电荷耦合器件辐射效应理论分析与模拟试验方法研究
电偶极子的场及辐射
收稿日期：2003-06-14作者简介：吕宽州（1963-），男，河南扶沟人，郑州经济管理干部学院讲师。
文章编号：1004-3918（2003）05-0512-03电偶极子的场及辐射吕宽州1，姜俊2（1.郑州经济管理干部学院，河南郑州450053；2.河南省科学院，河南郑州450002）摘要：采用了镜像法等方法对电偶极子及其产生的静电场、电磁场及辐射等做了较系统和深入的分析、研究，使分析方便、简化，推出的结论有一定实际指导意义。
关键词：电偶极子；电场；磁场；辐射中图分类号：0442文献标识码：A在很多文献上，缺乏对电偶极子及其产生的静电场、电磁场及辐射等较系统和深入的分析、研究。
本文参考有关文献给出或分析、推出了重要结论，部分内容采用了镜像法，使分析更方便。
!电偶极子及其产生的静电场电偶极子由一对正、负点电荷组成，电量为l ，相距为l ，如图1所示。
其电偶极矩p =l l ，l 的方向由~l 指向+l ，在T 处产生的电场的电势为：#（r ）=l 4L e 0T +_l4L e 0T _当T !l 时，#（r ）=l l cOs 64L e 0T 2=p ·e r 4L e 0T2（1）电场强度为：E =_"@=e r P cOs 62L e 0T 3+e !P si n 64L e 0T3（2）以上结果表明，电偶极子的电势及电场强度的大小分别与距离的平方、三次方成反比，既存在于近区，且与方位角有关，这些特点都与点电荷的电场显著不同。
图2绘出了电偶极子的电力线与等位面。
图1电偶极子F i g .1E lectric d i p O le图2电偶极子的电力线与等位线F i g .2E lectric p Ow er li ne and e C ui p Otential p laneOf e lectric d i p O le第21卷第5期2003年10月河南科学HENAN SC I ENCEV O l.21N O.50ct .2003!电偶极子产生的电磁场及辐射当P =P 0e -j G t 时，为谐振电偶极子，P 0为常矢，则在近区，即l H T 时，主要地一方面将感应如上所述的静电场，另一方面，相当于I =j G C 、长为l 的电流元还将产生一稳恒磁场，其规律可用毕萨定律描述，且电场与磁场的相位相差为90 ，即电场能量与磁场能量相互转换，而平均波印亭矢量为零，故不产生辐射。
电感耦合等离子体发射光谱实验报告
电感耦合等离子体发射光谱法1.基本原理1.1概述原子发射光谱分析（atomic emission spectrometry，AES）是一种已有一个世纪以上悠久历史的分析方法，原子发射光谱分析的进展，在很大程度上依赖于激发光源的改进。
到了60年代中期，Fassel和Greenfield分别报道了各自取得的重要研究成果，创立了电感耦合等离子体（inductively coupled plasma，ICP）原子发射光谱（ICP-AES）新技术，这在光谱化学分析上是一次重大的突破，从此，原子发射光谱分析技术又进入一个崭新的发展时期。
1.2方法原理原子发射光谱是价电子受到激发跃迁到激发态，再由高能态回到较低的能态或基态时，以辐射形式放出其激发能而产生的光谱。
1.2.1定性原理原子发射光谱法的量子力学基本原理如下：（1）原子或离子可处于不连续的能量状态，该状态可以光谱项来描述；（2）当处于基态的气态原子或离子吸收了一定的外界能量时，其核外电子就从一种能量状态（基态）跃迁到另一能量状态（激发态），设高能级的能量为E2，低能级的能量为E1，发射光谱的波长为λ（或频率ν），则电子能级跃迁释放出的能量△E与发射光谱的波长关系为△E= E2- E1=hν=hc/λ（3）处于激发态的原子或离子很不稳定，经约10-8秒便跃迁返回到基态，并将激发所吸收的能量以一定的电磁波辐射出来；（4）将这些电磁波按一定波长顺序排列即为原子光谱（线状光谱）；（5）由于原子或离子的能级很多并且不同元素的结构是不同的，因此，对特定元素的原子或离子可产生一系列不同波长的特征光谱，通过识别待测元素的特征谱线存在与否进行定性分析。
1.2.2半定量原理半定量是对样品中一些元素的浓度进行大致估算。
一种半定量的方法是对许多元素进行一次曲线校正，并将标准曲线储存起来。
然后在需要进行半定量时，直接采用原来的曲线对样品进行测试。
结果会因仪器的飘移而产生误差或因样品基体的不同而产生误差，但对于半定量来说，可以接受。
天线机电热多场耦合理论与综合分析方法研究
基本内容
摘要：本次演示研究了天线机电热多场耦合理论与综合分析方法。通过对电 场、磁场、温度场等各个场的分析和综合，得到了天线机电热多场耦合的机理和 规律。文章设计了实验方法进行验证，并分析了实验结果。结果表明，该综合分 析方法能够有效预测天线的性能，为天线设计和优化提供了有力支持。关键词： 天线机电热多场耦合理论，综合分析方法，电场，磁场，温度场
