近几年，互补金属氧化物半导体（complementary metal oxide semiconductor, CMOS）图像传感器制造技术不断优化、革新，性能显著提升，在成像质量方面大有赶超电荷耦合器件（CCD）之势，其在民用市场的占有率具有统治地位，高达90%。加之具有高集成度、低功耗、高速率等优势，吸引了高端应用市场的关注，其中就包括空间领域。尽管相对于CCD成像器件，CMOS图像传感器具有较强的抗空间累积辐射效应能力，然而随着累积辐射损伤增加， CMOS图像传感器暗电流、光谱响应、满阱容量等关键参数仍会出现严重退化，导致成像质量下降，甚至功能失效，降低空间光电探测器的使用寿命。为了理解累积辐射损伤机制并探索理想的抗辐射加固技术，以保证器件寿命满足空间任务需求，从20世纪末开始，国内外相继展开了针对CMOS图像传感器的总剂量效应和位移效应研究，并取得一系列重要研究成果。对大量研究成果进行调研和总结后，我们发现暗电流来源、热像素产生机制等问题亟待解决，另外CMOS图像传感器制造工艺发展日新月异，新型器件的出现与应用必将带来新的辐射损伤问题，因此我们在前人的基础上，用目前应用较为广泛的0.18μm标准工艺4T CMOS图像传感器作为研究对象，开展了总剂量效应和位移效应研究工作。总剂量效应研究中，选取钴-60 γ射线和低能1.1MeV电子作为辐射源，主要关注暗电流、满阱容量、光谱响应和噪声等特征参数随累积电离损伤的退化表现，结合不同温度退火试验，分析辐射感生界面陷阱电荷与氧化物陷阱电荷在各个参数退化中所扮演角色；另外通过改变传输栅电压，对传输栅界面处表面产生电流占整体暗电流比例进行了量化测试。研究结果表明，正氧化物陷阱电荷引入附加电场是满阱容量下降的主要原因；而暗电流增长、光谱响应退化以及噪声增加则是由界面陷阱电荷引起，暗电流产生机制符合SRH复合理论。通过测试发现，在正常工作模式下，传输栅界面处表面产生暗电流能占到整体暗电流的50%，影响巨大。因此，在不影响器件性能的情况下，降低传输栅工作电压可有效抑制整体暗电流。位移效应的研究中，以质子和中子作为辐射源，除了之前电离效应研究中提到的几个参数，还需要重点研究热像素的产生机理。辐照试验结果表明位移损伤同样可以导致暗电流增长、光谱响应退化以及噪声增加，同时产生热像素。位移损伤缺陷对CMOS图像传光谱响应感器的参数退化影响与其产生位置密切相关，位于光电二极管耗尽区禁带中央附近的位移损伤缺陷作为产生中心增强载流子产生率导致暗电流增长；而位于光电二极管中性区的缺陷则可作为复合中心增大载流子复合率导致光谱响应退化。研究结果表明，团簇缺陷是热像素产生对的主要因素，结合高温等时退火试验结果，团簇缺陷中的磷空位缺陷对暗电流增长起到主导作用。通过变温试验发现，暗电流、满阱容量以及热像素均为温度敏感参数，工程应用中可以适当降低温度，减小辐射损伤对CMOS图像传感器成像质量的影响。综上所述，通过不同粒子的辐照试验研究，结合参数退化规律分析，我们在4T CMOS图像传感器的电离损伤导致暗电流增长、光谱响应退化以及位移损伤导致热像素产生机制等方面有了进一步认识，并且了解到选择合适的工作模式和环境温度可有效抑制辐射损伤，这些研究成果对工程应用具有指导性作用。