应用在空间辐射环境下的互补金属氧化物半导体图像传感器（CIS）会受到高能质子辐照损伤，导致性能退化，严重时甚至功能失效。为了分析CIS高能质子辐照损伤机理，本文以0.18 μm工艺CIS为研究对象，利用西安200 MeV质子应用装置开展了注量分别为1×10¹⁰、5×10¹⁰、1×10¹¹ p/cm²的100 MeV质子辐照实验。获得了单粒子瞬态响应的典型特征和暗信号、暗信号分布、暗信号尖峰及随机电码信号（RTS）等敏感参数的退化规律，揭示了不同偏置条件和不同注量下CIS高能质子辐照损伤的物理机制。实验结果表明：对暗信号而言，加偏置条件比未加偏置条件变化显著；质子辐照诱发的位移损伤和电离损伤引起暗信号的增大；位移损伤诱发的体缺陷诱发暗信号尖峰的产生，且随着辐照注量的增大而增多；空间电荷区中不同类型的体缺陷导致两能级和多能级RTS的产生。

为了评估电荷耦合器件（CCD）在空间科学探测以及航天卫星成像等空间辐射环境中应用的可靠性，揭示了CCD转换增益以及线性饱和输出等重要性能参数的退化机制及其实验规律。辐照实验在质子回旋加速器上进行，质子能量为60 MeV和100 MeV，质子注量分别为1×10¹⁰ cm^-2、5×10¹⁰ cm^-2和1×10¹¹ cm^-2。将CCD的主要性能参数在两个不同能量质子辐照后进行比较，实验结果表明，CCD的性能参数对质子辐照产生的电离损伤和位移损伤非常敏感，辐照后转换增益和线性饱和输出明显下降，且暗信号尖峰和暗电流明显增大。此外，分析了质子辐照CCD诱发的电离损伤和位移损伤，给出了CCD性能参数退化与质子辐照能量和注量的变化关系曲线。

CMOS图像传感器(CIS)工作在空间辐射或核辐射环境中遭受的辐照损伤问题备受关注。对CIS辐照损伤效应进行仿真模拟研究有助于深入揭示辐照损伤机理, 进而开展抗辐射加固设计, 有效提升CIS抗辐照能力。文章通过梳理国内外开展CIS辐照损伤效应仿真模拟研究方面的进展情况, 结合课题组已开展的电子元器件辐照效应仿真模拟和实验研究基础, 从CIS器件建模、时序驱动电路建模、辐照损伤效应建模、仿真模拟结果校验等方面探讨了CIS辐照损伤效应的仿真模拟方法, 分析总结了当前CIS辐照效应仿真模拟研究中亟待解决的关键技术问题。

为了深入研究 H2和 H2O进入氧化层后对双极器件辐射效应的影响机制, 以栅控双极晶体管为研究载体, 分别开展了不同浓度 H2浸泡中的辐照试验和温湿度试验后的总剂量辐照试验。试验结果表明, 随着氢气浸泡浓度的增加, 器件的抗辐射能力逐渐降低; 而温湿度试验后, 由于水汽的进入, 器件在随后的辐照试验过程中辐射损伤呈增大趋势。在此基础上, 利用栅控栅扫描法进行氧化层辐射感生缺陷的定量分离, 发现 H2和 H2O进入器件氧化层后, 均会造成辐射感生界面陷阱电荷 Nit的增加, 并在一定程度上降低辐射感生氧化物陷阱电荷 Not的量, 结合理论分析进一步给出了 H2和 H2O造成器件损伤增强的潜在机制。研究成果对于辐射环境用电子系统的抗辐射性能评价和应用具有参考意义。

文章首先重点介绍了国内外开展GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池的电子、质子及其他辐射粒子或射线辐照实验的研究进展，然后从辐照损伤效应的仿真模拟研究、抗辐射加固技术、损伤预估方法等方面综述了GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池辐照损伤效应及加固技术的研究进展，最后梳理了当前GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池辐照损伤效应研究中亟待解决的关键技术问题，为深入开展GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池辐照损伤效应实验方法标准制定、损伤机理分析、在轨寿命预估及抗辐射加固技术研究提供了理论指导和实验技术支持。

