辐射传感器设计和应用:LS 3N163

无线实时辐射传感器网络为普通公众和在高辐射区域工作的人提供更好的辐射危害保护。结合辐射水平的实时本地化和全球热图,这些辐射网络将有助于政府和环境机构了解辐射景观,并在辐射变化危及生命之前迅速应对辐射变化。
低成本,低功率和无功率辐射传感器,也称为RADFET(辐射场效应晶体管)或剂量计,是实现这些网络所必需的。RADFET是独一无二的,因为它不需要电源来检测辐射。它的独特之处在于它记录实际辐射暴露量,并且作为非易失性模拟存储装置,将辐射暴露水平存储为阈值电压的变化。
RADFET是相对简单的电路,仅由PMOS晶体管组成。的LS 3N163 PMOS(P沟道)MOSFET晶体管可被用于设计RADFETs,以满足不同的设计要求等成本,灵敏度,线性度和功率。针对这些不同设计要求优化RADFET的能力使网络设计人员能够构建无线辐射传感器网络,该网络也可以在大范围内针对成本和性能进行优化。
辐射探测器原理
PMOS MOSFET辐射探测器的工作原理是当辐射或电离粒子撞击MOSFET时形成电子 - 空穴对。这又导致转换到MOSFET器件的阈值电压和漏极电流参数。因为辐射暴露时阈值电压的变化在PMOS器件中是高度线性的,所以PMOS器件如LS
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通常用作辐射探测器。在典型的应用中,LS
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以无偏模式(无功率模式)工作并暴露于辐射。然后测量阈值电压的变化并确定相应的辐射暴露水平。在需要更高灵敏度的另一个应用中,LS
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 在偏置模式(功率模式)下操作。

图1简单的RADFET栅极,基板,漏极和源极连接

辐射传感器参数
辐射传感器设计的核心是灵敏度和灵敏度损失。灵敏度定义为每累积辐射剂量的阈值电压偏移的变化(以SI-灰度单位测量,1Gy = 1J / kg = 100rad)。

图2 P沟道晶体管中的阈值电压偏移与辐射剂量的关系
另一方面,灵敏度损失是由于先前暴露于辐射事件而导致的灵敏度损失。灵敏度损失水平可以是每kGy辐射能量暴露的1%(10)。这要求重新校准检测器以便精确测量辐射剂量。或者,由于LS的低成本
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,当灵敏度低于要求的水平时,可以废弃设备。
提高灵敏度
已经研究了不同的设计技术来增加LS的辐射灵敏度水平 
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和其他MOSFET器件。已经表明,MOSFET的偏置会影响灵敏度。偏置模式下的辐射灵敏度高于无偏模式(非功率模式)。
对6MV光子束数据敏感性数据显示LS 
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在无偏模式下灵敏度为33 mV / Gy,在偏置模式下灵敏度为62 mV / Gy(9)。在该研究中,分析了一个和两个堆叠的晶体管,偏置和非堆叠配置。堆叠PMOS晶体管增加了栅氧化层的有效氧化物厚度,增加了其灵敏度。
新兴应用
用于将振动转换成电能的能量采集器已被用于向辐射传感器(2)提供电力。在这些应用中,能量采集器用于为读取电路供电,该读取电路测量辐射传感器中的阈值电压偏移。由于无线技术无处不在,振动能量在工厂和所有类型的车辆中普遍存在,并且RADFET的成本很低,实时无线辐射传感器的实施已成为现实。预计这些无线网络将是分层的。经济高效的高性能网络可以包括基于偏置和无偏设计的不同灵敏度的辐射探测器。

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