郭东文，杨 艳，郑 义，高志强，李 军，史 青，彭泳卿

（1 北京理工大学信息与电子学院 北京 100081 2 中国载人航天工程办公室 北京 100094 3 北京遥测技术研究所 北京 100076）

引言

因为空间辐射环境而造成损伤已成为飞行器在轨故障的主要原因。空间飞行器处于外辐射带中心的边缘，主要受到空间高能电子的影响。高能电子在飞行器表面及内BU 电子元器件及材料中沉积能量，影响材料和器件的性能[1-3]。飞行器抗辐射加固技术水平的全面提高已显得更为重要和迫切，其中基本任务之一是对空间辐射环境数据的收集和研究，通过获取高能电子沉积的电离总剂量，可以评估空间辐射环境以对飞行器技术研究提供数据支持。

本文介绍了基于辐射敏感场效应晶体管RADFET的总剂量探测技术，以及在具体的实验中如何用实用的方法进行剂量测量和标定。

1 总剂量探测技术简介

1.1 原理介绍

总剂量测量的基本原理是：辐射敏感场效应晶体管RADFET 在栅氧化层中产生和俘获辐射诱导电荷从而改变了RADFET的阈值电压，这种变化与辐射剂量有关，输出阈值电压的变化能够通过电路进行实时测量[4,5]。本设计采用的RADFET，是一种离散的P 沟道MOSFET，氧化层厚度为100 nm，量程范围可达20 rad～2.5 Mrad。

当厚栅氧的PMOSFET 受到辐照后，在其栅极下的SiO2中产生电子-空穴对，一定数目的电子-空穴对会立即或很快发生复合并消失掉，另外一些没有发生复合的电子-空穴对在电场的作用下发生漂移，由于在SiO2中迁移率的差异，电子的漂移运动速度要比空穴快很多。外加的电压偏置条件也对漂移运动产生影响，在正的偏压条件下，电子会迅速漂移到栅极上并离开灵敏区域，与电子运动方向相反，空穴会缓慢地向Si 衬底方向运动，作为SiO2的一个固有特性，在SiO2中会有一些空穴陷阱，在Si-SiO2界面附近空穴陷阱的密度是最大的，这就导致一部分空穴到达界面处并生成新的界面态陷阱电荷改变界面态，其余的空穴则在漂移途中被氧化层中的陷阱俘获形成氧化物陷阱电荷。氧化物陷阱电荷与界面态陷阱电荷统称为电离陷阱电荷，电离陷阱电荷寿命很长，所以多次辐照使电离陷阱电荷累加，对辐照产生记忆作用。随着辐照总剂量的增加，SiO2中的电离陷阱电荷也在增加，导致PMOSFET的阈值电压发生漂移。阈值电压的漂移与辐照总剂量存在一定的函数关系，通过测量阈值电压漂移量可以计算出辐射累积总剂量。函数关系式为：

其中，k和n为系数，它们的取值由辐照偏置条件、剂量范围以及栅氧厚度等因素决定[6,7]，ΔVth中的th是阈值电压Threshold voltage的缩写。

1.2 设计方案

为了测量便捷，通常测量PMOS 传感器的阈电压或其它某一恒定源漏电流下的电压，通常采用恒流偏置模式。恒流偏置模式下，PMOS 传感器适合测量辐射剂量较高且受剂量率影响较小的场所，该模式能够更加方便地对测量进行控制，是卫星载荷设备的首选工作模式。当PMOS 传感器受到辐射时，传感器的阈值电压会变化，向负向漂移，这就使得源-漏阻抗加大，恒流通过源漏极。此时，通过分析接收到的栅极电压和源极电压的差值就能轻松得到阈值电压的大小，实现自动、连续电压测量。栅极和源极（与衬底短接）之间建立起的偏压即为阈电压，如图1 所示。

为监测不同屏蔽厚度下的电离总剂量，总剂量探测器由四路总剂量传感器探头、探头驱动电路以及模拟信号调理电路组成。总剂量传感器探头为半导体PMOS 管，四个探头埋深在不同厚度的屏蔽层下。

不同厚度的屏蔽层以台阶的方式排布，台阶及总剂量传感器探头的布置方式有以下三种，如图2所示，其中第三种台阶及探头布置方式，具有最大的有效张角，可以充分利用有限的设备体积，使测量结果尽量接近平板近似模型。

探头驱动电路为恒流源，作用是电流加在PMOS 管上，根据PMOS的数据手册要求，确定加在PMOS传感器上的恒定电流值。通过基准源和运放实现恒流源，基准源的输出Uo与参考点Uc电压差保持参考电压Uf。如图3 所示，加在PMOS 传感器上的恒定电流为Icon=Uf/R。

总剂量探头可以输出反映传感器总剂量的模拟电压信号，电压为直流慢变化电压信号，通过后级的模拟信号调理电路，对信号进行偏置、放大、滤波，输出要求范围内的直流电压信号到电子学箱进行采集存储。如图4 所示。

2 标定实验结果及分析

2.1 标定方案

标定试验采用60Co-γ射线放射源，辐照试验总剂量范围是0～2.5 Mrad。随着辐照增加，后期灵敏度逐渐变低，因此分两段进行标定。在0～100 krad 以内采用相对较低的剂量率进行标定，在100 krad～2.5 Mrad采用较高剂量率进行标定，获得RADFET的标定曲线（ΔVth～Dose的关系）。采用4 路RADFET 器件进行总剂量试验，获得标定曲线的标准偏差。