以4T PPD(4个晶体管的钳位光电二极管)型CMOS图像传感器为研究对象,开展注量为1×10 ¹¹,3×10 ¹¹,5×10 ¹¹,7×10 ¹¹,1×10 ¹² neutron/cm ²的中子辐照下损伤模拟的研究,建立CMOS图像传感器的器件模型和不同注量中子辐照后位移损伤的缺陷模型;采用相关双采样技术测量由亮到暗连续两帧时序脉冲下浮置节点(FD)的输出值,建立测量电荷转移损失(CTI)的模拟方法;获得CTI随中子辐照注量的变化关系,分析CTI随中子累积注量的变化规律,结合中子辐照效应实验验证中子辐照诱发CTI退化的理论模拟计算结果的有效性。研究结果表明,CMOS图像传感器的位移损伤敏感区域为空间电荷区域,中子辐照后会在空间电荷区中引入位移损伤缺陷,这些缺陷通过不断俘获和发射载流子,使信号电荷不能快速转移到FD中,造成电荷转移损失;电荷转移损失随着中子辐照注量的增加而增大,二者在一定范围内呈线性关系。

为了研究空间辐照诱发的子电池GaAs相关参数的退化行为,以三结太阳电池的子电池GaAs为研究对象,开展了不同辐照条件下的质子辐照模拟研究,建立了子电池GaAs结构模型,得到了不同辐照能量和注量下短路电流、开路电压、转化因子、最大功率的退化结果。利用现有实验数据,验证了不同能量质子辐照诱发的子电池GaAs的归一化最大功率随质子注量的退化。结合子电池GaAs在不同辐照条件下的最大功率退化结果,得到了归一化最大功率随位移损伤剂量的退化方程。研究结果表明:质子辐照诱发的辐照缺陷是导致子电池退化的直接原因,子电池GaAs的短路电流、开路电压、转化因子和最大功率随质子注量的增加而逐渐退化。当质子注量大于1×10 ¹¹ cm ^-2时,子电池GaAs的归一化电学参数的退化幅度与质子注量的对数值近似成正比,电学参数的退化随质子辐照能量的减小而逐渐增加。质子辐照诱发的子电池GaAs的外量子效率在长波长范围内的退化情况比其在短波长范围内的退化情况更严重。

半导体激光器(LD)工作在空间辐射或核辐射环境中时, 会受到辐照损伤的影响而导致器件性能退化。文章回顾了不同时期研制的LD(从早期的GaAs LD到量子阱LD和量子点LD)在辐照效应实验方面的研究进展, 梳理了国际上开展不同辐射粒子或射线(质子、中子、电子、伽马射线)诱发LD辐射敏感参数退化的实验规律, 分析总结了当前LD辐照效应实验方法研究中亟待解决的关键技术问题, 为今后深入开展LD的辐照效应实验方法、退化规律、损伤机理及抗辐射加固技术研究提供理论指导和实验技术支持。

针对空间质子诱发CCD性能退化问题，开展了CCD质子辐照效应的三维蒙特卡罗模拟研究。采用三维蒙特卡罗软件Geant4模拟计算了不同能量质子在Si和SiO2中的射程及Bragg峰，分析了不同能量质子在材料中能量沉积的过程，并将模拟结果与相关数据进行对比，模拟误差在5%以内。根据质子与材料相互作用的物理过程，选取了合适的Lindhard分离函数，添加合适的物理过程，模拟计算了不同能量质子在SiO2中的电离能量损失和Si中的非电离能量损失，并将结果与国外相关数据进行对比。根据CCD的生产工艺参数，建立了单个像元的三维模拟模型，确定了质子辐照损伤的灵敏体积，模拟计算了不同能量质子在像元灵敏体积内的电离能量沉积与非电离能量沉积，分析了CCD不同能量质子的辐照损伤差异产生的机理。结合粒子输运计算结果与CCD质子辐照实验结果，分析了质子辐照诱发CCD辐射敏感参数退化的物理机制。

提出了光电图像传感器辐照效应参数测试需要解决的问题, 简述了光电图像传感器参数测试国际标准(EMVA1288)的原理和要求, 建立了基于EMVA1288国际标准的光电图像传感器辐照效应测试系统, 并进行了辐照试验验证。验证试验表明: 该系统能对光电图像传感器辐照前后的时域、空域和光谱类参数进行测试, 较好地解决了光电图像传感器辐照效应测试难题, 如测试效率、数据可比对、兼容和拓展性等, 具有较好的推广应用前景。