空间辐射下CMOS图像传感器随机电报噪声研究

在空间辐射环境下，特别是受太阳耀斑爆发时释放大量高能质子的影响,CMOS图像传感器中随机电报噪声幅度增大、级数增多，严重影响传感器的成像质量，是限制CMOS传感器在空间环境获得广泛应用的主要因素之一。目前国内外关于该类随机电报噪声的研究主要集中在检测分析上，其性质和详细物理机制尚不明确。本项目将对该类随机电报噪声从检测、分析、建模到抑制方法上进行全面深入研究。通过设计一种自动化的噪声检测和参数提取方法，获取随机电报信号噪声基本参数及其统计分析模型，进而结合半导体器件原子移位损伤的相关数据建立随机电报信号噪声的初步物理模型，并用该模型对CMOS图像传感器进行优化设计，研究辐射致随机电报信号噪声的抑制或消除方法。项目的预期目标是提出辐射致随机电报噪声测量、分析、建模、抑制的研究方案以及具体的实施方法，为抗辐射集成电路中随机电报噪声的研究提供可行的方法和理论。

空间环境中存在着各种粒子，如γ射线、质子、高能电子、重粒子等。这些粒子入射到半导体中会产生相应的辐射效应。在空间工作的CMOS图像传感器受到这种辐射效应的影响，会产生随机电报噪声（RTS），严重影响图像传感器的成像质量。本项目致力于研究空间辐射下CMOS图像传感器的随机电报噪声的特性和产生机理。项目前期，结合相关的文献研究，我们在GEANT4软件平台上实现了一种蒙特卡洛分析方法，对粒子入射到硅材料的物理过程进行的建模和仿真，这种分析使得我们了解到入射粒子能量、通量与粒子在硅体及氧化层内能量沉积的关系。项目中后期，我们采用通用工艺及全定制的方法设计了一款CMOS图像传感器，搭建了CMOS图像传感器电报噪声测试平台，并对所设计的图像传感器进行了辐射测试。在测试过程中，我们采用了基于Simulink平台自主研制的噪声测试系统，对随机电报噪声进行了测试。这一系统采用实时低通滤波获得电报噪声的跳变沿信号，并用这一信号触发对于相应区间的电报噪声检测和均值计算。采用我们提出的噪声测试系统，可以完成对CMOS图像传感器中复杂随机电报噪声时间常数、幅值水平、级数等重要指标的实时自动提取和存储。综上所述，项目组完成了预期的研究目标，在空间辐射导致的CMOS图像传感器随机电报噪声的测试方法研究方面获得了较大的突破。后续将基于对随机电报噪声特性的分析，在电路设计和图像算法方面进一步研究该类噪声的抑制方法。