MOSFET 선량계

1) MOSFET 센서의 작동 원리

본 연구에 사용되는 MOSFET 센서는 p-채널 MOSFET으로 실리콘 반도체가 산화 절연층에 의하여 절연 되어 있는 샌드위치형 장치로 그림 3은 센서부분의 개략적인 단면 그림이다.

Fig. 3. Schematic diagram of the structure of p-channel MOSFET sensor.

작동 원리는 큰 음전압이 폴리실리콘 게이트에 걸린다면 전장은 정공을 실리 콘 회로기판으로부터 Si/SiO2 경계면으로 끌어당기고 이것은 소오스(source)와 드레인(drain) 사이에 흐르는 전류를 허용하는 도체 밴드로부터 정공을 끌어당긴 다. 전류의 흐름이 시작되기 위해서 필요한 게이트 전압은 일반적으로 문턱 전압 (VT, threshold voltage)으로 알려져 있다. 일반적인 MOSFET의 실제 문턱 전압 (VT)은 평탄 대역 전압(VFB)과 이상적인 문턱 전압(V^idealT)의 합으로, 다음과 같

다.

VT = VFB + V^idealT (2.2.1)

여기서

VFB = Φms -

Q

C

V^idealT = -

Q

C

이다. 위에서 Φms는 금속과 반도체의 일함수 차이, Qi는 산화 절연층의 전하량, Ci는 산화 절연층의 정전용량, Qs는 공핍층과 반전층의 전하량의 합, φF는 Fermi 전위이다.

방사선이 MOSFET의 게이트에 조사되면 검출부위(SiO2) 등에 전자-전공쌍이 생성되고 생성된 정공들은 전장에 의해 Si/SiO2 경계면을 향하여 이동하고, 최종 적으로 정공들 중의 일부는 경계면 주위에서 영구적으로 고정되며 이것은 식 (2.2.2)의 Qi를 변화 시키고, 따라서 문턱 전압은 식(2.2.4)와 같이 조사후의 문턱 전압(VT2)에서 조사전의 문턱전압(VT1)을 뺀 ΔVT 만큼의 문턱전압이 그림 4와 같이 변화 된다.

ΔVT = | VT2 - VT1 | (2.2.4)

Fig. 4. Effect of radiation on threshold voltage variation.

이러한 문턱전압의 변화는 조사된 선량에 비례하고 이것을 이용하여 조사된 방 사선량을 실시간으로 측정할 수 있다(Ramasehan 등 1997), (조성구 와 김찬형, 2004).

2) MOSFET 선량계

본 논문에서 사용하는 MOSFET 선량계는 캐나다의 Thomson and Nielson Electronics, Ltd의 제품으로 센서부분은 본 논문에서와 같은 고에너지 방사선에 서의 흡수선량의 측정에 사용되는 표준형(TN-502RD) 센서와 이에 비해 3배의 감도를 가지고 진단영역의 저 선량 및 산란선을 측정하기위한 고감도형 (TN-1002RD) 센서의 두 가지 제품이 공급 되고 있다.

그림 5는 실제 MOSFET 센서의 모습이다. 구조는 1 mm² 면적과 0.25 mm 두 께의 실리콘 칩이 에폭시 벌브(epoxy bulb)의 0.85 mm 층 밑에 위치한다. 두 가 지 선량계는 모두 20V의 문턱전압이동(ΔVT)이 되면 더 이상 사용할 수 없으며, 약 17∼18V까지를 유효 수명으로 볼 수 있다. 그림 6은 선량계 시스템 전체를 나타내고 있다. 시스템은 선량계, bias supply(TN-RD-22) 및 reader (TN-RD-10)로 구성되어 있고, 측정 한시간전에 선량계와 bias supply는 연결되 어 있어야 하고, 측정이 끝나면 일정 시간 내에 reader를 통해 확인 되어야 한다.

선량의 확인은 우선 각 선량계마다 조금씩 다른 교정값(CF, calibration factor)

이 정확하게 측정되어야 한다. 이를 위해 표준형의 경우는 200mV이상의 지시 값 을 갖는 치료기의 정확한 선량을 이온 전리함을 통해 확인하고 이에 대한 MOSFET 선량계의 지시 값을 3회 측정하여, 평균을 각 선량계마다 reader에 입 력해 놓는다. 이 값은 주기적으로 측정 되어야 한다. 이온전리함에 대한 MOSFET 선량계의 교정 값은 아래의 식(2.2.5)으로서 이온전리함을 통해 얻은 알고 있는 방사선량에 대한 MOSFET 선량계의 지시 값으로서 구할 수 있고, MOSFET 선량계에서의 흡수선량은 식(2.2.6)으로서 각 센서별로 구해진 교정값 (CF)에 대한 MOSFET 선량계의 지시 값으로서 구할 수 있다.

CF =

MOSFET reading (mV )

Known Radiation Value (Gy )

Gy =

MOSFET reading (mV )

CF

(a) top view (b) bottom view (c) side view Fig. 5. Photograph of MOSFET sensor.

Fig. 6. Photograph of MOSFET dosimetry system.