理论分析：本次演示基于天线机电热多场耦合理论，对电场、磁场、温度场 的关系和耦合机理进行了深入分析。首先，电场与磁场之间满足麦克斯韦方程组 的约束关系，通过电磁感应相互关联；其次，温度场的变化对电场和磁场产生影 响，主要是由于材料参数随温度变化而发生变化。在综合分析方法方面，本次演 示采用了有限元法（FEM）和有限差分法（FDTD）相结合的方式，实现了对天线 机电热多场耦合的精确模拟。
3、目前大多数优化算法是基于梯度下降或遗传算法，其性能和收敛速度有 待进一步提高。
感谢观看
3、研究有源相控阵天线的优化设计方法，开发一种在考虑制造工艺和环境 因素的前提下，提高天线性能、可靠性和稳定性的优化设计策略。该策略将利用 先进的优化算法和仿真技术，对天线的结构、材料和制造工艺进行优化，以实现 天线性能的提升和成本的降低。
参考内容三
基本内容
阵列天线综合方法研究是无线通信领域中的一项重要技术手段，旨在通过对 阵列天线的优化设计，实现波束形成、空间滤波、抗干扰等目的。本次演示将详 细阐述阵列天线综合方法的研究现状、理论基础、实验设计与未来展望。
三、数值仿真的方法与技术
数值仿真方法是一种通过计算机模拟实际系统运行过程的技术。在高温岩体 地热开发过程中，数值仿真方法可以用来模拟地热资源的分布、流动和传热过程， 以及预测地热资源的开发效果。常用的数值仿真软件包括ANSYS、FLAC、FEM等， 这些软件可以模拟岩石力学性质、流体流动、传热等过程。数值仿真技术的应用 有助于优化高温岩体地热开发方案，提高地热资源的开发效率。
电荷耦合元件简介
电荷耦合元件（CCD，Charge-coupled Device）简介1、简介电荷耦合元件（CCD，Charge-coupled Device）是一种集成电路，上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。
CCD上植入的微小光敏物质称作像素（Pixel）。
一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。
CCD的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号。
CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。
经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。
2、发展史CCD是于1969年由美国贝尔实验室（Bell Labs）的威拉德·博伊尔（Willard Boyle）和乔治·史密斯（George E. Smith）所发明的。
当时贝尔实验室正在发展影像电话和半导体气泡式内存。
将这两种新技术结起来后，博伊尔和史密斯得出一种装置，他们命名为“电荷‘气泡’元件”（Charge "Bubble" Devices）。
这种装置的特性就是它能沿着一片半导体的表面传递电荷，便尝试用来做为记忆装置，当时只能从暂存器用“注入”电荷的方式输入记忆。
但随即发现光电效应能使此种元件表面产生电荷，而组成数位影像。
1971年，贝尔实验室的研究员已能用简单的线性装置捕捉影像，CCD 就此诞生。
有几家公司接续此一发明，着手进行进一步的研究，包括快捷半导体（Fairchild Semiconductor）、美国无线电公司（RCA）和德州仪器（Texas Instruments）。
其中快捷半导体的产品率先上市，于1974年发表500单元的线性装置和100x100像素的平面装置。
2006年元月，博伊尔和史密斯获颁电机电子工程师学会（IEEE）颁发的Charles Stark Draper奖章，以表彰他们对CCD发展的贡献。
2009年10月两人荣获诺贝尔物理奖。
电池多物理场耦合模拟及其应用研究
电池多物理场耦合模拟及其应用研究电池是目前被广泛应用的储能设备，尤其是在电动汽车、电子设备等领域中，电池的重要性不容忽视。
然而，电池的使用寿命和安全性仍然是目前需要解决的难题。
在电池设计和制造中，模拟仿真技术已成为电池研究的重要手段之一。
本文将探讨电池多物理场耦合模拟及其应用研究的相关内容。
一、电池多物理场耦合模拟的意义电池是一个高度耦合的多物理场问题，包括电场、热场、流体力学、化学反应等多个领域知识。
因此，电池的模拟仿真需要考虑多个物理场之间的相互影响和耦合效应。
通过电池多物理场耦合模拟可以预测电池行为，如容量衰减、内阻增加等，这对于电池的设计和优化非常有价值。
二、电池多物理场耦合模拟能够解决哪些问题1. 电池寿命的预测电池寿命是电池性能的核心指标，也是电池设计和制造的关键问题之一。
