CMOS图像传感器读出电路抗辐射加固研究
发布时间：2021-08-29 00:38
CMOS图像传感器因其低成本、低功耗和良好的抗干扰性能,被广泛地应用于各种领域,特别在空间探测、遥感成像以及星敏感器等空间应用领域具有极其重要的研究价值。作为图像传感器中关键的一环,读出电路对太空环境中的辐射效应非常敏感。作为太空辐射效应之一,单粒子效应对读出电路中的数字部分和模拟部分都有影响。单粒子效应在数字电路中主要表现形式是单粒子翻转,在模拟电路中不仅会在浮空节点引入失恒的电荷还会使模拟信号发生瞬态扰动,从而影响读出结果。本文主要研究CMOS图像传感器读出电路中的单粒子效应。本文首先研究了单粒子效应对CMOS图像传感器读出电路的影响,并利用TCAD-SPICE混合仿真校准了双指数脉冲电流源模型参数,然后基于双指数脉冲电流源详细地研究了单粒子效应对数字可编程增益放大器和逐次逼近型（Successive Approximation Register,SAR）模数转换器（Analog-to-Digital Converter,ADC）中敏感节点的影响。对于可编程增益放大器,采用双路径加固的方法能有效降低单粒子在运放输入端浮空节点的影响。针对SAR ADC,设计了一种带有复位功能和置位功...
【文章来源】：天津大学天津市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
空间辐射环境
第1章绪论3内部漏电、阈值电压漂移以及沟道载流子迁移率变小等现象[8]。TID效应通常会使CMOS图像传感器成像质量变差[11]，如图1-2(b)所示。(a)单粒子效应(b)总剂量效应图1-2辐射效应对图像传感器的影响1.2抗辐照CMOS图像传感器及读出电路国内外研究现状自20世纪60年代开始，各国研究人员就开始对CMOS集成电路的辐射效应和抗辐照加固技术展开研究[8]，发展至今日，抗辐照加固技术在集成电路的制造工艺、电路设计以及版图设计等领域都有很大的发展。抗辐照工艺通常选择对重粒子不敏感的材料。2005年，香港科技大学的学者报道了一种基于蓝宝石硅片（Silicon-on-Sapphire,SOS）的背照式CMOS图像传感器像素[12]。2007年，韩国庆北国立大学和日本丰桥技术大学的学者联合报道了一种将钳位光电二极管制作在体硅，同时将其他电路部分制作于绝缘体上硅（Silicon-on-Insulator,SOI）的高速CMOS图像传感器[13]。SOS工艺和SOI工艺采用全介质隔离结构，可以彻底消除体硅CMOS电路中的闩锁效应。在CMOS图像传感器辐射效应方面，2001年，美国航天局对一款采用环形栅和P沟道保护环方法加固的CMOS图像传感器进行了γ射线试验，测试结果表明，TID效应虽然导致暗电流增加，但是基于标准工艺加固后的CMOS图像传感器可以容忍30Mrad（Si）的辐射剂量[14]。2013年，欧洲航天局报道了质子、电子和重粒子引起的SEE对HAS2CMOS图像传感器的像素和可编程增益放大器（ProgrammableGainAmplifier,PGA）的影响[10]。同年，图卢兹大学研究了单粒子对4T图像传感器的影响，重粒子可在寻址电路的电平转换器中产生SELs
第2章CMOS图像传感器读出电路及辐射效应研究13(c)RC参数恒定，随电阻变化图2-7不同条件下单粒子诱导瞬态电压2.2.2单粒子对开关电容电路的影响开关电容电路通常出现在采样保持以及失调消除等模拟电路中，这些模拟电路是CMOS图像传感器读出电路的重要组成部分。开关电容电路中的浮空节点对单粒子尤其敏感，下面以图2-8所示的开关电容电路为例，分析单粒子对开关电容电路的影响机制。当Φ=0V时，开关断开，B点变成了浮空节点，以下三种情况会改变B点的电压。1）若开关直接被单粒子击中，那么单粒子将在电容上沉积电荷，使B点的电压发生改变。2）开关的时钟端发生SET，使Φ电压升高，相当于开关瞬间开启，进而导致电容C存储的电荷发生改变。3）根据电容耦合的原理，B点的电压随A点电压变化。当A点受单粒子影响电压瞬态下降时，B点也会下降，可能会使NMOS管的衬底与漏极之间的寄生二极管开启，导致衬底电流流入，从而改变存储电容的电荷[41]。然而，这种情况出现的概率较小，且可以通过增大电容和调节A、B之间的电压差避免。假设电容C上的电荷量减少ΔQ，那么节点B的电压变化量为：ΔV=ΔQ/C。ABVrefN+N+P-substrateCΦ=0Φ图2-8开关电容电路
【参考文献】：
期刊论文
[1]CMOS APS光电器件单粒子效应脉冲激光模拟实验研究[J]. 安恒,杨生胜,苗育君,薛玉雄,曹洲,张晨光. 真空与低温. 2017(04)
[2]不同工艺尺寸CMOS器件单粒子闩锁效应及其防护方法[J]. 陈睿,余永涛,董刚,上官士鹏,封国强,韩建伟,马英起,朱翔. 强激光与粒子束. 2014(07)
