二维四管有源像素单粒子效应研究与辐射加固模拟

"四管有源像素单粒子效应及辐射加固器件模拟研究，姚素英，李渊清，徐超，刘超，徐江涛。本文针对CMOS图像传感器中的四晶体管有源像素结构，进行了二维器件结构的建立以及单粒子效应的模拟仿真。研究发现，入射粒子产生的电荷会导致像素间的电荷分享现象，影响成像质量。为解决这一问题，文章探讨了使用基于反偏PN结的GuardDrain结构来抑制电荷分享的加固技术，并分析了GuardDrain的结深、数目和反偏电压对抑制效果的影响。" 这篇研究论文深入探讨了微电子学与固体电子学领域中的一个重要问题——单粒子效应（Single-Event Effects, SEE）在四管有源像素（4-Transistor, 4T）CMOS图像传感器中的表现。四管有源像素是现代CMOS图像传感器中广泛采用的一种像素结构，它由四个晶体管组成，能够提供更好的图像质量和更丰富的功能。 单粒子效应是指在高能粒子环境（如太空辐射或加速器实验）下，单个粒子击中半导体器件时，可能产生大量的电荷，导致器件状态的突然改变。这种效应在空间应用的电子设备中尤为关注，因为它可能引发错误读取或数据丢失，严重影响系统的可靠性和稳定性。 论文中，研究人员建立了一个二维的4T有源像素模型，通过模拟仿真揭示了当入射粒子与像素交互时，产生的电荷不仅仅影响到粒子入射点所在像素，还可能通过扩散过程影响到邻近的像素，即所谓的电荷分享现象。这种现象会降低图像传感器的分辨率和信噪比，因此需要采取措施予以抑制。 为了解决电荷分享问题，论文提出了使用Guard Drain结构作为辐射加固手段。Guard Drain是一种反偏的PN结，位于相邻像素之间，其目的是阻止电荷的扩散。通过对Guard Drain的结深、数目和反偏电压的参数优化，可以有效地限制电荷分享，提高像素的抗辐射性能。 研究结果表明，这些参数的确对抑制电荷分享有显著影响，为设计辐射硬化的CMOS图像传感器提供了理论依据和设计指导。这一研究对于提升高辐射环境下的电子设备性能，尤其是在航天和国防领域的应用具有重要意义。通过模拟和实验结合，科研人员可以进一步优化像素结构，以实现更高效的抗辐射加固方案。