电池在使用中会发生容量衰减、内阻增加等现象，这些都会影响电池寿命。
通过电池多物理场耦合模拟，可以预测电池的容量衰减和内阻增加情况，从而评估电池的使用寿命。
2. 电池安全性的评估电池安全性是电池研究中的另一个重要问题。
电池内部的热场分布、电场分布、电解质的流动等都会影响电池的安全性。
通过电池多物理场耦合模拟，可以模拟电池内部的热场和电场分布，从而评估电池的安全性。
3. 电池设计的优化电池的性能取决于电池设计的合理性。
通过电池多物理场耦合模拟，可以模拟电池内部的多个物理场，通过对电池设计的参数进行优化，可以提高电池的性能，如容量、循环寿命、安全性等。
三、电池多物理场耦合模拟的应用研究1. 电池劣化机理的研究电池的劣化机理是电池研究的核心问题之一。
通过电池多物理场耦合模拟，可以建立电池劣化的模型，模拟电池在不同条件下的劣化情况，从而深入了解电池的劣化机理，为电池设计和制造提供参考依据。
2. 电池设计的优化电池设计的优化是电池研究的重要方向之一。
通过电池多物理场耦合模拟，可以模拟电池内部的多个物理场，优化电池设计的参数，从而提高电池性能。
耦合波导理论
第二章线性电光效应的耦合波理论 2001年，She 等人提出一种全新的理论，它从麦克斯韦方程出发，考虑二阶非线性极化强度(也就是只考虑线性电光效应)，忽略其余高阶极化强度，推出关于线性电光效应的耦合波方程，得到在电场作用下的晶体中光的两个独立电场分量的解析解。
这种方法，可运用于研究光在任意一个方向的电场作用下沿任意方向传播的各种线性电光效应的情况，并且不单可以用于研究光的振幅调制，也可以容易去解决光的相位调制问题。
另外对于给定的一个晶体(点群)，能根据需要利用该理论进行优化设计。
这全新的耦合波理论相对折射率椭球理论来说，它的物理图象清晰，得到的结果是解析解，不用再作任何数学变换。
我们不单可以方便地进行优化设计，而且也可用于电光调制器等电光器件性能的分析。
它的出现拓展电光材料的选择范围和优化调制器的调制方式，从而引起了电光效应研究领域内新一轮的探索。
2.1 理论推导波在介质中传播时，能够通过介质内的非线性极化而相互作用将导致形形色色的非线性光学现象，如高次谐波、参量转换、受激散射等等。
电光效应就是其中的一种非线性光学现象。
电(波)与光(波)的互作用，实质上又可以看作是几个处于不同波段的电磁波在非线性介质中的波耦合过程，因此可以象非线性光学那样，通过求解耦合波方程来获得电光作用的有关知识。
对于普克尔效应，是入射波为光+)(ω电波)(m ω产生一个输出光波)(m ωω+的三波耦合过程。
对于电光效应，它涉及到的是光与物质的相互作用，光是由麦克斯韦方程或场方程描述，物质体系是由光学布洛方程描述。
于是我们采用类似非线性光学方法，首先给出相应的非线性极化强度，把电场所感生的附加极化矢量当成一个微扰量P ∆，再将它视为新的极化光源引入麦克斯韦波动方程，通过整理最后可得到相应的耦合波方程。
线性电光效应耦合波理论就是以麦克斯韦波动方程为基础和出发点推导出来的。
我们可以由麦克斯韦方程组和物质方程推导出：220222)()]([)(t t P t c t E t E NLS ∂∂-=∂⋅∂+⨯∇⨯∇με （2-1） 根据矢量运算规则，E E E 2)(∇-⋅∇∇=⨯∇⨯∇ （2-2）这样可得：2202222)()]([)()]([t t P t c t E t E t E NLS ∂∂-=∂⋅∂+∇-⋅∇∇με （2-3） ε 为介质的相对介电张量，0μ为真空中的磁导率，c 为真空中的光速，E （t ）为介质中的总电场强度，)(t P NLS 为只与电场强度E(t)有关的介质非线性极化强度，暂不考虑旋光效应。
塞曼效应实验解读
M为磁量子数，g为朗道因子，表征原子总磁矩和总角动量的关系，g随耦合类型不同（LS耦合和jj耦合）有两种解法。在LS耦合下：
其中：L为总轨道角动量量子数S为总自旋角动量量子数J为总角动量量子数M只能取J，J-1，J-2 …… -J（共2J+1）个值即ΔE有(2J+1)个可能值。无外磁场时的一个能级，在外磁场作用下将分裂成（2J+1）个能级，其分裂的能级是等间隔的，且能级间隔
问题为什么改变磁感应强度B，会看到相邻两级谱线的重叠，且是不同的重叠情况。
分析因为改变B可以观察到干涉纹不同的重叠或错级情况：
F—P标准具
自由光谱范围： 物理意义：若两谱线波长差>自由光谱范围 （或 ），则两套干涉环就要产生重叠或错级。当d确定后， 是个确定的值。
塞曼裂距： 所以
实验中平行于磁场方向观察
F—P标准具由平行放置的两块平面板组成的，在两板相对的平面上镀薄银膜和其他有较高反射系数的薄膜。两平行的镀银平面的间隔是由某些热膨胀系数很小的材料做成的环固定起来。若两平行的镀银平面的间隔不可以改变，则称该仪器为法布里—珀罗干涉仪。