2.1.1 试验剂量率标定方法

总剂量探头标定试验采用的剂量率采用实测方法获得，具体措施是在RADFET 各试验件周围，布置空气电离探头。通过测量一段时间内剂量计的空气吸收辐射剂量（单位为Gy(Air)，1Gy(Air)=100 rad(Air)）。然而，在辐照试验中，通常以常用的Si 材料中作为吸收媒介，因此需要将空气吸收剂量通过能量吸收系数换算成Si 吸收剂量，然后可以得到所要标定的剂量率（单位为rad(Si)/s）。

剂量率标定原理如下：γ射线在空气中的吸收剂量与在Si 中的吸收剂量差一个系数，后者是前者的0.897 1，而在SiO2中和Si 中的剂量吸收系数几乎相等，即：

因此，经过一定辐照时间t（单位为s）之后，测量获得空气所吸收的剂量，通过上述等式计算获得Si 中的吸收剂量DSi（单位为rad(Si)）。由于剂量率的定义是单位时间的累积剂量，从而可以得到Si 材料中的剂量率（单位为rad(Si)/s）为：

经过换算可以获得RADFET 所受到的辐射剂量。

2.1.2 试验件偏置状态

总剂量标定试验件采用与正式产品相同的偏置条件，即恒流偏置模式。试验件采用的偏置条件如图5 所示。

总剂量标定试验电路板上可以插拔4 个RADFET 器件，每个器件的偏置状态一致。通过高精度万用表采集每个器件的源极电压随累积剂量变化的关系。器件布置图和采集电路框图分别如图6 和图7 所示。

在分别获得0～100 krad 和100 krad～2.5 Mrad 标定试验数据的基础上，对试验数据进行拟合，获得这两个范围的剂量标定曲线。

2.20 ～100 krad 剂量范围

RADFET 总剂量探头的电压输出随辐照剂量变化的结果如图8 所示。从图中可以看出，在0～100 krad范围内，采用Y=a×xb拟合公式可以很好地拟合总剂量探头的标定试验数据。

标定数据的拟合公式为：

其中，X表示辐射剂量，单位为krad；Y为输出电压，单位为V。

对四路RADFET 总剂量探头的响应进行分析，以获得不同RADFET 探头响应的差异性。图9 是四路总剂量探头随着总剂量变化的关系。从图中可以看出，四路总剂量探头的一致性很好，可以代表正式产品件的总剂量响应。

为了定量分析得到RADFET 探头在0～100 krad 范围内的差异性，将四路探头的电路输出进行平均，并获得四路输出电压的标准偏差。将其画在一张图中，如图10 所示。从图中可以看出，RADFET 在100 krad 范围的标准偏差很小，几乎可以忽略。

2.3100 krad～2.5 Mrad 范围

同理可以获得100 krad～2.5 Mrad 范围内的四路RADFET 探头的总剂量响应，具体结果如图11所示。

标定数据的拟合公式为：

其中，X表示辐射剂量，单位为krad；Y为输出电压，单位为V。

可以分析获得100 krad～2.5 Mrad 范围内，RADFET的辐射响应差异，见图12 和图13。从图中可以看出随着辐射剂量的不断增加，四路RADFET 间的差异性不断显现，但最大也不超过29%。不同RADFET间的差异性是由于PMOS 传感器的灵敏度跟栅氧化层的厚度有着密切的关系，厚度增大，灵敏度就增高。这四路RADFET 虽然型号相同，但在工艺上也存在微小的差异性。

2.4 退火影响

PMOS 剂量计，是利用P 沟道MOS 晶体管受电离辐射后感生的氧化物正电荷与施主界面态造成的阈电压漂移来测量辐射总剂量的。已有研究表明[8-10]：MOS 管在停止辐照后，辐射感生氧化物正电荷会发生所谓退火。温度和偏置是退火速率和程度的决定性因素，高温退火，初始退火速率就高，退火幅度也较大；低温条件下退火幅度则较小。同样的退火温度下，正偏压有加速初始退火速率的作用，负偏压则起到抑制作用。负偏压越高，抑制作用越明显。正偏压与负偏压相比能较明显地提高初始退火速率，但正偏压之间，相对较低的电压却表现出更有利于退火，特别是零偏（所有管脚短接）退火，其退火程度最大[11]。

本设计采用恒流偏置模式，与零偏相似[12]。辐照试验结束后，在室温环境下退火，退火时间为135 h，图14 给出了四路RADFET 总剂量电路的退火特性。退火试验的结果表明所有RADFET 总剂量探头的电压输出均为先保持稳定（前24 h 内），而后缓慢下降。加电退火时间135 h 后，RADFET 电压输出相对辐照试验结束时刻的电压输出最大变化为32%。

图11～图14 中，500 krad 辐射剂量附近有小部分数据缺失，是因在实验开始阶段设备连接线意外断开导致。连接线在被发现断开后及时得到恢复。少量数据的丢失不影响曲线大趋势，对分析数据的走向基本没有影响。

3 结束语

本论文围绕空间辐射探测的目标，进行了总剂量探测器系统的搭建与测试。由于RADFET 体积小、功耗低，读出简单，以及可实时监测的特点，因此基于RADFET的总剂量探测器又具备低能耗和可近似点测的功能。探测器的集成微型化、模块化和标准化，有利于它在飞行器上进行多个监测点的空间分布，实现对飞行器上关键电子部件、系统的吸收剂量监测，以及子系统故障、空间突发事件的监测和分析。

发展更高性能的总剂量探测技术将是未来我国空间应用的要求，为空间材料、宇航人员防护等科学研究提供便利的技术手段。