抗輻射數(shù)字像素CMOS圖像傳感器研究.pdf

1、CMOS圖像傳感器是目前實(shí)現(xiàn)固態(tài)成像的主流技術(shù)。憑借優(yōu)異的性能，CMOS圖像傳感器的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到了空間成像領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用于地球勘測(cè)、遙感成像、星敏感器等空間任務(wù)。然而，空間環(huán)境中由高能粒子和電磁波構(gòu)成的輻射，會(huì)導(dǎo)致CMOS圖像傳感器出現(xiàn)功能錯(cuò)誤和性能退化，甚至造成芯片的永久性損毀。因此，在設(shè)計(jì)面向空間應(yīng)用的CMOS圖像傳感器時(shí)，必須對(duì)其輻射效應(yīng)和抗輻射加固進(jìn)行深入的研究。
　　本文研究CMOS圖像傳感器在空間環(huán)境中的單粒子效應(yīng)和

2、總劑量效應(yīng)，分析單粒子效應(yīng)引起的電路功能紊亂，以及單粒子效應(yīng)向光電二極管注入電子導(dǎo)致的像素輸出錯(cuò)誤；分析總劑量效應(yīng)引起的晶體管閾值電壓漂移和寄生漏電等損傷，以及總劑量效應(yīng)在淺溝槽隔離氧化層與硅襯底接觸面處引入的界面態(tài)誘發(fā)的暗電流增加。在上述輻射效應(yīng)研究的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一款抗輻射CMOS圖像傳感器。該圖像傳感器使用數(shù)字像素作為感光器件，光電二極管使用版圖技術(shù)進(jìn)行加固，以抑制總劑量效應(yīng)引起的暗電流增加。讀出和控制邏輯均使用數(shù)字電路設(shè)計(jì)，

3、并基于本文開發(fā)的抗輻射標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)實(shí)現(xiàn)，擁有針對(duì)單粒子效應(yīng)和總劑量效應(yīng)的加固能力。
　　本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)包括：
　　1.提出了一種基于獨(dú)熱碼復(fù)制的容忍有限狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)寄存器發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)和多位翻轉(zhuǎn)的加固方法。對(duì)于一個(gè)擁有16個(gè)狀態(tài)的有限狀態(tài)機(jī)，在單個(gè)寄存器平均每100個(gè)時(shí)鐘周期發(fā)生一次翻轉(zhuǎn)的情況下，與使用獨(dú)熱碼進(jìn)行狀態(tài)編碼并使用三模冗余的加固方案相比，該方法提供19.1倍的平均無(wú)故障時(shí)間。在分別采用兩種狀態(tài)重組的策略后，該方法

4、提供的平均無(wú)故障時(shí)間進(jìn)一步提升至40.3倍和63.2倍。
　　2.提出了一種基于三聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)的鎖存器，該鎖存器使用保護(hù)門在內(nèi)部形成抗輻射的微結(jié)構(gòu)，能夠在維持階段對(duì)發(fā)生于內(nèi)部任一節(jié)點(diǎn)的單粒子瞬態(tài)進(jìn)行自恢復(fù)。該鎖存器結(jié)構(gòu)能夠避免內(nèi)部節(jié)點(diǎn)因單粒子效應(yīng)而出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的浮空狀態(tài)，在抗串?dāng)_耦合方面具備優(yōu)勢(shì)。
　　3.提出了在相鄰像素間插入保護(hù)漏結(jié)構(gòu)以抑制單粒子效應(yīng)產(chǎn)生的電荷在像素陣列中擴(kuò)散的方法。增加保護(hù)漏的數(shù)目和結(jié)深，以及加大保護(hù)漏的反偏