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)用范圍擴展到了空間成像領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用于地球勘測、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，會導(dǎo)致CMOS圖像傳感器出現(xiàn)功能錯誤和性能退化，甚至造成芯片的永久性損毀。因此，在設(shè)計面向空間應(yīng)用的CMOS圖像傳感器時，必須對其輻射效應(yīng)和抗輻射加固進行深入的研究。
　　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，

3、并基于本文開發(fā)的抗輻射標準單元庫實現(xiàn)，擁有針對單粒子效應(yīng)和總劑量效應(yīng)的加固能力。
　　本文的主要創(chuàng)新點包括：
　　1.提出了一種基于獨熱碼復(fù)制的容忍有限狀態(tài)機的狀態(tài)寄存器發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)和多位翻轉(zhuǎn)的加固方法。對于一個擁有16個狀態(tài)的有限狀態(tài)機，在單個寄存器平均每100個時鐘周期發(fā)生一次翻轉(zhuǎn)的情況下，與使用獨熱碼進行狀態(tài)編碼并使用三模冗余的加固方案相比，該方法提供19.1倍的平均無故障時間。在分別采用兩種狀態(tài)重組的策略后，該方法

4、提供的平均無故障時間進一步提升至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，該鎖存器使用保護門在內(nèi)部形成抗輻射的微結(jié)構(gòu)，能夠在維持階段對發(fā)生于內(nèi)部任一節(jié)點的單粒子瞬態(tài)進行自恢復(fù)。該鎖存器結(jié)構(gòu)能夠避免內(nèi)部節(jié)點因單粒子效應(yīng)而出現(xiàn)長時間的浮空狀態(tài)，在抗串擾耦合方面具備優(yōu)勢。
　　3.提出了在相鄰像素間插入保護漏結(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散的方法。增加保護漏的數(shù)目和結(jié)深，以及加大保護漏的反偏