Análisis y caracterización de un pmosfet como sensor dosimétrico
- Autores: Maria Sofia Martinez Garcia
- Directores de la Tesis: Jesús Banqueri Ozáez (codir. tes.), Miguel A. Carvajal Rodriguez (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Granada ( España ) en 2014
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Antonio Miguel Lallena Rojo (presid.), Alberto Palma López (secret.), Ana María Tornero-López (voc.), Goran Ristic (voc.), Salvador García Pareja (voc.)
- Materias:
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- Tesis en acceso abierto en: DIGIBUG
- Resumen
El cáncer es una de las principales causas de muerte a nivel mundial. Su tratamiento está basado en tres estrategias fundamentales: cirugía, quimioterapia y radioterapia. La radioterapia consiste en usar haces de radiación de alta energía para destruir las células cancerígenas de un área concreta. Su efectividad reside en focalizar la mayor concentración de energía en la zona afectada, sin dañar los tejidos circundantes. Del cálculo de esa energía absorbida por el paciente proviene la dosimetría.
Existen varios tipos de radioterapia: externa e interna. Este trabajo se desarrolla fundamentalmente en el ámbito de la radioterapia externa donde se usan tanto haces de fotones como de electrones, dependiendo de la profundidad a la que se encuentre el tumor. La radioterapia externa se planifica normalmente con programas específicos para determinar la orientación de los campos en función del lugar exacto del tumor. Sin embargo, durante la aplicación del tratamiento es conveniente comprobar la dosis recibida por el paciente, lo cual es el principal objetivo de la dosimetría in vivo. Existen diferentes tipos de dosímetros usados para tal fin, cristales termoluminiscenes, diodos, cámaras de ionización, etc. Sin embargo en los últimos años se ha extendido el uso de transistores MOSFET como sensores dosimétricos, pues aportan una serie de ventajas sobre los sistemas dosimétricos tradicionales tales como lectura inmediata y no destructiva, bajo consumo de potencia, fácil calibración, almacenamiento permanente, y una razonable sensibilidad y reproducibilidad. Existen MOSFET que se fabrican específicamente para detectar radiación ionizante, son los denominados RADFETs (RADiation sensitive Field-Effect Transistors), los cuales tienen un óxido de puerta más ancho siendo así más sensibles a la radiación. El parámetro eléctrico más usado para la medida de dosis con MOSFET es la tensión umbral (Vt). Sin embargo uno de los mayores inconvenientes de este parámetro es su dependencia con la temperatura, especialmente en aplicaciones donde pueden darse cambios bruscos de temperatura como en el espacio o durante la aplicación de tratamientos de radioterapia.
Así, este trabajo se ha desarrollado en dos líneas fundamentales: el estudio de la respuesta de varios modelos MOSFET a la radiación ionizante y su influencia térmica cuando son usados como sensores dosimétricos.
En primer lugar se ha realizado una caracterización de sensores MOSFET comerciales tanto para haces de fotones como para haces de electrones, típicamente usados en los tratamientos de radioterapia. Dentro de los transistores comerciales, se han estudiado transistores con dos tipos de geometrías, transistores laterales y transistores verticales. Ya que normalmente este tipo de sensores no tienen mucha sensibilidad, también se han diseñado técnicas para mejorar la respuesta de los mismos, tanto polarizándolos durante el periodo de radiación como apilando varios transistores. Para reducir los efectos térmicos e incrementar la linealidad de los sensores, han sido aplicados algoritmos de polarización con múltiples corrientes previamente diseñados por el Departamento de Electrónica y Tecnología de Computadores (Universidad de Granada). El objetivo final ha sido encontrar la configuración y el modelo de MOSFET comercial óptimo, para cada tipo de radiación.
En la caracterización de radiación gamma, todos los tipos analizados han mostrado un comportamiento lineal con la dosis, con sensibilidades entre 4.1 y 62 mV/Gy. Además se realizó un estudio preliminar, del circuito integrado CD4007 de su respuesta ante fotones, con vistas a ser usado posteriormente en la caracterización con electrones debido a que consta de un encapsulado no metálico. Finalmente se concluyó que la mejor configuración propuesta para este tipo de radiación en cuanto a linealidad, reproducibilidad y deriva temporal (¿fading¿) a corto plazo es el transistor 3N163 doble polarizado a 10 V, que alcanza una sensibilidad de 62 ±3 mV/Gy, casi comparable a la conseguida por transistores específicos RADFET.