标准具在空气中使用时，干涉方程（干涉极大值）为 标准具有两个特征参量自由光谱范围和分辨本领。
ΔM= +1为右旋圆偏振光（σ+偏振）ΔM= -1为左旋圆偏振光（σ-偏振）也即，磁场指向观察者时：⊙ ΔM= +1为左旋圆偏振光ΔM= -1为右旋圆偏振光
分析的总思路和总原则：在辐射的过程中，原子和发出的光子作为整体的角动量是守恒的。原子在磁场方向角动量为
∴在磁场指向观察者时：⊙ 当ΔM= +1时，光子角动量为 ，与 同向电磁波电矢量绕逆时针方向转动，在光学上称为左旋圆偏振光。ΔM= -1时，光子角动量为 ，与 反向电磁波电矢量绕顺时针方向转动，在光学上称为右旋圆偏振光。
压电材料的应变与电荷耦合效应
压电材料的应变与电荷耦合效应压电材料是一类具有特殊物理性质的材料，在应变和电荷之间存在一种耦合效应。
在外加电场的作用下，压电材料可以发生应变，并且在机械应变的作用下，也会生成电荷。
这种应变与电荷之间的耦合效应使得压电材料在多个领域具有广泛的应用。
一、压电效应的发现与原理压电效应最早是在18世纪由C. M. 厄弗雷和皮埃尔·居里夫妇发现的。
他们发现某些晶体在机械应变下会产生电荷，并且在施加电场时也会发生应变。
这一发现引起了科学家们的广泛兴趣，随后许多压电材料被发现，并且对压电效应的原理进行了深入研究。
压电效应的原理可以通过材料的晶体结构来解释。
在压电材料中，由于晶格的对称性破缺或磁场的作用，导致材料内部正负电荷的分布不均匀。
施加外力或电场时，会改变材料内部电荷的分布，从而产生应变或电荷。
二、压电材料的应用领域1. 声学器件由于压电材料具有优异的声学特性，如高声速和低损耗，因此在声音的产生、传输和接收方面有广泛的应用。
压电陶瓷常被用于压电换能器，用于超声波发生器、传感器和扬声器等声学器件。
2. 电子设备压电材料在电子设备中也有重要的应用。
由于其应变与电荷之间的耦合效应，可用于压电谐振器、压电驱动器和压电传感器等元件。
此外，压电材料还常用于制作压电陶瓷谐振子，用于频率控制和过滤等功能。
3. 能量转换与传感器压电材料的应变与电荷耦合效应可以实现能量的相互转换，如压电发电和压电驱动。
在能源领域，压电发电技术被广泛应用于振动能收集和传感器供电等场景。
同时，压电材料还可以用于制作压电传感器，用于测量压力、应力和温度等物理量。
4. 医疗器械压电材料在医疗器械方面也有着广泛的应用。
例如，超声波显像设备中的换能器和超声波牙刷等设备，都使用了压电材料作为核心元件。
另外，压电陶瓷还可以用于制作植入式医疗器械，如心脏起搏器和听力植入设备等。
三、压电材料设计与性能优化为了更好地应对各种应用需求，科学家们一直在努力研究和设计新的压电材料，并且优化其性能。
CCD与CMOS图像传感器特点比较
一、CCD图像传感器
CCD，也被称为电荷耦合器件，是一种特殊的半导体器件，其基本原理是在半 导体上通过一系列的电荷感应和电荷转移过程来生成图像。这种传感器的主要 优点包括高灵敏度、低噪声、出色的色彩再现能力和相对较高的图像质量。
1、高灵敏度和低噪声：CCD的独特设计使其对光线非常敏感，而且能够将入射 的光线转化为电荷，从而在图像传感器中形成明暗对比。同时，其低噪声特性 使得图像的细节和清晰度得以保持。
CMOS与CCD图像传感器的未来发展趋势
随着技术的不断进步，CMOS和CCD图像传感器都在不断发展，以适应不断变化 的应用需求。在未来，这两种传感器的发展趋势可能包括：
1、CMOS传感器的高性能化：随着CMOS制造工艺的不断进步，CMOS传感器的性 能将得到进一步提升。例如，通过改进像素结构、增加读取速度等方式，可以 使得CMOS传感器在高分辨率、高灵敏度和高速读取等方面取得更好的表现。
2、色彩再现能力出色：CCD的Bayer滤波器设计可以提供优秀的色彩再现，从 而在色彩要求高的应用中，如彩色摄影和视频拍摄中表现出色。
3、图像质量较高：由于CCD的电荷转移特性，其可以提供较高的图像分辨率和 对比度，从而在图像的清晰度和细节方面表现出色。
二、CMOS图像传感器
CMOS，全称互补金属氧化物半导体，是一种常见的半导体制造工艺，被广泛应 用于各种电子设备中。在图像传感器领域，CMOS因其低功耗、高集成度和低成 本等优点而得到广泛应用。
3、实时图像处理能力：CMOS传感器通常与处理电路一起使用，可以实时进行 图像处理，这在一些需要即时反应的应用中非常有用，例如在无人驾驶汽车或 无人机中。
参考内容
引言
图像传感器在许多领域都有广泛应用，如摄影、监控、医疗成像和科学仪器等。 在图像传感器市场上，CMOS和CCD是最常见的两种技术，它们各有优缺点，各 有适用的场景。本次演示将对CMOS和CCD图像传感器进行比较研究，并探讨它 们的未来发展趋势。
基于Z域变换的CCM电荷传输模型研究_何伟基
