TCD132D线阵CCD总剂量效应的实验分析

王祖军 ，张 勇，唐本奇，肖志刚，黄绍艳，刘敏波，陈 伟，刘以农

(1.清华大学工程物理系粒子技术与辐射成像教育部重点实验室， 北京100084；2.西北核技术研究所， 西安710024)

电荷耦合器件CCD(charge coupled device)因其体积小、质量轻、功耗低、量子效率高、动态范围大、寿命长以及机械强度高等优良性能，而被广泛应用于航天器对地观测、遥感、空间科学探测器等领域。长期工作在空间辐射环境中的CCD受电离辐照影响后，会产生总剂量效应。总剂量效应导致CCD暗信号增大、饱和输出电压下降、平带电压和阈值电压漂移等现象，从而影响CCD正常工作，严重的会导致CCD功能失效。

国外从20世纪70 年代就对CCD的电离辐射损伤效应开展了大量的实验和理论研究，目前国外应用在辐射环境中的CCD已经具有很强的抗电离辐射能力，加固后的CCD抗总剂量能力高达1 000 krad(Si)。国内对CCD的辐射效应研究开展的较晚，国内早期开展了表面沟道CCD的电离辐射效应研究[1]和CCD栅氧化层电离辐射加固工艺研究[2]。随着CCD制造技术的发展，目前使用的CCD多为埋沟CCD。国内相关单位，如西北核技术研究所和中科院新疆理化所相继开展了 TCD1208P和TCD1209D等商用线阵埋沟CCD总剂量损伤的剂量率效应实验研究[3]；中国空间研究院和重庆光电技术研究所也开展了CCD60Coγ电离辐射效应实验研究[4-5]。

由于CCD器件结构相对复杂，辐射敏感参数较多，不同类型和结构的CCD其抗辐射能力也有差异，已报道的文献对CCD辐照后敏感参数的实验现象分析还不够全面，对电离辐射效应损伤机理研究需要大量的辐照实验数据作为基础。课题组已经报道了线阵CCD总剂量效应辐照测试系统设计[6]、模拟实验方法[7]和电离辐射损伤机理研究[8]。本文通过对TCD132D线阵CCD60Coγ总剂量效应辐照实验结果进行分析，得出了CCD分别在不加偏置电压、加偏置电压加驱动信号和加偏置电压不加驱动信号三种工作状态下，受60Coγ辐照后暗信号电压和饱和输出电压随总剂量累积的变化规律，为CCD抗电离辐照加固技术研究提供理论和实验技术支持。

1 实验

CCD总剂量辐照实验在西北核技术研究所的60Coγ源上开展，60Coγ射线源的光子能量为 1.25 MeV，源强的不确定度为2.5%，辐照实验过程中，60Coγ源的辐照剂量率为0.5 rad/s。选用TCD132D CCD作为被辐照器件。辐照时，被辐照器件分别对应三种工作状态：不加偏置电压、不加驱动信号；加偏置电压、不加驱动信号；加偏置电压、加驱动信号。通过辐照板提供给被辐照器件偏置电压和驱动信号。辐照后采用离线测试，选取暗信号电压和饱和输出电压作为CCD的辐射敏感参数测量对象。辐照实验共进行两批次，第一批60Coγ辐照选取了3片TCD132D CCD，其中：06#CCD加偏置电压、不加驱动信号；07#CCD加偏置电压、加驱动信号；08#CCD不加偏置电压、不加驱动信号。根据第一批CCD辐照的实验测试结果，开展了第二批60Coγ辐照，选取2片TCD132D CCD，其中：04#和10#CCD均不加偏置电压、不加驱动信号。

TCD132D CCD是一种1024像元的线阵图像传感器，内置了CCD驱动电路、嵌位电路、S/H电路和预放大电路。光敏元与CCD移位寄存器之间通过转移栅隔离。转移脉冲SH控制转移栅的开启和关断，其周期是光积分时间，典型值为740us。内置CCD驱动电路为 CCD提供驱动工作脉冲信号。TCD132D CCD工作过程如下：在转移栅关断期间，转移脉冲SH为低电平，光敏单元处于光积分时间，接受外部光信号，光信号电荷进入MOS电容存储势阱中。当转移脉冲SH转为高电平，光信号电荷进入CCD移位寄存器的势阱中。在驱动时钟脉冲的作用下，光信号电荷向信号输出单元转移，最后经CCD输出放大器检出。一帧输出信号由哑元、遮光元和光敏元组成[9]。

2 实验结果与分析

CCD在既无光注入又无其它方式注入信号的情况下输出的电压信号称为 CCD的暗信号电压。在测试TCD132D CCD暗信号电压时，取遮光元输出电压与饱和输出电压之差。图1给出了07#CCD加偏置电压、加驱动信号辐照，总剂量分别为2.5 krad(Si)和7.5 krad(Si)时的暗信号波形，从图1中(a)和(b)对比可以看到辐照总剂量增大，遮光元输出电压与哑元输出电压差增大，即暗信号电压增大，暗信号从75.4 mV增大到241 mV。图2给出了04#CCD不加偏置电压、不加驱动信号辐照，总剂量分别为6 krad(Si)和12 krad(Si)时的暗信号波形，暗信号从36.5 mV增大到113 mV。从图1和图2比较可以看到，不加偏置电压、不加驱动信号辐照时，暗信号电压随总剂量增大比加偏置电压、加驱动信号辐照时相对要小。

