质子累积辐照效应对CMOS图像传感器饱和输出的影响

作     者：彭治钢 白豪杰 刘方 李洋 何欢 李培 贺朝会 李永宏 PENG Zhigang;BAI Haojie;LIU Fang;LI Yang;HE Huan;LI Pei;HE Chaohui;LI Yonghong

作者机构：西安交通大学核科学与技术学院西安710049 

出 版 物：《物理学报》 (Acta Physica Sinica)

年 卷 期：2025年第74卷第2期

页      面：137-148页

核心收录：

学科分类：07[理学] 070202[理学-粒子物理与原子核物理] 0702[理学-物理学] 

基　　金：国家自然科学基金(批准号:12005159)资助的课题 

主　　题：CMOS图像传感器 总剂量效应 饱和输出 满阱容量 转换增益 

摘      要：本文通过辐照实验和TCAD仿真,研究了质子累积辐照导致四晶体管钳位光电二极管(4T PPD)CMOS图像传感器的饱和输出变化机理.实验采用的质子能量为12 MeV和60 MeV,最高质子注量为2×10^(12)cm^(-2).实验结果表明:12 MeV和60 MeV质子最高注量辐照后分别导致转换增益增大8.2%和7.3%,满阱容量分别减小7.3%和3.8%.饱和输出在12 MeV质子辐照下变化趋势不显著,在60 MeV质子辐照下增大3%.在TCAD仿真中,建立了单个三维4T PPD像元模型,开展了质子累积辐照效应仿真来分析损伤机理.仿真结果表明像元饱和输出的变化由满阱容量、复位晶体管的物理特性和浮置扩散区的电容决定,但它们具有不同的影响.具体而言,满阱容量的降低导致饱和输出减小,而复位晶体管的辐照效应导致饱和输出增大.辐照导致浮置扩散区的电容减小,从而使转换增益增大,进而饱和输出增大.上述工作较为全面地揭示和分析了辐照后饱和输出的变化机理,研究成果对CMOS图像传感器的辐射损伤分析具有一定的指导意义.