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位移损伤诱发CMOS图像传感器电荷转移损失退化的理论模拟研究.docx
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位移损伤诱发CMOS图像传感器电荷转移损失退化的理论模拟研究.docx
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摘要
以 4T PPD(4 个晶体管的钳位光电二极管)型 CMOS 图像传感器为研究对象,开展注量为
1×10
11
,3×10
11
,5×10
11
,7×10
11
,1×10
12
neutron/cm
2
的中子辐照下损伤模拟的研究,建立
CMOS 图像传感器的器件模型和不同注量中子辐照后位移损伤的缺陷模型;采用相关双采样
技术测量由亮到暗连续两帧时序脉冲下浮置节点(FD)的输出值,建立测量电荷转移损失
(CTI)的模拟方法;获得 CTI 随中子辐照注量的变化关系,分析 CTI 随中子累积注量的变化规
律,结合中子辐照效应实验验证中子辐照诱发 CTI 退化的理论模拟计算结果的有效性。研究
结果表明,CMOS 图像传感器的位移损伤敏感区域为空间电荷区域,中子辐照后会在空间电
荷区中引入位移损伤缺陷,这些缺陷通过不断俘获和发射载流子,使信号电荷不能快速转移
到 FD 中,造成电荷转移损失;电荷转移损失随着中子辐照注量的增加而增大,二者在一定范
围内呈线性关系。
Abstract
Taking 4T PPD (4 transistor clamped photodiodes) type CMOS image sensor as the
research object, the damage simulation of neutron irradiation fluence of 1×10
11
, 3×10
11
,
5×10
11
, 7×10
11
, 1×10
12
neutron/cm
2
are carried out, and the device model of CMOS
image sensor and the defect model of displacement damage after different neutron
irradiation fluence are established. The correlation double sampling technique is used to
measure the output value of floating diffusion (FD) under two continuous pulses from
bright to dark, and a simulation method for measuring charge transfer loss (CTI) is
established. The relationship between CTI and neutron irradiation fluence is obtained,
and the variation of CTI with neutron cumulative fluence is analyzed. Combined with
neutron irradiation effect experiments to verify the validity of the theoretical simulation
results of neutron irradiation-induced CTI degradation. The results show that the
sensitive region of displacement damage of CMOS image sensor is space charge region,
and displacement damage defects will be introduced into space charge region after
neutron irradiation. Through continuous capture and emission of carriers, these defects
make the signal charge can not be quickly transferred to FD, resulting in charge transfer
loss, and the charge transfer loss increases with the increase of neutron irradiation
fluence, and there is a linear relationship between them in a certain range.
1 引言
CMOS 图像传感器具有体积小、质量轻、功耗低和集成度高等优良性能,被逐步应用于星敏
感器、太阳敏感器和遥感卫星等,但其空间辐射损伤的问题日益突出
[1-2]
。尤其是高速图像传
感器需在极短的时间内将高速运动的现象捕捉下来
[3]
,而辐照损伤会严重影响其电荷传输性
能,导致电荷不完全传输,一部分电荷被滞留在耗尽区域,造成图像拖影。图像拖影是由信号
电荷不完全转移,导致残留信号在下一帧图像输出时再现的现象
[4]
。电荷转移损失(CTI)或电
荷转移效率(CTE)是评价 CMOS 图像传感器性能好坏的重要参数,其中 x
CTE
=1-x
CTI
。
目前,国内外均开展了关于 CMOS 图像传感器 CTI 的影响因素的研究。Han 等
[5]
对影响 CTI
的相关因素进行了分析,提出了电荷转移模型,预测了浮置节点(FD)电容和光电二极管面积
对 CTI 的影响,并提出了电荷不完全转移的预测方法,但是该方法只能定性分析电荷是否完
全转移
[6]
。Marcelot 等
[7]
提出了采用 TCAD 仿真软件优化结构设计来降低 CTI 的方法。
Goiffon 等
[8]
分析了电离总剂量(TID)诱导 CMOS 图像传感器 CTI 退化的规律。西北核技术
研究所 Wang 等
[9-10]
开展了 TID 诱发 CTI 退化的实验和模拟研究,发现了电离损伤诱导 CTI
退化的敏感区域。但是,关于 CMOS 图像传感器 CTI 的位移损伤敏感区域的甄别与退化机
理的研究开展很少。
为了研究中子位移损伤诱发 CMOS 图像传感器 CTI 退化的规律以及甄别辐照损伤敏感区
域,本文深入分析了 CTI 退化的机理。以 4T PPD(4 个晶体管的钳位光电二极管)型 CMOS
图像传感器为研究对象,开展了能量为 1 MeV 的中子辐照损伤的理论模拟研究,建立了
CMOS 图像传感器 CTI 的理论模拟方法,结合器件内部参数变化分析了器件中子辐照损伤
机理,确定了位移损伤导致 CTI 退化的敏感区域,并开展反应堆中子辐照效应试验验证了理
论模拟的有效性。所得的研究结果为 CMOS 图像传感器的位移辐照损伤评估及抗辐射加固
技术提供了理论基础和试验技术支持。
2 理论模拟
2.1 CMOS 图像传感器的结构模型
4T PPD 型 CMOS 图像传感器中的像素单元结构主要由收集光信号的光电二极管(PPD)、
将光生电荷转化为电信号的 FD、将 FD 复位到高电压的复位管(RST)、用于光生电荷传输
的传输栅(TG)、隔离相邻两个像素的浅沟槽隔离区(STI)以及电源等构成,如图 1 所示,其中
Ф
TG
、Ф
RS
和 Ф
SEL
分别为传输栅、复位管和行选管的电极接触,V
FD
和 V
dd
分别为浮置节点和
电源的电压,M
TG
、M
RS
和 M
SF
分别为传输栅、复位管和行选管的栅极,P 和 P
+
分别为 P 型掺
杂注入层和 P
+
型重掺杂注入层,N 和 N
+
分别为 N 型掺杂注入层和 N
+
型重掺杂注入层,P-epi
为硅衬底。利用 TCAD 软件对模型进行数值模拟,具体仿真流程如图 2 所示,其中 CIS 为
CMOS 图像传感器。4T PPD 型 CMOS 图像传感器中像素单元掺杂分布模型如图 3 所
示。
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