En cuanto a la caracterización realizada con haces de electrones, todos los tipos estudiados, mostraron una sensibilidad entre 3 y 13 mV/Gy. En esta ocasión su linealidad e incertidumbre es comparable a la obtenida con transistores RADFETs, sin embargo la sensibilidad era menor. Esto no supuso un gran problema, puesto que el objetivo principal en la caracterización de electrones, era encontrar una configuración óptima para ser usada en RIO (Radioterapia Intraoperatoria) donde normalmente las dosis aplicadas en una sola sesión sobre el paciente oscilan entre 10 y 35 Gy, por tanto prima la reproducibilidad y linealidad que obtener sensibilidades elevadas. Así pues, la configuración óptima para este fin fue la apilada y polarizada a 0.6 V del circuito integrado CD4007.
A continuación se llevó a cabo un estudio de la respuesta ante radiación ionizante de transistores específicos, RADFETs, fabricados por el centro irlandés de investigación ¿Tyndall National Institute¿ localizado en Cork (Irlanda), con el que se ha colaborado estrechamente en la realización de este trabajo. Se realizó un estudio comparativo de cinco tipos de sensores, con espesores de óxido de puerta de 100 nm, 400 nm y 1 µm tanto para haces de fotones como para haces de electrones. Dentro de los modelos de 400 nm se estudiaron tres tipos de RADFETs fabricados con diferentes procesos de oxidación para el óxido de puerta. Todos los transistores fueron medidos polarizados a la corriente constante IZTC, para minimizar la influencia de la temperatura. Los resultados experimentales han mostrado respuestas muy similares en cuanto a sensibilidad, reproducibilidad y fading a corto plazo en las condiciones de referencia en las que se caracterizaron los sensores. El fading a corto plazo ha mostrado que se podría considerar despreciable para los tamaños de óxido de 100 y 400 nm, sin embargo en 1µm el fading es importante y disminuye conforme aumenta la dosis acumulada. Se han observado dos efectos competitivos, por un lado la densidad de cargas atrapadas en el óxido que disminuye monótonamente a temperatura ambiente tras la irradiación, y la densidad de cargas de la interfase muestra un crecimiento inicial.
Finalmente se concluyó que estos modelos de RADFETs son también válidos para dosimetría con electrones, como por ejemplo RIO, y que la mayoría de las conclusiones de trabajos previos para fotones pueden ser extendidas para haces de electrones, dentro de los límites del estudio.
Además se ha propuesto uno nuevo parámetro dosimétrico: el desplazamiento de la pendiente subumbral con la dosis acumulada. Se ha demostrado que la pendiente subumbral es modificada por la dosis. Un tipo de transistor comercial, el 3N163, ha sido caracterizado en un rango de radiación gamma típica de tratamientos de radioterapia. Debido a que el parámetro dosimétrico ha mostrado una buena linealidad, sensibilidad y reproducibilidad podría ser utilizado como parámetro complementario al típicamente usado de incremento de la tensión umbral; aumentando la fiabilidad en la verificación de la dosis de los tratamientos de radioterapia.
A continuación se pasó al estudio de la influencia de la temperatura en el MOSFET cuando se usa como sensor dosimétrico. En primer lugar se ha presentado un modelo de la influencia de la temperatura en el transistor MOS. Dicho modelo ha sido experimentalmente validado y probado con transistores MOSFET tipo n (3N170) y tipo p (3N163) en sus específicos rangos de corriente. Así pues, se ha demostrado que la corriente de drenador puede ser calculada para obtener el coeficiente térmico adecuado en función del propósito para el que vaya a ser utilizado el transistor, por ejemplo como sensor dosimétrico, objetivo fundamental de este trabajo, o sensor de temperatura.
Basándonos en el modelo térmico expuesto se ha presentado un método para mejorar el coeficiente lineal de temperatura del voltaje de fuente en caso de que la corriente IZTC sufra un desplazamiento causado por la dosis acumulada o ciclos térmicos. Se han comparado los resultados de cinco tipos de transistores RADFETS medidos con el tradicional método de polarización a corriente constante IZTC o con el propuesto. Se ha conseguido una mejora entre el 33% y 80% con diferentes desfases de IZTC. Por tanto se concluye que los resultados conseguidos mejoran de la precisión en la medida de la dosis en caso de desfases de valores de la corriente IZTC.
Por último y como resultado del estudio térmico realizado, se ha llevado a cabo la aplicación de un sensor de temperatura. Han sido propuestos dos modelos de termómetro basados en MOSFET trabajando en la región de saturación: usando dos transistores tipo p y otra configuración usando dos transistores complementarios. Finalmente con esta última se ha obtenido una sensibilidad media de 5.27 mV/K dentro del rango industrial de temperatura.
