CMOS圖像傳感器因其低成本、低功耗和良好的抗干擾性能,被廣泛地應用于各種領域,特別在空間探測、遙感成像以及星敏感器等空間應用領域具有極其重要的研究價值。作為圖像傳感器中關鍵的一環(huán),讀出電路對太空環(huán)境中的輻射效應非常敏感。作為太空輻射效應之一,單粒子效應對讀出電路中的數(shù)字部分和模擬部分都有影響。單粒子效應在數(shù)字電路中主要表現(xiàn)形式是單粒子翻轉,在模擬電路中不僅會在浮空節(jié)點引入失恒的電荷還會使模擬信號發(fā)生瞬態(tài)擾動,從而影響讀出結果。本文主要研究CMOS圖像傳感器讀出電路中的單粒子效應。本文首先研究了單粒子效應對CMOS圖像傳感器讀出電路的影響,并利用TCAD-SPICE混合仿真校準了雙指數(shù)脈沖電流源模型參數(shù),然后基于雙指數(shù)脈沖電流源詳細地研究了單粒子效應對數(shù)字可編程增益放大器和逐次逼近型（Successive Approximation Register,SAR）模數(shù)轉換器（Analog-to-Digital Converter,ADC）中敏感節(jié)點的影響。對于可編程增益放大器,采用雙路徑加固的方法能有效降低單粒子在運放輸入端浮空節(jié)點的影響。針對SAR ADC,設計了一種帶有復位功能和置位功... 

【文章來源】：天津大學天津市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：80 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

空間輻射環(huán)境

第1章緒論3內(nèi)部漏電、閾值電壓漂移以及溝道載流子遷移率變小等現(xiàn)象[8]。TID效應通常會使CMOS圖像傳感器成像質(zhì)量變差[11]，如圖1-2(b)所示。(a)單粒子效應(b)總劑量效應圖1-2輻射效應對圖像傳感器的影響1.2抗輻照CMOS圖像傳感器及讀出電路國內(nèi)外研究現(xiàn)狀自20世紀60年代開始，各國研究人員就開始對CMOS集成電路的輻射效應和抗輻照加固技術展開研究[8]，發(fā)展至今日，抗輻照加固技術在集成電路的制造工藝、電路設計以及版圖設計等領域都有很大的發(fā)展�？馆椪展に囃ǔ＿x擇對重粒子不敏感的材料。2005年，香港科技大學的學者報道了一種基于藍寶石硅片（Silicon-on-Sapphire,SOS）的背照式CMOS圖像傳感器像素[12]。2007年，韓國慶北國立大學和日本豐橋技術大學的學者聯(lián)合報道了一種將鉗位光電二極管制作在體硅，同時將其他電路部分制作于絕緣體上硅（Silicon-on-Insulator,SOI）的高速CMOS圖像傳感器[13]。SOS工藝和SOI工藝采用全介質(zhì)隔離結構，可以徹底消除體硅CMOS電路中的閂鎖效應。在CMOS圖像傳感器輻射效應方面，2001年，美國航天局對一款采用環(huán)形柵和P溝道保護環(huán)方法加固的CMOS圖像傳感器進行了γ射線試驗，測試結果表明，TID效應雖然導致暗電流增加，但是基于標準工藝加固后的CMOS圖像傳感器可以容忍30Mrad（Si）的輻射劑量[14]。2013年，歐洲航天局報道了質(zhì)子、電子和重粒子引起的SEE對HAS2CMOS圖像傳感器的像素和可編程增益放大器（ProgrammableGainAmplifier,PGA）的影響[10]。同年，圖盧茲大學研究了單粒子對4T圖像傳感器的影響，重粒子可在尋址電路的電平轉換器中產(chǎn)生SELs

第2章CMOS圖像傳感器讀出電路及輻射效應研究13(c)RC參數(shù)恒定，隨電阻變化圖2-7不同條件下單粒子誘導瞬態(tài)電壓2.2.2單粒子對開關電容電路的影響開關電容電路通常出現(xiàn)在采樣保持以及失調(diào)消除等模擬電路中，這些模擬電路是CMOS圖像傳感器讀出電路的重要組成部分。開關電容電路中的浮空節(jié)點對單粒子尤其敏感，下面以圖2-8所示的開關電容電路為例，分析單粒子對開關電容電路的影響機制。當Φ=0V時，開關斷開，B點變成了浮空節(jié)點，以下三種情況會改變B點的電壓。1）若開關直接被單粒子擊中，那么單粒子將在電容上沉積電荷，使B點的電壓發(fā)生改變。2）開關的時鐘端發(fā)生SET，使Φ電壓升高，相當于開關瞬間開啟，進而導致電容C存儲的電荷發(fā)生改變。3）根據(jù)電容耦合的原理，B點的電壓隨A點電壓變化。當A點受單粒子影響電壓瞬態(tài)下降時，B點也會下降，可能會使NMOS管的襯底與漏極之間的寄生二極管開啟，導致襯底電流流入，從而改變存儲電容的電荷[41]。然而，這種情況出現(xiàn)的概率較小，且可以通過增大電容和調(diào)節(jié)A、B之間的電壓差避免。假設電容C上的電荷量減少ΔQ，那么節(jié)點B的電壓變化量為：ΔV=ΔQ/C。ABVrefN+N+P-substrateCΦ=0Φ圖2-8開關電容電路

【參考文獻】：
期刊論文
[1]CMOS APS光電器件單粒子效應脈沖激光模擬實驗研究[J]. 安恒,楊生勝,苗育君,薛玉雄,曹洲,張晨光.  真空與低溫. 2017(04)
[2]不同工藝尺寸CMOS器件單粒子閂鎖效應及其防護方法[J]. 陳睿,余永濤,董剛,上官士鵬,封國強,韓建偉,馬英起,朱翔.  強激光與粒子束. 2014(07)
[3]高速CMOS預放大-鎖存比較器設計[J]. 寧寧,于奇,王向展,任雪剛,李競春,唐林,梅丁蕾,楊謨?nèi)A.  微電子學. 2005(01)
[4]CMOS有源圖像傳感器的最新研究進展[J]. 李杰,劉金國,王英霞,郝志航.  傳感器技術. 2005(01)

碩士論文
[1]星用CMOS圖像傳感器的單粒子效應研究[D]. 劉洋.哈爾濱工業(yè)大學 2016
[2]納米尺度數(shù)字電路抗單粒子效應的加固設計方法研究[D]. 錢棟良.合肥工業(yè)大學 2016
[3]CMOS圖像傳感器列級ADC研究與設計[D]. 徐文靜.天津大學 2012



本文編號：3369543