[3]高速CMOS预放大-锁存比较器设计[J]. 宁宁,于奇,王向展,任雪刚,李竞春,唐林,梅丁蕾,杨谟华. 微电子学. 2005(01)
[4]CMOS有源图像传感器的最新研究进展[J]. 李杰,刘金国,王英霞,郝志航. 传感器技术. 2005(01)
硕士论文
[1]星用CMOS图像传感器的单粒子效应研究[D]. 刘洋.哈尔滨工业大学 2016
[2]纳米尺度数字电路抗单粒子效应的加固设计方法研究[D]. 钱栋良.合肥工业大学 2016
[3]CMOS图像传感器列级ADC研究与设计[D]. 徐文静.天津大学 2012
本文编号：3369543
【文章来源】：天津大学天津市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
空间辐射环境
第1章绪论3内部漏电、阈值电压漂移以及沟道载流子迁移率变小等现象[8]。TID效应通常会使CMOS图像传感器成像质量变差[11]，如图1-2(b)所示。(a)单粒子效应(b)总剂量效应图1-2辐射效应对图像传感器的影响1.2抗辐照CMOS图像传感器及读出电路国内外研究现状自20世纪60年代开始，各国研究人员就开始对CMOS集成电路的辐射效应和抗辐照加固技术展开研究[8]，发展至今日，抗辐照加固技术在集成电路的制造工艺、电路设计以及版图设计等领域都有很大的发展。抗辐照工艺通常选择对重粒子不敏感的材料。2005年，香港科技大学的学者报道了一种基于蓝宝石硅片（Silicon-on-Sapphire,SOS）的背照式CMOS图像传感器像素[12]。2007年，韩国庆北国立大学和日本丰桥技术大学的学者联合报道了一种将钳位光电二极管制作在体硅，同时将其他电路部分制作于绝缘体上硅（Silicon-on-Insulator,SOI）的高速CMOS图像传感器[13]。SOS工艺和SOI工艺采用全介质隔离结构，可以彻底消除体硅CMOS电路中的闩锁效应。在CMOS图像传感器辐射效应方面，2001年，美国航天局对一款采用环形栅和P沟道保护环方法加固的CMOS图像传感器进行了γ射线试验，测试结果表明，TID效应虽然导致暗电流增加，但是基于标准工艺加固后的CMOS图像传感器可以容忍30Mrad（Si）的辐射剂量[14]。2013年，欧洲航天局报道了质子、电子和重粒子引起的SEE对HAS2CMOS图像传感器的像素和可编程增益放大器（ProgrammableGainAmplifier,PGA）的影响[10]。同年，图卢兹大学研究了单粒子对4T图像传感器的影响，重粒子可在寻址电路的电平转换器中产生SELs
第2章CMOS图像传感器读出电路及辐射效应研究13(c)RC参数恒定，随电阻变化图2-7不同条件下单粒子诱导瞬态电压2.2.2单粒子对开关电容电路的影响开关电容电路通常出现在采样保持以及失调消除等模拟电路中，这些模拟电路是CMOS图像传感器读出电路的重要组成部分。开关电容电路中的浮空节点对单粒子尤其敏感，下面以图2-8所示的开关电容电路为例，分析单粒子对开关电容电路的影响机制。当Φ=0V时，开关断开，B点变成了浮空节点，以下三种情况会改变B点的电压。1）若开关直接被单粒子击中，那么单粒子将在电容上沉积电荷，使B点的电压发生改变。2）开关的时钟端发生SET，使Φ电压升高，相当于开关瞬间开启，进而导致电容C存储的电荷发生改变。3）根据电容耦合的原理，B点的电压随A点电压变化。当A点受单粒子影响电压瞬态下降时，B点也会下降，可能会使NMOS管的衬底与漏极之间的寄生二极管开启，导致衬底电流流入，从而改变存储电容的电荷[41]。然而，这种情况出现的概率较小，且可以通过增大电容和调节A、B之间的电压差避免。假设电容C上的电荷量减少ΔQ，那么节点B的电压变化量为：ΔV=ΔQ/C。ABVrefN+N+P-substrateCΦ=0Φ图2-8开关电容电路
【参考文献】：
期刊论文
[1]CMOS APS光电器件单粒子效应脉冲激光模拟实验研究[J]. 安恒,杨生胜,苗育君,薛玉雄,曹洲,张晨光. 真空与低温. 2017(04)
[2]不同工艺尺寸CMOS器件单粒子闩锁效应及其防护方法[J]. 陈睿,余永涛,董刚,上官士鹏,封国强,韩建伟,马英起,朱翔. 强激光与粒子束. 2014(07)
[3]高速CMOS预放大-锁存比较器设计[J]. 宁宁,于奇,王向展,任雪刚,李竞春,唐林,梅丁蕾,杨谟华. 微电子学. 2005(01)
[4]CMOS有源图像传感器的最新研究进展[J]. 李杰,刘金国,王英霞,郝志航. 传感器技术. 2005(01)
硕士论文
[1]星用CMOS图像传感器的单粒子效应研究[D]. 刘洋.哈尔滨工业大学 2016
[2]纳米尺度数字电路抗单粒子效应的加固设计方法研究[D]. 钱栋良.合肥工业大学 2016
[3]CMOS图像传感器列级ADC研究与设计[D]. 徐文静.天津大学 2012
本文编号：3369543
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