może być użyte jako wielkość odczytowa. 15

16 Krzemowa dioda przewodząca Zalety: prosty odczyt; duża rozdzielczość przestrzea; szeroki zakres odpowiedzi; zmiea czułość; odpowiedź iezależa od kieruku przestrzeego elemetu; iezależość od mocy dawki; mały rozrzut odpowiedzi w grupie diod. Rozrzut czułości moża dodatkowo zmiejszyć poprzez wstępe aświetleie fluecją cm eutroów i krótki wysokotemperaturowy ailig. diodę moża używać wielokrotie; możliwość ailigu prądowego bez wyjmowaia elemetu z dozymetru; mechaizm odpowiedzi jest taki sam jak mechaizm uszkodzeń strukturalych elemetów elektroiczych. 16

17 Dioda PIN - BPW-34 OSRAM Czułość widmowa: S λ = 0,6 A/W dla λ=850 m Prąd ciemy: I R =A (max. 30A) dla V R =10V BPW-34F Osłoięta przed promieiowaiem widzialym Czułość widmowa: S λ = 0,65 A/W dla λ=880 m Prąd ciemy: I R =A (max. 30A) dla V R =10V 17

18 Dioda PIN - BPW-34 OSRAM Profil domieszkowaia wyekstrachoway z pomiarów pojemościowych ieaświetloej diody. ρ kΩ cm eμ N eff 18

19 Dioda PIN - BPW-34 OSRAM Charakterystyki prądowo-apięciowe po apromieiowaiu protoami 3GeV. Krzywe zmierzoo w sposób dyamiczy stosując impuls prądowy o czasie trwaia 100ms. 19

20 Dioda PIN - BPW-34 OSRAM Materiał: krzem typu o rezystywości ρ=.5 kω cm; Rozmiar: długość bazy d 10 μm i przekrój poprzeczy.65 mm ; Podczas aświetlaia: polaryzacja zerowa czyli aoda i katoda są uziemioe; Sposób odczytu: pomiar apięcia przewodzeia V F między katodą a aodą przy użyciu impulsu prądowego o wartości I F = 1mA i czasie trwaia t F =100ms. I F V F BPW-34F 0

21 Dioda PIN - BPW-34 OSRAM Czułość możemy podawać jako: Fluecja Φ powodująca zmiaę apięcia przewodzeia o ΔV F =1mV lub Zmiaa apięcia przewodzeia ΔV F przypadająca a jedostkową fluecję Φ=10 9 cm -. 1-MeV Φ zakres: cm - (1MeV eq ) Typowa czułość a eutroy: cm - / mv cm - / mv; V F mv 0, , 9 10 cm 1

22 Dioda specjalizowaa dla dozymetrii Komercyja fotodioda Producet Czułość a eutroy Zakres fluecji CMRP, Australia BPW34, OSRAM 5.9 mv/10 9 cm - ±13 %; cm mv/10 9 cm - ±0 %; cm -

23 Dwa tryby pracy mosimetru Z polaryzacją - aktywy Pole w izolatorze SiO przyspiesza usuwaie elektroów i obiża rekombiacyją utratę dziur. Rozwój warstwy złapaych dziur astępuje w pobliżu krzemu i dlatego osłabia pole w pozostałej części izolatora prowadząc do utraty liiowości przy większych dawkach (asyceie). Q ot e g t ox Prawdopodobieństwo uikięcia rekombiacji P r ( E ox,e ) P ( Prawdopodobieństwo pułapkowaia proces Bez polaryzacji - pasywy Obiżoe prawdopodobieństwo uikięcia rekombiacji prowadzi do obiżeia efektywości pułapkowaia dziur. Razem prowadzi to do miejszej czułości ale za to bardziej liiowej zależośći odpowiedzi od dawki. Korzysty przy dużych dawkach i umożliwia pracę bez obwodu polaryzacji. t E ox, E ox E ) D Pole elektrycze w tleku bramki Eergia promieiowaia 3