离散系统 Z 域变换的 CCM 电荷传输模型. 该模型描述了在 CCM 电荷传输的电荷转 移损失和电 荷倍增过程 . 利用 该模 型的电荷传输的传递函数, 本文推导了 CCM 电荷传输幅频 响应的 计算表达 式并结 合 CCM 的典型 参数进 行了数 值计
算. 计算结果与实验观察表明随着电荷倍 增率越大, CCM 电荷传输的幅频响应改善越明显. 关键词: Z 域变换; CCM; 电荷倍增; 幅频响应
器的单级电荷传输的示意图如图 4 所示:
根据图 4, 用 Q 表示电荷, 我们可以得到:
Qi1= Qin+ Qi1∀z - 1∀∃
( 9)
Qo1= %∀ Qi1∀z - 1
( 10)
Qi2= Qo1+ Qo1∀ !+ Qi2∀z - 1∀∃
( 11)
Qout = Qi2∀z- 1∀ %
( 12)
解上述方程组, 可以得到:
( 17)
将式(17) 的两边应用泰勒级数展开, 得:
∃ ∃ ∃ lnTN (f ) =
2N
% n=
0
-
∃n n!
+
N
% n=
0
!n n!
-
2N
%
-
n= 0
( z- 1∃) n n!
( 18)
由式( 3) 可以知道, ! 1; 同时, ∃ 1, 因此, 式 ( 18 ) 可以
近似为:
lnTN( f ) &2N ∀( - ∃)+ N ∀ !- 2N ∀( - z - 1∃) ( 19)
义, 可以 得 到 所 需的 幅 频 响 应 和 相 频响 应 如 式 ( 22) 、
(23) 所示
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电荷耦合器件辐射效应理论分析与模拟试验方法研究唐本奇,肖志刚,王祖军,张 勇,黄绍艳,刘敏波,周 辉,陈 伟(西北核技术研究所,陕西西安710024)摘 要: 分析了CCD 电离效应和位移损伤机理,建立了一种国产埋沟CCD 器件物理模型,实现了CCD 信号电荷动态转移过程的数值模拟,计算了1MeV 、14MeV 中子引起的CCD 电荷转移效率的变化规律.建立了线阵CCD 辐照效应离线测量系统,实现了CCD 辐射敏感参数测试.利用Co 260C 源和反应堆脉冲中子,开展了商用器件总剂量和中子位移损伤效应模拟试验,在不同辐照条件下,给出了暗电流信号、饱和电压信号、电荷转移效率以及像元不均匀性的变化情况.关键词: CCD ;辐射效应;理论分析;模拟试验中图分类号: TN99 文献标识码: A 文章编号: 037222112(2007)0821481204M echa nism Analysis a nd Experime nt Simulation on Radiation Effects of CCDsT AN G Ben 2qi,XIA O Z hi 2gang,WA NG Z u 2jun,Z HA NG Yong,HU ANG Shao 2yan,LI U Min 2bo,Z HO U Hui,C HE N Wei(Northwes t Ins titute o f Nucle ar Technology,Xi .an ,Shaanxi 710024,China )A bstract: It is analyzed about the damage mechanism of ionizatio n and dis placement radiation on CCDs,The physical modeland the numerical processing method are set up about a buried channel CCD,which has been used to simulate the dy namic trans fer process of CCD with the three phrases pulse driver by semiconductor device simulator MEDICI.It is also calculated on the charge transfer efficiency of CCDs irradiated by 1MeV and 14MeV neutrons.An offline measu re sys tem is designed for radiation damage effects o n linear CCDs based on CPLD.The experiments of ionization and displacement radiation effects are carried out on the co m 2mercial linear CCD by Co 260C source and neu tro n pulse from Xi .an Pulse Reaction with ou r self 2designed test