基于栅控技术进行散裂中子源1MeV等效中子注量测量的方法与流程

本发明属于辐射探测领域，涉及一种基于栅控横向pnp晶体管电荷分离技术进行散裂中子源1mev等效中子注量测量的方法。
背景技术：
：散裂中子源、中子发生器等装置能够提供低通量中子辐射环境用于科学研究，其中散裂中子源是研究中子特性、探测物质微观结构和运动的大科学装置，散裂中子源利用高能轻带电粒子轰击重核，发生散裂反应而生成大量的快中子，这些中子再通过慢化剂和反射层后变成能量分布很宽的中子。散裂中子源不使用核燃料，清洁且易于控制；其中子束流纯净，伴生γ射线剂量极低。因此散裂中子源提供的中子辐射环境十分适用于中子探测器标定、中子单粒子效应研究、中子位移损伤效应研究以及其他领域的基础研究。但是，散裂中子源和某些中子发生器装置提供的中子辐射环境与反应堆相比，其中子注量率较低，传统的金属箔活化等方法更适用于高注量中子环境测量，因此直接测量其低通量1mev等效中子注量的手段十分有限。技术实现要素：为了解决现有散裂中子源测量低通量1mev等效中子注量手段有限的技术问题，本发明提供一种基于栅控横向pnp晶体管电荷分离技术进行csns散裂中子源1mev等效中子注量测量的方法。中子辐射会使半导体材料中晶格原子产生位移效应，形成缺陷和缺陷群，相当于增加了复合中心，尤其双极型晶体管少数载流子寿命对中子辐射损伤极其敏感，从而引起双极型晶体管基区的少数载流子寿命降低，晶体管电流增益下降。原始少数载流子寿命为τ0，中子辐射之后少子寿命为τφ，则有：1/τφ-1/τ0＝kφn式中k是少子寿命损伤常数，它与辐射前的半导体电阻率以及入射中子能量有关；φn为中子注量。基于上式，只要测到中子辐照前后的少子寿命以及相应的中子注量，即可获得少子寿命损伤常数，并根据上式的线性关系利用晶体管对其他中子环境的注量进行测量。因此，本发明通过对栅控横向pnp晶体管进行栅控扫描，实现对少数载流子寿命的直接测量，进而通过少数载流子寿命与1mev等效中子注量的函数关系计算得到累积的中子辐照注量。本发明的技术解决方案是提供一种散裂中子源1mev等效中子注量测量的方法，包括以下步骤：1】筛选栅控横向pnp晶体管样本；对m个栅控横向pnp晶体管进行栅控扫描测试，通过下式计算各栅控横向pnp晶体管初始状态下的少数载流子寿命τ0；选择τ0一致的栅控横向pnp晶体管作为样本；其中q为电子电荷，pe为发射极周长，he为发射极结深，ib为累积条件下的基极电流，veb为射-基极偏压，ni是本征载流子浓度，xb为基区宽度，nd为基区掺杂浓度，xd为射-基极耗尽层宽度，t为温度。栅控横向pnp晶体管为流片或购买获得；获得各栅控横向pnp晶体管的如下工艺参数：发射极周长pe、发射极结深he、基区宽度xb、基区掺杂浓度nd、射-基极耗尽层宽度xd。2】获取反应堆1mev等效中子注量下样本中栅控横向pnp晶体管的少子寿命损伤常数k；2.1】将步骤1】样本中的部分栅控横向pnp晶体管不加偏置进行反应堆中子辐照至不同注量；并测量不同中子注量点对应的反应堆1mev等效中子注量；2.2】在不同注量点对各栅控横向pnp晶体管进行栅控扫描测试，栅控扫描测试条件与步骤1.1】中栅控扫描测试条件一致；2.3】根据下式计算出各中子注量点下栅控横向pnp晶体管的平均少数载流子寿命τφ；其中q为电子电荷，pe为发射极周长，he为发射极结深，ib为累积条件下的基极电流，veb为射-基极偏压，ni是本征载流子浓度，xb为基区宽度，nd为基区掺杂浓度，xd为射-基极耗尽层宽度，t为温度。