英语原文共 7 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
寄生二极管对DMOS晶体管的热补偿技术
摘要—— 一种使用MOS传感器内部结构的的热补偿技术被提出并进行实验测试。由漏极和体-源结构成的寄生PIN二极管用于监测硅管裸片的温度。该二极管由电流吸收器激活，并且使用恒流源来测量源极 - 漏极电压（包含相关信息的信号）。在所研究的温度范围内，正向二极管电压和漏源电压之间的线性相关性允许热补偿。本论文中，将此技术应用于商用p沟道垂直双扩散金属氧化物半导体晶体管（DMOS），其用作放射治疗中使用的具有电子束的剂量计。修改我们的剂量测定系统，以实现热补偿程序，实现在-10℃到50℃变化范围内，线性温度系数平均从（-2.84plusmn;0.05）mV /◦C到（70plusmn;30）V/◦C，降低高达42倍。最后，热补偿方法也成功验证了剂量测量。该技术可以应用于DMOS器件以及具有源极短路和体端子的MOSFET。
关键词：热补偿，寄生二极管，DMOS剂量计。
Ⅰ.简介
近几十年来，场效应晶体管（FET）已广泛用作诸如分析化学[1,2]，环境监测和辐射测量等不同领域的传感器[3,4-8]。由于它们的小尺寸，立即读出，线性和重复性，P沟道金属氧化物半导体FET（在这种情况下是MOSFET或pMOS）晶体管已经被用作为剂量计[4,6,8]。大多数用作剂量计的MOSFET是具有称为RADFET的特殊厚栅极氧化物的临时p沟道晶体管[3,5,7,9-15]。此外，一些类型的商业横向MOS已经成功地用于剂量测量[16-19]。
干扰精确测量的一个最重要的源是晶体管的电气参数的温度依赖性，特别是阈值电压的热漂移（Vt ）。事实上，这种温度依赖性足够高，线性足以用作MOSFET中的温度传感器[20]。然而，当它是不确定性的原因时，必须应用温度校正或补偿。根据基于MOS晶体管的传感器的感兴趣的参数，可以应用不同的技术来补偿温度效应。一种通用技术是测量温度并应用随后的数字校正[19,21]。然而，在某些情况下，可以进行修正。例如，如果要测量的参数是漏源电压，则很容易将晶体管偏置在零温度系数电流（IZTC），这可以很容易在横向MOSFET [22,23]中找到。其他电流可以用于热补偿[24]，但是IZTCalways的值必须是已知的。热补偿的另一个策略是在同一硅片中包括一个二极管，并利用正向二极管电压和温度[25-28]。它们通常内置在晶片中以测量温度并检测集成电路中的过热。该技术也已经用于由REM有限公司和Tyndall研究所（爱尔兰）制造的RADFET中[29,30]。此外，由澳大利亚卧龙岗大学开发的剂量测定系统MOSkin [31]使用体二极管监测RAFET的温度，并进行剂量测定参数的热补偿。
在这项工作中，我们感兴趣的是确定垂直双扩散金属氧化物半导体晶体管（DMOS）作为传感器，特别是作为电离辐射传感器的应用。下文中，我们在下文中集中于用作传感器时该电子器件的温度依赖性的校正。根据我们以前的研究[19]，电流 - 电压曲线在这种MOSFET中不呈现IZTC在低范围漏极电流（低于1 mA）。当用作剂量传感器时，以前已经应用了数值校正[19]，但是如果外部温度传感器和晶体管传感器不相同，则可能存在固有误差源。在一些情况下，即使IZTC在这个电流范围内可用，也可以通过高剂量的辐射或几个加热和冷却循环[32-36]以及其他电参数[37-39]来改变。因此，非常可取的是知道硅化物的精确温度或与其成比例的幅度，以便收集准确的数据。
如下所述，DMOS的内部结构允许基于相同的原理准确地监测模具温度，作为上述内置二极管。在这种情况下，它不需要任何其他外部设备，只需要其固有的电子结构。详细信息请参见第3节，其中介绍了热补偿程序。该传感器用作电离辐射的剂量计，因此
第4节解释读出原理和电子读出系统。在第5节中，显示了补偿技术的验证和应用，最后，得出了主要结论。
Ⅱ. 材料和方法