system,and get some valuable results of dark voltage and saturation voltage and charge trans fer efficiency and cells inequality varied with total dose and neutron fluence for the devices.K e y words: CCD(charge cou pled device);radiation effect;mechanism analysis;simulatio n experiment1 引言电荷耦合器件(CC D)是重要的光电器件之一,广泛应用于天文星体跟踪、卫星侦察、光学图像处理等领域.卫星在轨运行期间,始终处在空间辐射环境中,造成星用C CD 器件辐射损伤.在辐射环境监测、核医学图像处理等应用中,CC D 的辐射损伤效应,也是一项重要的研究内容.在C CD 器件电离效应和位移损伤机理分析的基础上,本文开展了C C D 器件信号电荷动态转移过程与中子位移损伤的数值模拟方法研究.设计了线阵C CD 器件辐照效应离线测量系统,利用Co 260C 源和反应堆脉冲中子,开展了商用器件的总剂量效应和中子位移损伤效应的模拟试验.2 CCD 器件辐射效应机理分析CC D 器件的辐射效应,主要表现为电离效应和位移损伤.大多数图像CC D 器件对电离效应非常敏感.对于商用和普通民用器件,损伤的典型剂量值在3~10krad 之间,暗电流的增大范围为1~10nA/c m 2/krad [2].电离损伤,在CC D 内电极与栅氧之间,以及Si/Si O 2界面,引起陷阱和陷阱电荷的累积.Si/SiO 2界面陷阱的能级处在Si 的禁带间,与Si 体内的载流子相互作用,引起电子)空穴对的热激发,导致暗电流信号的增大.位移损伤主要由高能电子、质子、中子入射引起.高能粒子与Si 原子作用,在Si 体内引起晶格原子错位,产生空位)隙原子对,形成复合中心.其中,部分被复合,部分在体内迁移,与其它缺陷、杂质、掺杂原子形成稳定收稿日期:2006205231;修回日期:2007204202第8期2007年8月电 子 学 报AC TA ELEC TRONICA SINIC A Vol.35 No.8Aug. 2007的缺陷团,其能级处于能隙之间.器件转移沟道出现陷阱,俘获信号电荷,从而导致电荷转移效率C TE 降低[3].3 CCD 器件电荷转移过程与中子位移损伤的理论模拟采用重庆光电技术研究所80@80面阵CC D 为分析对象,该器件为N 沟三相多晶硅交迭栅、帧转移结构.光敏区和存储区像元数分别为80@80元,水平区每个抽头的转移位数为48位,器件以逐行转移方式工作.采用两个抽头输出,垂直区和水平区均设计为三层三相多晶硅交叠栅工艺,采用埋沟信号结构,以提高电荷转移效率.器件的横向剖面图如图1所示.建立的器件模型如图2所示,器件长度6314L m;从表面到器件内部长度5L m;复合介质层厚度为01154L m,其中Si 3N 4层厚度为0107L m,Si O 2层厚度为01084L m;输入、输出栅的长度均为5L m;各传输栅与其左边间隙的长度和均为1311L m;输入输出二极管的宽度为5L m;P 2Si 衬底掺杂浓度为5@1014c m -3;输入输出二极管的N 型掺杂浓度为2@1020cm -3,高斯分布,结深为019L m;沟道的N 型掺杂浓度为216@1016cm -3,高斯分布,沟道结深为015L m;少子寿命为011L s.CC D 器件各栅极,包括输入、输出栅和传输栅的直流偏压均为-8V;输入、输出二极管的直流偏压为+14V;接地直流偏压为0V.在t =1L s 时刻,输入栅I G 跳变到+8V,跳变时间为0101L s,这时输入栅开启;在t =2L s 时刻,G 1跳变到+12V,跳变时间为0101L s,这是使第一个传输栅开启,这时在G 1下形成了一个电子势阱,如图3(a)所示;在t =3L s 时刻,ID 跳变到-1V,跳变时间为0101L s,这是使输入二极管通过输入栅对第一传输栅G 1下的势阱注入信号电荷,如图3(b)所示;在t =4L s 时刻,ID 跳变到+10V,跳变时间为0101L s;在t =5L s 时刻,G 2跳变到+12V,跳变时间为0101L s,信号电荷开始从G 1往G 2下的势阱中转移,如图3(c)所示;在t =6L s 时刻,G 1跳变到-8V,跳变时间为011L s,以给信号电荷提供足够的转移时间;维持G 1为-8V 直到t =7L s 时刻,传输过程结束,如图3(d)所示.CC D 器件在中子辐照后产生位移损伤效应,主要表现为电荷转移效率C TE 降低,从而使器件输出信号失真,严重的会导致器件功能失效.