24 Bramka Dre Typu p polikrzem SiO Kaał iwersyjy typu p Mosimetria Geeracja par elektro-dziura w dwutleku krzemu przez promieiowaie joizujące Pułapkowaie dziur w pobliżu t ox Si warstwa zubożoa Źródło Typu p iterfejsu SiO -Si Przesuięcie charakterystyki I-V prowadzące do zmiay apięcia progowego w warukach stałego prądu kaału trazystora Si podłoże typu Tryb pasywy: ΔV th ~ 0.00 D 0.4 t ox Tryb aktywy: ΔV th ~ 0.04 D t ox f Tryb aktywy tz. z dodatią polaryzacją a bramce w czasie aświetlaia. f część wygeerowaych dziur, która uikęła rekombiacji 4

25 Tryb aktywy (z polaryzacją): ΔV th =0,04 D f t ox Spolaryzoway trazystor o tleku wytworzoym w procesie termiczego utleiaia wykazuje obydwa efekty Q ot i Q it. Tryb pasywy (bez polaryzacji): ΔV th =0,00 D 0,4 t ox Trazystor ie spolaryzoway ie wykazuje zmiay achyleia podprogowego czyli domiuje efekt ładuku Q ot. Spolaryzoway trazystor o tleku wytworzoym w procesie termiczego utleiaia połączoym z procesem depozycji SiO wykazuje tylko efekty Q ot. aktywy Sposób odczytu pasywy 5

26 Skala logarytmicza Tryb pomiaru mosimetru Podprogowy widok charakterystyki prądowo-apięciowej PMOS-a 6

27 Pomiar apięcia progowego Ortiz-Code, 013 CC Costatt Curret Arbitraly wybór prądu progowego I Dth w zakresie od 10pA do 1µA; odczytaie wartości apięcia a zmierzoej krzywej I D (V GS ) podprogowej (logarytmicza skala prądu) QCC Quasi-Costatt Curret Prąd progowy jest obliczay z aalityczego modelu słabej iwersji (podprogiem) ELR Liear Extrapolatio Ekstrapolacja zmierzoej zależości I D (V GS ) w zakresie pracy liiowej V DS << V DSsat ESR TC TD CsrTR NMID NRH TCR Quadratic Extrapolatio Trascoductio Chage Third-derivative Curret-to-square-root-ofthe-Trascoductace Ratio Trasitio method Normalized Mutual Itegral Differece Normalized Reciprocal H fuctio Trascoductace-to- Curret-Ratio Ekstrapolacja zmierzoej zależości pierwiastka I D od V GS w zakresie asyceia V DS V DSsat Poszukiwaie maksimum pochodej zmierzoej zależości traskoduktacji g m od apięcia V GS Opiera się a własościach całkowej fukcji różicowej (itegral differece fuctio) D(V G, I D ) Także oparta a fukcji D(V G, I D ) Wykorzystuje fukcję H(V G, I D ) wprowadzoa do badań apięcia progowego ciekich amorficzych trazystorów MOS 7

28 Pomiar apięcia progowego Metoda prądu stałego CC (Costatt Curret) 8

29 Pomiar apięcia progowego Metoda puktu dopasowaia MP (Match-Poit) Napięcie progowe V th to taka wartość V G, przy której pomiary odchylają się od prostej aproksymującej prąd podprogowy (a wykresie pół-logarytmiczym) o 5%. 9

30 Pomiar apięcia progowego Metoda Liiowej Ekstrapolacji ELR (Extrapolatio i the Liear Regio) Napięcie progowe V th to taka wartość V G, przy której liiowa ekstrapolacja krzywej I D V G poprowadzoa w jej pukcie przegięcia (maksimum pierwszej pochodej czyli maksymala traskoduktacja) przecia oś apięcia V G. 30

31 Pomiar apięcia progowego Metoda Liiowej Ekstrapolacji ESR (Extrapolatio i the Saturatio Regio) 31

32 Pomiar apięcia progowego Metoda drugiej pochodej SD (Secod-derivative method) albo Metoda zmia traskoduktacji TC (Trascoductio Chage) Napięcie progowe V th to taka wartość V G, przy której pochoda traskoduktacji jest maksymala. dgm d I D dv dv G G 3

33 Pomiar apięcia progowego Metoda drugiej pochodej SD (Secod-derivative method) albo Metoda zmia traskoduktacji TC (Trascoductio Chage) 33