2.4】计算不同反应堆1mev等效中子注量下栅控横向pnp晶体管少数载流子寿命倒数的退化1/τφ-1/τ0，根据栅控横向pnp晶体管少数载流子寿命倒数和反应堆1mev等效中子注量的线性关系1/τφ-1/τ0＝kφn，获得栅控横向pnp晶体管的反应堆1mev等效中子注量下少子寿命损伤常数k；3】获得散裂中子源1mev等效中子注量；3.1】将步骤1】样本中未经反应堆中子辐照的栅控横向pnp晶体管置于散裂中子源中子辐射环境进行一定时间的辐照；3.2】辐照后，采用与步骤1.1】中栅控扫描测试条件一致的栅控扫描测试方法对栅控横向pnp晶体管进行栅控扫描测试；3.3】计算出当前中子注量下栅控横向pnp晶体管的少数载流子寿命τ‵；其中q为电子电荷，pe为发射极周长，he为发射极结深，ib为累积条件下的基极电流，veb为射-基极偏压，ni是本征载流子浓度，xb为基区宽度，nd为基区掺杂浓度，xd为射-基极耗尽层宽度，t为温度。3.4】利用其倒数的变化量1/τ′-1/τ0除以步骤2】获得的少子寿命损伤常数得到散裂中子源在这段时间内累积的1mev等效中子注量。进一步地，针对栅控横向pnp晶体管进行的栅控扫描测试中，对栅极电压进行扫描并同时测试基极电流随栅压的变化，栅扫描电压从正压到负压扫描，保证栅控横向pnp晶体管的pmos结构能够从积累-耗尽-反型过程过渡。进一步地，一般栅极扫描电压从+10v向-50v扫描；在栅扫描过程中保持栅控横向pnp晶体管处于正向偏置状态。进一步地，步骤2.1】利用金属箔活化法对辐照的栅控横向pnp晶体管进行伴随测量，获得各中子注量点对应的反应堆1mev等效中子注量。进一步地，为保证样本中各栅控横向pnp晶体管具有相同的性能指标参数步骤1】m个栅控横向pnp晶体管为同一批次。进一步地，为了进一步地确保样本中各栅控横向pnp晶体管具有相同的性能指标参数，步骤1】中还包括对m个栅控横向pnp晶体管进行增益扫描测试步骤，获取增益参数，选择增益参数与少数载流子寿命τ0均一致的栅控横向pnp晶体管作为样本。进一步地，步骤2】反应堆中子辐照试验中，辐照过程中栅控横向pnp晶体管管脚全部短接。进一步地，步骤2】和步骤3】中进行中子辐照试验时，栅控横向pnp晶体管集中紧密布放，避免束流不均匀性带来影响。本发明的有益效果在于：(1)本发明采用的方法是利用双极型晶体管少数载流子寿命倒数和1mev等效中子注量呈线性关系的特点，实现基于反应堆1mev等效中子在横向晶体管上的少子寿命损伤常数计算出散裂中子源1mev等效中子注量，该方法在很宽的中子注量范围内可以保持较高的测量准确性。(2)本发明选用栅控横向pnp晶体管进行散裂中子源1mev等效中子注量测量，由于横向晶体管少数载流子寿命对位移损伤效应极其敏感，十分适用于散裂中子源较低的中子注量环境中使用。(3)本发明选用的栅控电荷分离分析方法同时能够对中子束流中伴生γ射线产生的累积电离辐射总剂量效应进行测量，适用于中子辐射环境束流品质的分析。附图说明图1为典型栅控横向pnp晶体管的剖面结构示意图；图2为质子辐照栅控横向pnp晶体管前后的典型栅扫描测试曲线；图3为栅控横向pnp晶体管在不同中子注量下的栅扫描测试曲线；图4为少数载流子寿命倒数的退化与中子注量的线性关系；图5为本发明利用栅控横向pnp晶体管电荷分离技术进行散裂中子源1mev等效中子注量测量较佳的实施方法流程图。具体实施方式以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。栅控横向pnp晶体管实际上是在对辐射效应敏感的基区氧化层上方加一个控制栅，形成一个pmos结构，如图1所示。在辐照实验结束后通过测量不同栅压时的基极偏置电流以获取界面态陷阱的浓度。辐射损伤对双极型晶体管基极电流的影响主要来自于体硅内和器件表面的载流子复合，但是表面复合和栅压大小极其相关。对于pnp晶体管而言，由于正的氧化物陷阱电荷使界面处载流子积累，削弱了界面态陷阱作为复合中心的作用。当栅压可以低消氧化物陷阱电荷对表面势的影响时，过量基极偏置电流最大，此时扫描曲线出现一个峰值，此时的栅压值与氧化物电荷浓度有关，而过量基极偏置电流峰值的大小与界面态陷阱浓度成正比，从而达到电荷分离的效果；但是无论栅压扫描如何变化，基极电流最主要的变化来自于亚表面基区位移损伤缺陷引入的体复合电流，通过测量这些栅压偏置下过剩基极电流的变化就能够计算出载流子寿命的变化。