图1 07#CCD加偏置电压、加驱动辐照时的暗信号波形

图2 04#CCD不加偏置电压、不加驱动辐照时的暗信号波形

图3(a)和(b)给出了10#CCD不加偏置电压、不加驱动信号辐照，总剂量分别为12和21 krad(Si)时，不加光照时的输出全幅波形，从图3(a)中，总剂量为12 krad(Si)时，光敏元没有饱和；从图3(b)中，总剂量达到21 krad(Si)时，光敏元已经完全饱和。此时，辐照诱发的暗信号已经使CCD像元处于饱和状态，此时， CCD已经失去了光响应能力，因而功能失效。

图3 10#CCD不加偏置电压、不加驱动辐照时一帧信号的全幅波形

第一批CCD辐照实验时， 06#和07#加偏置电压，总剂量达8.5 k rad(Si)时，不加光照， CCD像元就已经饱和， CCD势阱中已经充满辐照诱发的暗信号电荷，此时， CCD已经无法感光成像，这种情况下CCD已经功能失效。 08#CCD继续增加总剂量到10.5 krad(Si)时，器件仍能正常工作。根据第一批CCD辐照的实验测试结果，第二批辐照时，不断增加04#和10#CCD在不加偏置电压状态下的辐照总剂量，直到总剂量达到21 krad(Si)时， CCD也功能失效。加偏置电压时， CCD抗总剂量能力显著降低，主要是由于CCD的光敏区，转移区和输出放大器主要有MOS结构组成，加偏置条件下， MOS器件对电离辐射更敏感。

图4 给出了60Coγ辐照总剂量效应实验时，06#、07#、08#、04#和10#TCD132D CCD暗信号电压随总剂量的变化曲线图。在相同条件下，每次随机测量5次暗信号电压然后进行数据处理。从图4中可以看到随总剂量增大，暗信号电压增大，且加偏置电压比不加偏置电压时暗信号电压增大幅度要大。暗信号增大机理是由于辐射诱发Si/SiO2之间界面态陷阱电荷增加，而界面态陷阱电荷在CCD表面具有很高的热产生率，它们能与Si体内的载流子发生作用， 导致热产生电子-空穴对， 从而使暗信号增大。

图4 TCD 132D CCD暗信号电压随总剂量的变化

图5 给出了06#、07#、08#、04#和10#TCD132D CCD饱和输出电压随总剂量的变化曲线图。从图5中可以看到随总剂量增大，饱和输出电压减小，且加偏置电压比不加偏置电压时饱和输出电压减小显著。 CCD饱和输出电压减小的机理是由于辐射损伤导致CCD输出放大器工作点漂移，从而使饱和输出电压下降；由于CCD输出放大器中的MOSFET在加偏置电压时对辐射更敏感，所以加偏置电压时，饱和输出电压减小更显著。饱和输出电压减小将使CCD的动态范围也减小。

图5 TCD 132D CCD饱和输出电压随总剂量的变化

通过CCD辐照总剂量效应实验的对比，可得出如下结论：(1)随总剂量增大， TCD132D CCD暗信号电压增大，且加偏置电压比不加偏置电压时暗信号电压增大幅度要大；(2)随总剂量增大， TCD132D CCD饱和输出电压减小，且加偏置电压比不加偏置电压时饱和输出电压减小显著；(3)TCD132D CCD在加偏置电压时的抗总剂量能力明显低于不加偏置电压辐照。从暗信号电压和饱和输出电压参数辐照后的退化可以看到，在加偏置工作状态下辐照，CCD对辐射更敏感。

3 小结

通过开展TCD132D线阵CCD60Coγ辐照实验，得出了CCD总剂量效应的实验规律曲线；分析了TCD132D线阵CCD辐照后暗信号电压和饱和输出电压的变化规律：随总剂量增大， TCD132D CCD暗信号电压增大、饱和输出电压减小；TCD132D CCD在加偏置电压时比不加偏置电压对辐射损伤更敏感。

[ 1] 任迪远，张玲珊， 瞿则涛，等.表面n沟CCD的电离辐射损伤[J].核电子学与探测技术， 1987， 7(3)：139-144.

[ 2] 李杰，王缙亮，董初亮，等.CCD电离辐射加固工艺研究[ J] .核电子学与探测技术， 1990， 10(4)：193-198.

[ 3] 李鹏伟，郭旗， 任迪远， 等.CCD器件总剂量损伤的剂量率效应[C] //第十届全国抗辐射电子学与电磁脉冲学术年会论文集， 2009：178-185.

[ 4] 于庆奎，唐民，朱恒静，等.用10 MeV质子和钴60γ射线进行CCD空间辐射效应评估[ J] .航天器环境工程， 2008， 25(4)：391-394.

[ 5] 刘俊刚，李敬红.电荷耦合器件抗γ总剂量辐射加固[ J] .半导体光电， 1996， 17(1)：16-22.

[ 6] 张勇，唐本奇，肖志刚，等.线阵CCD总剂量辐照效应离线测量系统设计[J] .核电子学与探测技术， 2004， 24(5)：497-494.

[ 7] 唐本奇，张勇， 肖志刚，等.线阵CCD器件总剂量效应模拟试验研究[C] //固体核径迹论文集——第八届全国固体核径迹学术会议论文集， 2004：152-154.

[ 8] 王祖军， 唐本奇， 肖志刚， 等.CCD电离辐射损伤机理分析[J].核电子学与探测技术， 2009， 29(3)：565-570.

[ 9] 日本东芝公司.TCD 132D线阵CCD手册[ S].1997：1-3.