, М. Е. ЧЕРНЯК
Научный руководитель – А. В. УЛАНОВА, к. т.н., доцент
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
СРАВНЕНИЕ РАДИАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА
В КМОП-- И ПЗС-МАТРИЦАХ
В данной статье рассматривается влияние радиационного излучения на КМОП - и ПЗС - матрицы. Рассмотрены основные дефекты возникающие в результате взаимодействия с излучением. Приведены результаты испытаний КМОП-матрицы FPA320x240 и ПЗС-матрицы ICX259AL фирмы SONY.
При использовании массива фоточувствительных элементов в условиях космоса, необходима оценка запаса радиационной стойкости. Основными причинами изменения технических характеристик матрицы являются дозовые и одиночные эффекты.
Дозовые эффекты проявляются в результате накопления захваченного заряда в объемах окисла и заполнения ловушек на границе раздела диэлектрик-полупроводник. Радиационно-индуцированный заряд увеличивает темп термической генерации электронно-дырочных пар в пикселях ПЗС-матрицы, что приводит к увеличению темнового сигнала [1] (рис.1). Аналогичные изменения темнового сигнала после дозового воздействия наблюдаются и в КМОП-матрицах, однако основной причиной увеличения являются подзатворные токи утечек в структурах пикселей. Также к особенностям КМОП-сенсоров можно отнести деградацию более сложной по сравнению с ПЗС периферией [2]. На рис. 2приведено изображение отказа системы адресации КМОП-матрицы.
|
|
Рис. 1. Деградация темнового сигнала ПЗС-матрицы при дозовом воздействии | Рис. 2. Отказ системы адресации КМОП-матрицы |
Одиночные эффекты в КМОП - и ПЗС-матрицах проявляются при воздействии отдельных ядерных частиц (ОЯЧ), таких как протоны, нейтроны и ионы. Можно выделить переходные и устойчивые одиночные эффекты.
В результате воздействия ОЯЧ в объеме полупроводника выделяется первичный заряд, который воспринимается сенсором как световой сигнал. Данный эффект характерен как для ПЗС-, так и для КМОП-матриц, а его длительность составляет не более 1 мс (рис.3).
Устойчивые эффекты проявляются в виде пикселей с увеличенным сигналом и сохраняются в течение нескольких дней или недель (рис.4). Основной причиной подобной деградации является образование структурных дефектов в объеме сенсора. Данные образования могут выступать в роли центров генерации или захвата заряда, увеличивающих сигнал, получаемый от пикселя[1].
|
|
Рис. 3. Переходные эффекты в КМОП-матрице при воздействии ионами неона | Рис. 4. Устойчивые эффекты в ПЗС после воздействия протонами |
Спецификой КМОП-матриц является наличие тиристорного эффекта, приводящего к резкому увеличению тока потребления схемы, что может привести к катастрофическому отказу. Для парирования данного эффекта необходимо произвести своевременный сброс и восстановление питания матрицы.
В результате проведенного анализа можно сделать заключение о схожести радиационных эффектов в КМОП - и ПЗС-матрицах. Однако в ходе эксперимента необходимо учитывать особенности КМОП-сенсоров, такие как наличие тиристорного эффекта и деградацию обрабатывающей периферии.
Список литературы
1. Hopkinson G. R. Radiation-induced Dark Current Increases in CCDs // Radiation and its Effects on Components and Systems, 1993.
2. Cherniak M. E., Ulanova A. V., Nikiforov A. Y. Infrared Focal Plane Array FPA320x256 Radiation Hardness Investigation // 29th International Conference on Microelectronics, Belgrade, Serbia 2014, pp. 171-172.
