금속-산화막 반도체 전계효과 트랜지스터의 우주방사선에 의한 총이온화선량 시험을 위한 테스트 베드 Test-bed of Total Ionizing Dose (TID) Test by Cosmic Rays for Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET)원문보기
최근에 인공위성용 전자소자는 우주방사선에 좀 더 강한 소자를 요구되어진다. 왜냐하면, 인공위성의 수명과 기능은 우주방사선으로부터 영향을 받기 때문이다. 또한, 과거에는 부품단위의 우주방사선 시험을 수행하지 않고 유닛 또는 서브시스템 단위의 우주방사선 시험을 수행하였다. 게다가, 발사된 인공위성이 작동오류 상태에 있을 때 그 이유를 분석하기에는 그다지 쉬운 일은 아니다. 따라서, 발사 전 부품 단위 우주방사선 시험을 수행하여 주요 소자에 대한 우주방사선에 의한 영향을 분석 할 필요가 있으며, 지상에서 데이터를 확보할 필요가 있다. 그러므로, 본 논문에서는 모든 전자소자의 기본이라 할 수 있는 금속-산화막 반도체 전계효과 트랜지스터의 총이온화선량에 대한 영향 시험을 수행하기 위한 테스트 베드를 제안한다.
최근에 인공위성용 전자소자는 우주방사선에 좀 더 강한 소자를 요구되어진다. 왜냐하면, 인공위성의 수명과 기능은 우주방사선으로부터 영향을 받기 때문이다. 또한, 과거에는 부품단위의 우주방사선 시험을 수행하지 않고 유닛 또는 서브시스템 단위의 우주방사선 시험을 수행하였다. 게다가, 발사된 인공위성이 작동오류 상태에 있을 때 그 이유를 분석하기에는 그다지 쉬운 일은 아니다. 따라서, 발사 전 부품 단위 우주방사선 시험을 수행하여 주요 소자에 대한 우주방사선에 의한 영향을 분석 할 필요가 있으며, 지상에서 데이터를 확보할 필요가 있다. 그러므로, 본 논문에서는 모든 전자소자의 기본이라 할 수 있는 금속-산화막 반도체 전계효과 트랜지스터의 총이온화선량에 대한 영향 시험을 수행하기 위한 테스트 베드를 제안한다.
Recently, all the electrical parts for satellite application are required more strong against cosmic rays, because spacecraft's life time and function are depending on the their conditions. Also, a TID effect test was undertaken with units and/or subsystems which are already assembled on the PCB in ...
Recently, all the electrical parts for satellite application are required more strong against cosmic rays, because spacecraft's life time and function are depending on the their conditions. Also, a TID effect test was undertaken with units and/or subsystems which are already assembled on the PCB in past time. However, it is very hard to know and analyze that some abnormal states are appeared after launch. Moreover, it is necessary to perform a test of TID effects based on the parts level for preparing preliminary data in cosmic rays. Therefore, this paper presents a test-bed to perform a TID effect test of Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) which is a fundamental element for electronics.
Recently, all the electrical parts for satellite application are required more strong against cosmic rays, because spacecraft's life time and function are depending on the their conditions. Also, a TID effect test was undertaken with units and/or subsystems which are already assembled on the PCB in past time. However, it is very hard to know and analyze that some abnormal states are appeared after launch. Moreover, it is necessary to perform a test of TID effects based on the parts level for preparing preliminary data in cosmic rays. Therefore, this paper presents a test-bed to perform a TID effect test of Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) which is a fundamental element for electronics.
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문제 정의
이 중에서 모든 반도체 및 전자소자의 기본이 되는 단 극성전계효과 트랜지스터 (FET : Field Effect Transistor)는 크게 접합형 전계효과 트랜지스터 (JFET : Junction Field Effect Transistor) 와 금속- 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터 (MOSFET : Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)로 구분이 된다. 기억장치 (Memory) 또는 중앙처리장치 (CPU : Central Processing Unit) 등 제작에 기본이 되는 금속-산화막 반도체 전계효과 트랜지스터에 대하여 우주방사선 중 미립자 방사선 (이하, 우주방사선)에 의한 소자에 미치는 영향에 대하여 시험을 수행하고자 한다. [2], 그림 1[1]은 우리별 1호 인공위성을 이용하여 측정한 저궤도 부근에서의 우주방사선 환경에 대한 측정결과의 일부를 도시한 그림이다.
따라서, 본 논문에서는 인공위성에 적용되는 주요 전자 소자인 금속-산화막 반도체 전계효과 트랜지스터의 우주방사선으로부터의 총이 온화 선량 (TID : Total Dose Ionization) 의 영향을 위한 시뮬레이션을 수행하였고 이에 대한 테스트베드를 제안하고자 한다.
시뮬레이션결과와 실제 측정결과를 비교할 때 유사한 측정결과를 얻을 수 있었다. 따라서, 양성자 조사기를 이용한 양성자 조사 시 금속-산화막 반도체 전계효과 트랜지스터에 나타나는 전기적 특성변화에 대한 실험을 수행하기 위한 테스트 베드를 본 논문에서 제안한다. 또한, 본 연구결과를 활용하여 반도체소자의 총이온화선량에 대한 영향에 대하여 연구할 예정이며, 국내에서 생산된 소자에 대해서도 총이온화 선량에 대한 데이타 베이스 (Data Base) 를 구축하는데 기반이 되고자 한다.
