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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 이정희.
- 발행연도
- 2014
- 저작권
- 경북대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수4
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핵폭발 상황하에서나 우주 환경에서 발생하는 감마선, 전자기장 펄스 및 중성자 등과 같은 방사선 성분들은 각종 전자기기에 오작동을 유발시키거나 영구적인 손상을 입힐 수 있다. 이러한 피해를 방지하기 위해서 방사선 중 가장 빠른 시간 안에 검출되는 초기 펄스 감마선을 빠른 시간 안에 검출하는 고효율의 센서와 센서로부터의 출력신호를 이용하여 운용중인 후속 시스템의 전원을 일시적으로 차단하는 방식으로 방사선으로부터 전체 시스템을 보호하는 신호처리회로의 개발이 필요하다.
본 논문에서는 초기 펄스 감마선을 빠르고 효율적으로 감지하는 Si-PIN구조의 다이오드를 제작 및 연구하였고 그 후, 제작된 다이오드에서 발생하는 광전류를 입력신호로 받아 후속 시스템의 전원을 차단할 수 있게 출력 펄스 신호를 발생시켜 처리하는 CMOS 신호처리회로에 대하여 설계 및 제작연구를 하였다.
먼저 초기 펄스 감마선을 감지하기 위한 다이오드는 고농도의 As이 주입된 두꺼운 n+ 실리콘 기판 위에 고저항 특성을 가지는 42 μm의 얇은 n- 실리콘 에피층이 성장된 웨이퍼를 사용하였다. 소자 내 활성영역을 제외한 부분에 LOCOS 및 P+ 가드링 영역을 형성하여 방사선 입사시에 소자의 잡음 성분으로 동작하는 암전류를 최소화하였고, 직경 2 mm의 큰 크기로 제작하여 많은 양의 출력 광전류가 흐를 수 있도록 하였다. 또한, 얇은 두께의 실리콘 에피층을 이용한 PIN 다이오드 센서는 고에너지 방사선 상황하에서도 낮은 완전 공핍화 전압을 유지할 수 있기 때문에 고에너지 방사선 입사에 따른 소자의 동작 특성 변화를 최소화 할 수 있다는 장점이 있다. 제작된 다이오드 소자는 역바이어스 전압 30 V에서 24 nA의 낮은 역방향 누설전류와 12.5 pF의 낮은 커패시턴스의 값을 나타내었다. 또한 완전 공핍화 전압도 1.8 V로 낮게 유지되었다. 다이오드에 60 MeV의 에너지를 가지는 2 μm의 펄스 폭의 감마선을 조사했을 때, 201.8 ns의 빠른 상승시간과 7.43 V의 높은 피크전압을 보여 신호처리회로의 입력신호로 사용이 충분히 가능함을 확인하였다.
다음으로 이어지는 신호처리회로는 PIN 다이오드의 출력신호를 받아 후속시스템 전원을 차단시키기 위한 출력 펄스 신호인 시스템 전원 차단 신호를 최대한 빨리 발생시키고, 외부로부터 설정된 일정시간 후 시스템 전원 차단 신호를 리셋 하도록 설계 하였다. 이 출력 신호는 최대한 빠른 시간 안에 발생할 수 있도록 SR-latch를 이용하여 설계되었으며, 13-bit 타이머 및 비교기를 통하여 출력 펄스 신호의 폭을 결정할 수 있도록 하였다. 본 회로의 클럭 신호는 1 MHz로 설정하였다. 본교의 CMOS 공정을 이용하여 CMOS 단위 소자 및 신호처리회로 회로의 제작을 진행하였다. 입력신호를 입력하였을 때, 200 ns 이후 출력신호가 발생되었으며 3 μs이후 출력 신호의 최대값이 나타나는 것을 확인하였고 13-bit 타이머의 입력으로 “0000000001001”로 설정 됨에 따라 75 μs이후 출력 신호가 초기화되는 것이 확인되어 회로의 동작이 정상적으로 수행됨을 확인하였다. 또한 제작된 다이오드와 신호처리회로를 연결한 후, LED 빛을 다이오드에 조사하여 전체 회로에 동작 특성을 확인하여 본 결과 700 ns의 상승시간의 빠른 응답특성을 가지는 출력 펄스신호가 확인되었다.
향후에 제작된 회로의 입력단에 비교기가 추가된다면 입사된 방사선의 양과 에너지에 따라 출력 신호를 선택적으로 발생시킬 수 있을 것으로 기대된다.
본 논문에서는 초기 펄스 감마선을 빠르고 효율적으로 감지하는 Si-PIN구조의 다이오드를 제작 및 연구하였고 그 후, 제작된 다이오드에서 발생하는 광전류를 입력신호로 받아 후속 시스템의 전원을 차단할 수 있게 출력 펄스 신호를 발생시켜 처리하는 CMOS 신호처리회로에 대하여 설계 및 제작연구를 하였다.