简言之，以质子辐照横向pnp晶体管的栅控扫描曲线为例(图2)，扫描曲线峰值电压位置的变化表征了氧化物陷阱电荷的影响；相对峰值高度表征了表面复合速度；这两个参数主要是由电离辐射总剂量效应引起；而扫描曲线右侧平台的变化则表征了少子寿命的变化。图3为反应堆不同注量中子辐照对某栅控横向pnp晶体管栅扫描曲线的影响，可见最显著的效应趋势是整个扫描曲线的抬升，也就是少子寿命的显著退化，位移损伤效应是主要因素。因此这里针对少子寿命进行计算：其中q为电子电荷，pe为发射极周长，he为发射极结深，ib为累积条件下的基极电流，veb为射-基极偏压，ni是本征载流子浓度，xb为基区宽度，nd为基区掺杂，xd为射-基极耗尽层宽度，t为温度。根据某栅控横向pnp晶体管的工艺参数可知：pe发射极周长：332μm；he发射极结深：1.5μm；ni本征载流子浓度：1.5e10；xb基区宽度：12μm；nd基区掺杂：3e14；xd射-基极耗尽层宽度：w＝xn+xp＝3.6168+90.419＝94μm；其中：其中εs为半导体介电常数，vbi为结内建电场，v为二极管内部实际电压，na为p区掺杂浓度，nd为n区掺杂浓度。veb射-基极偏压：0.4v，t：300k，k波尔兹曼常数：1.38e-23计算得到：根据反应堆辐照测试结果计算得到下表：注量ibτ08.08e‐93.59e‐81e111.62e‐81.80e‐81e127.85e‐83.69e‐91e135.00e‐75.80e‐101e142.13e‐61.36e‐10如图4所示，δ(1/τ)与中子注量呈现出显著的线性关系，基于该线性关系可以对散裂中子源低通量中子辐射造成的损伤进行测量并计算累积的1mev等效中子注量。由于少子寿命参数对中子辐射造成的位移损伤极度敏感，本
发明内容更适用于低通量中子环境的测量。如图5所示，本发明基于栅控横向pnp晶体管电荷分离技术进行csns散裂中子源1mev等效中子注量测量的较佳实施例步骤流程如下：(1)通过流片或购买栅控横向pnp晶体管，并获得晶体管工艺参数，参数应包括发射极周长、发射极结深、基区宽度、基区掺杂浓度、射基极耗尽层宽度。针对栅控横向pnp晶体管进行栅控扫描测试，对栅极电压进行扫描并同时测试基极电流随栅压的变化，栅扫描电压应从正压到负压扫描，保证pmos结构能够从积累-耗尽-反型过程过度，一般扫描电压从+10v向-50v扫描。在栅扫描过程中应保持器件处于正向偏置状态。对栅控横向pnp晶体管还可以同时进行增益扫描测试，通过栅扫描测试和增益参数测试，根据下式计算初始状态下各栅控横向pnp晶体管少数载流子寿命：其中q为电子电荷，pe为发射极周长，he为发射极结深，ib为累积条件下的基极电流，veb为射-基极偏压，ni是本征载流子浓度，xb为基区宽度，nd为基区掺杂浓度，xd为射-基极耗尽层宽度。对同批次栅控横向pnp晶体管进行筛选，选取初始状态下各栅控横向pnp晶体管少数载流子寿命及增益参数一致性良好的器件作为样本，即辐照对象。(2)在步骤(1)筛选出的栅控横向pnp晶体管器件样本中选择6只器件进行反应堆中子辐照实验，辐照过程中器件不加偏置。并利用金属箔活化法对不同注量点时的1mev等效中子注量进行测量。在不同注量点对各栅控横向pnp晶体管进行栅控扫描测试，栅控扫描测试条件与步骤(1)中栅控扫描测试条件完全一致；并计算得到不同中子注量点下栅控横向pnp晶体管的少数载流子寿命均值。(3)计算不同反应堆1mev等效中子注量下栅控横向pnp晶体管少数载流子寿命倒数的退化，获得晶体管少数载流子寿命倒数和反应堆1mev等效中子注量的线性关系，该线性关系对应的斜率即为该栅控横向pnp晶体管的1mev等效中子少子寿命损伤常数k。(4)将筛选过未经辐照的栅控横向pnp晶体管置于散裂中子源中子束流环境中进行一定时间的辐照。辐照后采用同样的栅扫描测试条件对晶体管的少数载流子寿命进行测试。将晶体管少子寿命倒数的退化值除以栅控横向pnp晶体管的1mev等效中子少子寿命损伤常数k即可得到在这段时间内散裂中子源提供的1mev等效中子注量。当前第1页12