그러나, 인공위성의 경우 지구 대기권 벗어난 우주 환경에서 동작하게 되어있다. 따라서, 이와 같은 이유로 본 연구에서는 우주환경에서 동작하는 금속-산화막 반도체 전계효과 트랜지스터의 총이온화 선량 측정을 위한 시험환경을 구축하였고, 이에 대한 시뮬레이션과 실험을 수행하였다. 본 소자에 대한 시뮬레이션을 통하여 임계전압을 위한 바이어스 전압을 가변하면서 수행하였다.
구현되어있다. 즉, 바이어스 전압으로 +5V부터 인가하여 이에 따른 드레인 전류를 측정하고자 한다. MOSFET Power Supply의 출력이 인가된 후 게이트 전압이 -5V 인지 확인한다.
제안 방법
그림이다. 게이트에 인가되는 제어전압으로부터 보호를 위하여 저항 Resistor-gs를 직렬로 연결하였다.
그리고, 4.1 절에서는 금속-산화막 반도체 전계효과 트랜지스터의 회로구성과 관련한 바이어스 전압 (Bias Voltage)과 인가전압의 회로 구성에 대한 설명을 추가하였다. 본 절에서는 금속- 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터의 실제 바이어스 전압, 인가전압, 그리고 인터페이스를 위한 전체 구성에 대하여 그림 6에 도시하였다.
인가되는 전압은 PC Saial Port를 직접 연결하여 프로그램에 의하여 제어하도록 설계하였다. 그리고, 금속-산화막 반도체 전계효과 트랜지스터의 드레인 전류와 게이트의 제어전압에 대한 측정은 내부의 버퍼 (Buffer)를 거쳐 데이타 획득 카드의 입력으로 전달되도록 설계하였다. 왜냐하면, 측정 단자의 출력전압과 데이타 획득 카드의 입력 임피던스와 전압 규모가 맞지 않기 때문이다.
그리고, 드레인-소스 사이에 흐르는 전류를 측정하기 위하여 저항 Resistor-i를 직렬로 연결하였으며 저항의 용량은 2오이하로 선정하였다. 즉, 흐르는 드레인을 통하여 흐르는 전류는 전압으로읽혀지며 전류-전방에 대한 상호연관성을 시험데이타로 얻어 Data Display 컴퓨터의 파라메타로 활용하면 된다.
위함이다. 그리고, 본 실험에서는 고정된 산화막에 따른 임계전압의 영향에 대한 연구를 수행하고자 하며, 이의 일환으로 그림 12에는 상용제품에 가장 많이 사용되는 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터의 산화막 두께를 0.7㎛로 고정시키고 게이트 전압을 가변 할 경우에 대한 드레인 전류의 관계를 보여주고 있다.
수행결과 본 테스트 베드를 통하여 임계전압이 정상적으로 측정될 수 있음을 확인할 수 있었다. 또한, 벤치에서 실제 소자를 다용도 기판 (Bread Board) 에 장착하여 실험을 수행하였다. 시뮬레이션결과와 실제 측정결과를 비교할 때 유사한 측정결과를 얻을 수 있었다.
그림 14는 벤치에서 실험할 때 구성한 회로를 보여준다. 바이어스를 위해 게이트 전압을 인가하였고 주 전류 측정을 위해 드레인 전압을 각각 인가하였다. 접지는 시험 유닛의 안정성을 위해 공통으로 사용하였다.
따라서, 이와 같은 이유로 본 연구에서는 우주환경에서 동작하는 금속-산화막 반도체 전계효과 트랜지스터의 총이온화 선량 측정을 위한 시험환경을 구축하였고, 이에 대한 시뮬레이션과 실험을 수행하였다. 본 소자에 대한 시뮬레이션을 통하여 임계전압을 위한 바이어스 전압을 가변하면서 수행하였다. 수행결과 본 테스트 베드를 통하여 임계전압이 정상적으로 측정될 수 있음을 확인할 수 있었다.
본 절에서는 MATLAB을 이용하여 식 (1) 및 (2)에 대하여 시뮬레이션을 수행하였다. ID 대 VG의 특성 그래프는 그림 9에서 보여준다.
우주방사선 시험을 수행하기에 앞서 시험의 정확성을 도모하고 사전 데이타를 확보하기 위하여 금속-산화막 반도체 전계효과 트랜지스터에 대한 우주방사선 시험을 위한 테스트 베드 (Test-bed)를 구성하고 이의 시뮬레이션을 수행하였다. 따라서, 본 논문에서는 인공위성에 적용되는 주요 전자 소자인 금속-산화막 반도체 전계효과 트랜지스터의 우주방사선으로부터의 총이 온화 선량 (TID : Total Dose Ionization) 의 영향을 위한 시뮬레이션을 수행하였고 이에 대한 테스트베드를 제안하고자 한다.