먼저 초기 펄스 감마선을 감지하기 위한 다이오드는 고농도의 As이 주입된 두꺼운 n+ 실리콘 기판 위에 고저항 특성을 가지는 42 μm의 얇은 n- 실리콘 에피층이 성장된 웨이퍼를 사용하였다. 소자 내 활성영역을 제외한 부분에 LOCOS 및 P+ 가드링 영역을 형성하여 방사선 입사시에 소자의 잡음 성분으로 동작하는 암전류를 최소화하였고, 직경 2 mm의 큰 크기로 제작하여 많은 양의 출력 광전류가 흐를 수 있도록 하였다. 또한, 얇은 두께의 실리콘 에피층을 이용한 PIN 다이오드 센서는 고에너지 방사선 상황하에서도 낮은 완전 공핍화 전압을 유지할 수 있기 때문에 고에너지 방사선 입사에 따른 소자의 동작 특성 변화를 최소화 할 수 있다는 장점이 있다. 제작된 다이오드 소자는 역바이어스 전압 30 V에서 24 nA의 낮은 역방향 누설전류와 12.5 pF의 낮은 커패시턴스의 값을 나타내었다. 또한 완전 공핍화 전압도 1.8 V로 낮게 유지되었다. 다이오드에 60 MeV의 에너지를 가지는 2 μm의 펄스 폭의 감마선을 조사했을 때, 201.8 ns의 빠른 상승시간과 7.43 V의 높은 피크전압을 보여 신호처리회로의 입력신호로 사용이 충분히 가능함을 확인하였다.
다음으로 이어지는 신호처리회로는 PIN 다이오드의 출력신호를 받아 후속시스템 전원을 차단시키기 위한 출력 펄스 신호인 시스템 전원 차단 신호를 최대한 빨리 발생시키고, 외부로부터 설정된 일정시간 후 시스템 전원 차단 신호를 리셋 하도록 설계 하였다. 이 출력 신호는 최대한 빠른 시간 안에 발생할 수 있도록 SR-latch를 이용하여 설계되었으며, 13-bit 타이머 및 비교기를 통하여 출력 펄스 신호의 폭을 결정할 수 있도록 하였다. 본 회로의 클럭 신호는 1 MHz로 설정하였다. 본교의 CMOS 공정을 이용하여 CMOS 단위 소자 및 신호처리회로 회로의 제작을 진행하였다. 입력신호를 입력하였을 때, 200 ns 이후 출력신호가 발생되었으며 3 μs이후 출력 신호의 최대값이 나타나는 것을 확인하였고 13-bit 타이머의 입력으로 “0000000001001”로 설정 됨에 따라 75 μs이후 출력 신호가 초기화되는 것이 확인되어 회로의 동작이 정상적으로 수행됨을 확인하였다. 또한 제작된 다이오드와 신호처리회로를 연결한 후, LED 빛을 다이오드에 조사하여 전체 회로에 동작 특성을 확인하여 본 결과 700 ns의 상승시간의 빠른 응답특성을 가지는 출력 펄스신호가 확인되었다.
향후에 제작된 회로의 입력단에 비교기가 추가된다면 입사된 방사선의 양과 에너지에 따라 출력 신호를 선택적으로 발생시킬 수 있을 것으로 기대된다.
목차
1. INTRODUCTION 11.1 SENSOR FOR GAMMA RAY DETECTION 11.2 CMOS SIGNAL PROCESSING CIRCUIT 21.3 THESIS OVERVIEW 32. BACKGROUNDS 52.1 RADIATION SENSOR 52.1.1 Characteristics of Radiation Sensor 52.1.2 Operation of PIN Diode Sensor 82.2 ANALYSIS OF ELECTRICAL CHARACTERISTICS 152.2.1 Sheet Resistance and Resistivity 152.2.2 Contact Resistivity 182.3. PARAMETERS OF MOSFET 212.3.1. Effective Mobility 212.3.2. Field-Effect Mobility 242.3.3. Subthreshold Swing 262.4 RADIATION EFFECTS 282.4.1 Single Event Effects 282.4.2 Total Ionizing Dose 312.4.3 Prompt Dose Effects 322.4.4 Displacement Damage 333. DEVELOPMENT OF SI PIN DIODE FOR Γ-RAY DETECTION 343.1 PIN DIODE STRUCTURE AND FABRICATION 343.2 MEASUREMENT METHOD OF PIN DIODE 393.2.1 Measurement of Eelectrical Characteristics 393.2.2 Measurement of Radiation Response Characteristics 403.3 EXPERIMENTAL RESULTS FOR PIN DIODE 423.3.1 Current-Voltage Results 423.3.2 Capacitance-Voltage Results 443.3.3 Respond Results 464. IMPROVED NUCLEAR EVENT DETECTOR 474.1 CMOS INTEGRATED CIRCUIT DESIGN AND FABRICATION 474.1.1 Circuit Design 474.1.2 Circuit Simulation 504.1.3 Mask Design of NED Circuit 514.1.4 Fabrication of CMOS Circuit 534.2 MEASUREMENT METHOD OF CMOS IC 594.2.1 Measurement of the Signal Processing Circuit 594.3 EXPERIMENTAL RESULTS FOR CIRCUIT 604.3.1 Measurement of the Test Patterns 604.3.2 Measurement of Circuit without PIN Diode 684.3.3 Measurement of Circuit with PIN Diode 705. CONCLUSION 71REFERENCE 73(초 록) 79
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