34 Pomiar apięcia progowego Metoda trzeciej pochodej TD (Third-derivative) 34

35 Pomiar apięcia progowego Metoda stosuku prądu do pierwiastka traskoduktacji CsrTR (Curret-to-square-root-of-the-Trascoductace Ratio) 35

36 Pomiar apięcia progowego Całkowa fukcja różicowa (itegral differece fuctio): Fukcja H: Odwrota i zormalizowaa fukcja H: 36

37 Pomiar apięcia progowego A. Ortiz-Code,

38 Tryb pomiaru mosimetru I D β (V GS V th ) V DSsat V DS V V GS DSsat V th I D0 V DD Gdy trazystor jest w połączeiu diodowym tz. bramka jest zwarta z dreem to zpewioa jest praca w asyceiu gdyż V GS = V DS : D V GS I D0 V GS ( V V th GS V th I D ) 0 G GND S B Ta wartość V GS jest praktyczym parametrem dozymetryczym. 38

39 MOS-imetr Holmes a-siedle a Holmes-Siedle 1970 V th Vth0[1 exp( )] ( ) ox g( f Q Q D ox, ) τμ - iloczy czasu życia i ruchliwości elektroów w tleku 39

40 MOSFET dozymetr Thomsoa US Patet

41 O-chip dozymetr PMOSFET Buehler 1993 Czułość dawki: -,6 mv/krad(si) tz. 400 rad(si)/bit Przed aświetleiem V out =-1,5V Czułość temperaturowa: 63μV/ o C 41

42 4

43 Adrew Holmes-Siedle, REM 43

44 REM OXFORD Ltd. UK 44

45 REM OXFORD Ltd. UK 45

46 MOSki dozymetria powierzchiowa Porówaie kostrukcji typowego MOSimetru i MOSki a MOSimetr MOSki 46

47 I D [ma] I D [ma] 3N163 komercyjy PMOSFET Silicoix Charakterystyka przejściowa Charakterystyka wyjściowa V GS [V] V DS [V] 47

48 3N163 komercyjy PMOSFET Silicoix 48

49 Mosimetr kaskadowy O Coell, 1996 I D0 V SS I D0 V SS I D ( V ( 1 ) GS V th ) V out 9V S D G 1,75V V out S Napięcie progowe V th zależy od polaryzacji podłoża B : B S D G 4,37V,35 V G D GND V th Vth0 V Dlatego apięcie wyjściowe adliiowo zależy od liczby połączoych trazystorów. Liczba trazystorów, które moża w te sposób połączyć jest ograiczoa apięciem lawiowego przebicia diody przy dreie. SB B B S G D S G D GND 7,95V 15V 49

50 Czułość [mv/cgy] Parametry pojedyczego trazystora: N D = cm -3, t ox = 400 m, V th = +1,5 V co wyika z implatacji 1, cm -3. Mosimetr kaskadowy O Coell, 1996 Czułość dozymetru kaskadowego: 80 mv/cgy dla 15 RADFET ów Wrażliwośc a temperaturę: 70 mv/ 0 C dla 15 RADFET ów przy prądzie 10µA 1 Koieczość polaryzacji w pukcie o miimlaej wrażliwości temperaturowej MTC 1 10 Liczba trazystorów 100 Czułość osiągala przy 40 trazystorach jest około 0 razy większa iż dla jedego RADFET-a. 50

51 Mosimetr osobisty US Patet, V.Polishchuk, 011 Parametry RADFET ów Q1 i Q: W1=100µm, L1=50µm, t ox =1µm Parametry MOS ów Q3 i Q4: W=0µm, L=400µm, t ox =0,1µm Naświetlaie Odczyt 51

52 Mosimetr osobisty US Patet, V.Polishchuk, 011 Parametry RADFET ów: W=4000µm, L=40µm, tox=1µm R1 = 1MΩ Czułość: 40 mv/cgy przy U bias =3,3V Odczyt Wrażliwość a temperaturę: 0,5mV/ o C Naświetlaie 5

53 ΔUout [mv] Mosimetr osobisty US Patet, V.Polishchuk, mv/cgy przy Ubias=3,3V 0,5V/ o C ,5 1,0 1,5,0,5 Dose [cgy] 53