ID 대 VG의 특성 그래프는 그림 9에서 보여준다. 인가되는 게이트 바이어스 전압 (Gate Bias Voltage) 를 가변하였고, 드레인 전압 (Drain Voltage)은 +12V로 고정하여 시뮬레이션 하였다. 이는 실제로 인공위성에 적용된 전압 범위로서 유사한 환경을 구축하기 위함이다.
인가되는 전압은 PC Saial Port를 직접 연결하여 프로그램에 의하여 제어하도록 설계하였다. 그리고, 금속-산화막 반도체 전계효과 트랜지스터의 드레인 전류와 게이트의 제어전압에 대한 측정은 내부의 버퍼 (Buffer)를 거쳐 데이타 획득 카드의 입력으로 전달되도록 설계하였다.
제 2장에서 금속-산화막 반도체 전계효과 트랜지스터의 내부구조, 채널형성 및 산화막에서의효과에 대하여 살펴보았다. p-channel MOSFET 의 제조는 n-doped Substrate 위에 고전압에 의하여 양극의 불순물을 주입하여 극이 형성된다.
제 2장을 통하여 금속-산화막 반도체 전계효과 트랜지스터의 동작원리와 특성에 대하여 살펴보았다. 그리고, 4.
대상 데이터
기판으로서 n형 실리콘 (p-doped silicon)을사용하며 드레인 (Drain)과 소스 (Source)에 각각 p 형 실리콘 (p-doped silicon) 으로 PN 접합 (PN-Junction)이 형성되도록 불순물을 주입하였다. 그리고, 게이트 (Gate)와의 절연을 위해 산화막 (SiO2)으로 분리를 시켰다.
본 실험에 사용된 금속-산화막 반도체 전계효과 트랜지스터는 범용적인 전자스위치로 많이 사용되고 있는 미국의 International Rectifier (JR) 사에서 제조한 p-channel MOSFET인 IRF9Z34 소자를 선정하였다. 이 MOSFET IRF9Z34의 상세사양은 아래 표 1[4]과 같다.
성능/효과
게이트 인가전압에 따른 드레인 출력 전류는 그림 15에 보여준다. 게이트 인가전압과 드레인 전류는 그림과 같으며 시뮬레이션 결과와 유사하게 임계전압 범위에서 선형성 (Linearity)을 보임을 알 수 있다.
수 있다. 그림 12의 시뮬레이션 결과는 전형적인 금속-산화막 반도체 전계효과 트랜지스터의 특성을 보여주고 있음을 알 수 있고, 각각에 있어서 바이어스 전압 이전에는 선형적으로 드레인 전류가 증가함을 알 수 있다. 그러나, 드레인 전압이 점차 증가하여 임계전압에서는 채널이 포화영역에 도달하여 일정한 전류가 흐름을 알 수 있다.
본 소자에 대한 시뮬레이션을 통하여 임계전압을 위한 바이어스 전압을 가변하면서 수행하였다. 수행결과 본 테스트 베드를 통하여 임계전압이 정상적으로 측정될 수 있음을 확인할 수 있었다. 또한, 벤치에서 실제 소자를 다용도 기판 (Bread Board) 에 장착하여 실험을 수행하였다.
후속연구
따라서, 양성자 조사기를 이용한 양성자 조사 시 금속-산화막 반도체 전계효과 트랜지스터에 나타나는 전기적 특성변화에 대한 실험을 수행하기 위한 테스트 베드를 본 논문에서 제안한다. 또한, 본 연구결과를 활용하여 반도체소자의 총이온화선량에 대한 영향에 대하여 연구할 예정이며, 국내에서 생산된 소자에 대해서도 총이온화 선량에 대한 데이타 베이스 (Data Base) 를 구축하는데 기반이 되고자 한다.
참고문헌 (7)
http://satrec.kaist.ac.kr/data_new/data_ 3.htm
채종원 ' 우주방사선 해석 기술 동향 -TID 해석을 중심으로' 항공우주산업기술동향, 제 2권 2호 2004, pp. 84-94
윤의식 '한국과학기술원 물리전자 EE561 강의 자료 8장' 2003, pp. 8-1-8-29
International Rectifier Data Sheet, 'IRF9Z34'
J.V. Osborn, RC. Lacoe, D.C. Mayer, and G. Yabiku, ' Total Dose Hardness of Three Commercial CMOS Microelectronics Foundries' , IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE, VOL. 45, NO.3, 1998, pp. 1458-1463
Stefano Bertazzoni, Domenico Di Giovenale, Marcello Salmeri, Lorenzo Mongiardo, Marco Florean, Adelio Salsano, Jeffert Wyss, and Riccardo Rando, ' TID Test for SDRAM Based IEEM Calibration System' , Nuclear Science Symposium Conference Record 2004 IEEE, Vol. 2, 2004, pp. 752-755
T. R. Oldham, and F. B. McLean, ' Total Inoizing Dose Effects in MOS Oxides and Devices' , IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE, VOL. 50, NO.3, 2003, pp. 483-499
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