选择一组十九个模型ZVP3306F晶体管（DiodesZetex，Texas，USA）用于本研究。使用VCL4006型气候室（Vouml;toshchIndustryetedhnik，Germany）测定热行为。该室能够将温度从-40℃变化到180℃，时间漂移从plusmn;0.3◦C到plusmn;1.0◦C，空间均匀性为plusmn;0.5◦C到plusmn;2.0◦C。为了准确测量晶体管温度，将Oregon Sci-entific NAW880EXL温度计（精度为0.1◦C）放置在器件附近的室中。电气-电流 - 电压曲线用半导体分析仪B1500（Agi-lent Technologies，Santa Clara，CA，USA）测量。该仪器能够扫描0.1fA至1A范围内的电流，并且能够在0.5V至200V范围内采样电压，这对于我们的要求是足够的。对于本工作中的所有实验数据，计算的误差表示实验误差的平方传播误差和单个实验测量的一个标准偏差和晶体管组的数据。
实验方法如下。首先，将一个子集的晶体管（命名为TH 1，参见表1）放入气室中，将温度从-10℃升至50℃，测量7个温度下的I-V曲线。之后，为了实现所提出的补偿技术的简化版本，修改了我们的剂量测定系统[40,41]的读取器单元，其将在下面描述。为了验证热补偿技术，将5个晶体管（组2）的子集放置在气候室中，并且使用所提出的补偿算法来降低剂量参数的温度漂移。最后，使用与先前使用的那些不同的第三组三个晶体管（DOSE 1）的改进的读取器单元进行剂量测定表征。在LINAC Artiste（Siemens，德国）中用15times;15cm 2的辐射场照射，电子束12MeV。 Tocontrol LINAC稳定性，将PTW23332电离室（Radia-tion Products Design，Inc。; Albertville，France）放置在每个照射会话的传感器模块下。用我们的剂量测定系统进行剂量测量，在照射期间使用20V的MFETFET栅极偏压。将总剂量36Gy施加到晶体管，在4Gy的四个阶段中，最后一次为20Gy。实验程序，晶体管数量和进行的实验总结在表1中。
图1.p沟道垂直DMOS晶体管的典型结构
Ⅲ.热补偿技术
3.1 DMOS内部结构
为了克服DMOS中缺少IZTC电流以最小化作为剂量计使用的热漂移，我们提出了一种利用该电子器件的内部结构的热补偿技术。 a DMOS（参见图1）的横截面示出了器件的“垂直性”：可以看出，源极位于漏极上方，导致当晶体管导通时主要是垂直的电流。利用这种垂直结构，晶体管的额定电压是外延层的掺杂和厚度的函数，而电流是沟道宽度的函数。这使得晶体管可以在紧凑的硅片内维持高阻断电压和高电流，因此主要应用为功率晶体管。
当DMOS导通时，其在漏极和源极之间显示相同的典型电阻特性端子作为横向MOS-FET。当关断时，该器件等效于PIN二极管（包括P 衬底，P外延层和N体）。该二极管在正常晶体管操作期间反向偏置;然而，可以仅通过反转漏极电流来激活。一旦它被激活，寄生二极管两端的正向电压V 1和线性温度系数之间的公知关系可以用于使器件热漂移最小化。事实上，片上温度可以使用众所周知的二极管正向电压的线性热依赖性计算[25-28]（下文详述）。必须强调的是，该技术可以应用于任何类型的具有源极和体端子电路的MOS晶体管。
回到其用作电离辐射传感器，测量和补偿的剂量参数是偏置在恒定的源电压电流使用图1所示的典型读出电路。 2a。这种读出配置在MOSFET剂量计中非常普遍，以测量阈值电压的偏移，其与吸收剂量成比例
表格1.在实验中使用的晶体管组的总结
套晶体管 晶体管数量 目的
TH-1 11 热表征，气候室和半导体分析仪
TH-2 5 用修改的读取器单元的热补偿
DOSE-1 3 使用LINAC和适配的读数器单元的剂量表征
图2.辐射DMOS的简化读出程序： 图4. 电流为600 A和-600 A下源极 - 漏极电压和二极管正向电压与温度的关系
- 正电流，（b）负电流。
图3.不同温度下TH1的晶体管1的漏极电流 - 源极
电压曲线。
如果电流ID为正，则二极管处于反向偏置，并且电流通过大约为零，其中电流通过pMOS反转通道。然而，对于负电流，二极管被激活，并且电流流过它而不是MOS晶体管（图2b）。因此，根据图1所示的读出电路，如图2所示，对于正电流，测量漏源电压负电流注入二极管的正向电压。