中子与Si 晶格原子发生弹性碰撞,使晶格原子离开平衡晶格点,产生空位2间隙原子对,从而在Si 禁带中部产生各种缺陷能极(深能极),这种靠近禁带中心的能级将成为载流子(电子或空穴)的陷阱,降低了CC D 器件Si 材料中的载流子浓度.中子辐照引起原子位移将产生附加的电离散射中心,降低了载流子的迁移率.此外,中子辐照引起的缺陷还形成各种复合中心,使Si 中的少子寿命下降.采用M EDICI,模拟了C CD 器件在1M eV 、14Me V 中子辐照下C TE 的变化,计算结果如图4所示.可以看出,C TE 随中子辐照注量增大而减小,当中子辐照注量小于1@1014cm -2时,电荷转移效率C TE 随中子辐照注量增加而减小缓慢,当中子辐照注量大于1@1014c m -2时,电荷转移效率C TE 随中子辐照注量增加而减小明显.且14Me V 中子的损伤情况,较之1Me V 中子严重得多.1482 电 子 学 报2007年埋沟C CD 器件携带信息的电子是N 层中的多子,而以多子为导电机理的半导体器件性能退化的主要原因是载流子去除效应.只有当缺陷俘获的电荷密度接近原掺杂浓度时,载流子去除效应才明显.由于14Me V 中子辐照产生的缺陷团总密度约为1Me V 中子的3倍,所以14MeV 中子比1Me V 的中子对电荷转移效率的影响更大.4 线阵CCD 器件总剂量与中子位移损伤效应的试验模拟自行研制了线阵C CD 辐照效应离线测试系统[4,5],分别为D UT 提供驱动信号和偏置电源,测试C CD 芯片参数;辐照板上设计3个DUT 插座,分别提供3种偏置状态:加偏置电压和驱动信号,只加偏置电压,不加偏置.建立的C CD 器件总剂量辐照效应模拟试验系统,主要包括:Co 260C 辐射源、D UT 和辐照板、测试板.试验过程中,C o 260C 的辐射剂量率为015rad/s,累积剂量每间隔1krad,对器件参数进行离线测量,包括在3种偏置状态下,器件的暗电压、饱和电压、动态范围和信噪比.在图5中,分别给出了TC D132D 暗电压、饱和电流随辐照剂量的变化.可以看出,随着辐照剂量的增大,TCD132D 的暗电流信号增大,饱和电压减小.CC D 器件的偏置状态,严重影响器件的总剂量损伤程度.在未加电情况下,累积剂量低于40krad(Si)时,器件的暗电流和饱和电压随着辐射剂量的增加,缓慢的变化.器件在偏置状态下,CC D 器件参数随辐射剂量的增加,变化较快.对于该器件的总剂量辐射损伤,存在一个较为明显的转折点,在累积辐射剂量低于~4krad(Si)时,器件饱和电压的变化相对缓慢;累积辐射剂量低于~7krad (Si)时,器件暗电流信号的变化相对缓慢;而当累积辐射剂量超过该阈值时,器件的暗电流信号迅速增大,饱和电压严重下降.此外,器件在加电状态下的损伤规律,与器件处于同时加电压加载驱动信号情况下的试验结果,大体一致.利用西安脉冲反应堆快中子装置,开展了C C D 中子位移损伤的模拟试验.在表1中,给出了辐照装置的中子环境的相关参数.进行了三次反应堆辐照效应试验,中子注量分别为1@1012n/c m 2,3@1012n/cm 2,5@1012n/cm 2,每次辐照4片CC D,其中,加电和不加电器件各两片,对编号10#的片子进行了3@1012n/cm 2和5@1012n/cm 2两种注量的累积辐照.在313ms 、8186ms 、15ms 、22m s 四种积分时间状态下,分别进行了测试,测得C CD 器件TC D1208AP 的饱和输出电位为3153V,在输出电压为半饱和电压时所对应的光强下进行C TE 的测量.表1 1#中子装置内部空间前表面处中子、C 参数的理论计算值和测量值参 数蒙特卡罗耦合抽样法离散坐标耦合求解法测量值U f @1011n.cm -2.s 21>011MeV 1.8390 1.8124 2.0104U epi @1011n.cm -2.s -1超热中子 1.09750.986430.97567U th @108n.cm-2.s -1热中子0.0532720.067700 4.7576U t @1011n.c m -2.s-12.9366 2.7989 2.9738ÛD C @10-2G y/s25.9927.0434.91U f /ÛD C @1011n/(c m 2.G y)7.0758 6.7027 5.7588E >0.01MeV 的中子损伤等效系数D 0.850)0.701E >0.1MeV 的中子损伤等效系数D 1.06) 1.02大于0.01MeV 中子谱平均能量 1.14MeV )0.85MeV 大于0.1Me V 中子谱平均能量1.4MeV)1.05MeV在表2中,给出了不同中子注量辐照后C TE 的变化,可以看出,随着中子注量的增加,转移效率明显下降,且C TE 随中子注量的变化,呈现出近似线性的关系.说明,在此辐照条件下,中子位移效应在转移沟道内产生的稳定缺陷数与中子注量具有某种线性的关系.1483第 8 期唐本奇:电荷耦合器件辐射效应理论分析与模拟试验方法研究表2 不同中子注量辐照下C TE 的变化中子注量(n/c m 2)01@10123@10125@10128@1012总的转移效率TTE97.88%93.88%81.40%74.03%64.04%单次转移效率C TE 99.99677%99.99265%99.97854%99.96916%99.95483%离线测量了1@1012n/c m 2、3@1012n/cm 2两种注量下,像元输出电压波形变化情况,如图6、图7所示,积分时间为8186ms.依据局部10个相邻像元,分别计算出辐照前的不均匀度为:0171%,注量1@1012n/c m 2的辐照后的像元不均匀度为:1167%,注量3@1012n/cm 2辐照后像元的不均匀度为5.49%.5 结论选取线阵CC D 器件,开展了光电器件辐射效应的理论分析与模拟试验方法研究.分析了CC D 器件电离效应和位移损伤机理,建立了一种国产埋沟CC D 的器件物理模型,利用二维器件模拟软件MEDIC I,模拟了该器件在三相时序脉冲驱动下的电荷包的动态转移过程以及转移效率C TE 的提取方法.建立了CC D 器件中子位移损伤效应模型,分别计算了1Me V 和14Me V 中子辐照对CC D 器件电荷转移效率C TE 的影响.建立了线阵CC D 器件辐照效应离线测量系统.利用Co 260C 源和反应堆中子,开展了商用器件的总剂量效应与中子位移损伤效应的模拟试验,给出了暗电流信号、饱和电压信号、电荷转移效率以及像元不均匀性的变化情况,得到了初步的规律.实践证明,在一定范围内,本工作所建立的数值计算与模拟实验方法,是可行和可靠的.参考文献:[1]Radeka V.Two Dimensional Transient Analysis of a BuriedCCD[J].Nucl Instr and Meth,1984,A226(2):209-218.[2]Hopkinson G R.Random teleg raph sig nals from proton irradiat 2ed CCDs[A].RADECS .93,2th European Co nference on Radi 2ation and its Effects on Components and Systems [C].Saint 2Malo,France.1993.13-16.[3]唐本奇.王祖军.张勇.肖志刚.黄绍艳.电荷耦合器件辐射损伤机理分析[J].核电子学与探测技术,2004,24(6):579-581.Tang Ben 2qi,Wang Zu 2jun,Zhang Yong.Analysis of radiation damage mechanis m of charge coupled devices [J].Nuclear Electronics &Detection Technology,2004,24(5):494-497.(in Chines e)[4]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):494-497.Zhang Yong,Tang Ben 2qi,Xiao Zhi 2gang.Desig n of offline measure sys tem fo r radiation damage effects on linear CCD [J].Nuclear Electronics &Detection Technology,2004,24(5):494-497.(in Chines e)[5]张勇.唐本奇.肖志刚.基于CPLD 通用驱动电路的设计方法[J].核电子学与探测技术,2005,25(2):214-217.Zhang Yong,Tang Ben 2qi,Xiao Zhi 2gang.Design method of general 2purpose driving circuit for CCD based on CPLD[J].Nuclear Electro nics &Detection Technology,2005,25(2):214-217.(in Chinese)作者简介:唐本奇 男,1966年生于湖南常德,1987年获武汉大学学士学位,1997年获西安交通大学半导体器件与微电子学专业博士学位,2004-2006年,在防化研究院核科学与技术博士后流动站做博士后.副研究员,硕士生导师.主要研究方向为电子产品辐射效应及其模拟技术和加固性能评估技术研究.发表论文二十余篇,获部委级科技进步一、三等奖五项.E 2m ail:tangbq@hotmail.c om1484 电 子 学 报2007年。