3.2热表征
因此，已经进行了完整的热表征以建立补偿技术。为此，在-10℃至50℃以10℃的 增量测量在-2至2mA的电流范围内的I-V 特性。电流被限制为低值，如在使用pMOS传感器的剂量测定中通常的。图3示出晶体管1的结果，其类似于集合TH 1中的其余
样本。
图5.（a）晶体管1的单个线性热系数与电流的关系，（b）TH1的平均线性热系数 (黑点；误差棒使线较粗)和相对误差（灰线）
图6.在温度范围从-10℃到50℃下获得的VS与Vgamma;之间的实验数据关系
表2 该组晶体管TH 1 VS和Vgamma;之间的个体和全局线性拟合系数
图7.修改以浅灰色突出显示的读数器单元，以及传感器模块
晶体管区域由正电流限定，并且二极管在负电流下激活（参见图3）。
热依赖性VS恒定漏极电流可从图1获得。例如，VS在600 uA 和-600 uA之间 可以作为温度的函数提取（在图3中标记）。这在图2中示出。如所预期的，找到线性依赖性，并且线性拟合的斜率被认为是MOSFET的源极电压的ON，VS和正向二极管电压V␥的线性热系数。我们选择这两个电流来说明实验方法，因为这些电流将在后面的剂量测量中使用。
一般来说，线性热系数可以作为电流的函数获得，如图1。图5a示出晶体管1平均线性热系数（ (AVG)）作为晶体管组TH 1的热系数的平均值获得。结果示于图5b，其中绘制了相对误差（greyline）。相对误差被获得作为实验的二次传播和在集合TH 1中的单个热系数的一个标准偏差。当用作剂量计时，读出源极电压偏移的偏置电流应当具有低的热系数和低的相对误差最小化统计误差的贡献。从图。如图5b所示，可以观察到在600uA下误差低;因此，选择该值。为了测量二极管正向电压，宽范围中的电流呈现类似的规格（低平均值和相对误差）。为了便于在读出电路中实际实现，选择的二极电流为-600A。平均线性热系数分别为（-3.00plusmn;0.05）mV /°C和（-2.06plusmn;0.01）mV /°C。让我们考虑两种电压的线性热模型：（1）
（2）
- 除以（3），得到：（3）
实际上，如果在不同温度下V表示为Vbeta;的函数，则发现线性相关，如图3所示。图6示出了晶体管1对于集合TH 1中的其余晶体管计算线性拟合系数，并且它们被总结在表2中，其中m是斜率，b是截距。因此，源电压对温度的依赖性VS(T)可以利用下式利用Vgamma;获得：VS(T)= m·V b （4）
此外，在600和-600uA处发现的系数alpha;VS和alpha;Vgamma;的比率为1.46plusmn;0.02，这与表2中所示的平均值相一致。
(5)
使用该关系，由温度引起的VS(T)的增量可以是 使用方程 （4）。 因此，由于其他源，例如如果DMOS处于电离辐射下，VS中的增量可以计算如下：
总结补偿程序，我们测量 VS和Vlambda;的二极管反向漏极电流， （4）和（5）可以消除（或至少减少）热漂移。
Ⅲ.读数单位描述
本节描述了在我们的研究组开发的剂量测定系统中如何实施该程序。所使用的读取器单元基于具有60nA分辨率的可编程电流源和用于测量源极漏极电压的调节电路电流（参见图7）。在具有和不具有放大（分别为VS，Amp和VS）的情况下测量电流电压，以便实现宽范围并且提高分辨率。该电压由具有0.1mV的电压分辨率的仪器放大器（A.I.）放大。该仪器可以配置为数据采集系统，将测量值发送到PC。控制和数据存储在一个文件中，由于JAVA应用程序开发ad hoc。传感器模块由ZVP3306F和两个根据测量状态连接pMOS端子的N沟道JFET组成（见图7）。因此，JFET G-D在读出过程期间连接pMOS的栅极和漏极（参见图2
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[483985]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
