近年来，快速发展的互补金属氧化物半导体（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, CMOS）图像传感器已经拥有和电耦合器件（Charge-Coupled Device, CCD）相媲美的性能，加上其具有体积小，集成度高，功耗低，高读出速度等独特优势，在遥感成像、星敏感器和太阳敏感器等空间任务应用中正逐步取代CCD。然而，空间中高能粒子辐射会诱导CMOS图像传感器（CMOS image sensor, CIS）发生单粒子效应（Single Event Effect, SEE），影响光学相机采集图像性能甚至导致成像系统无法正常工作，严重威胁在轨卫星可靠性。近年来，CIS单粒子效应机理、试验评估方法和加固技术逐渐受到国内外关注。 目前国内外学者对CIS单粒子效应进行了初步探索，并取得了一定进展。但不同于其它大规模集成电路，CIS内部集成了光电转换、模拟信号放大、模数转换、数字处理、时序控制、数据存储、处理计算等多种不同功能的电路单元，使得其单粒子效应包括多种物理过程，呈现复杂的表现形式。而且研究者一般很难获得CIS内部电路单元的结构信息，在试验中只能通过分析异常图像研究SEE规律。因此目前对CIS单粒子效应研究还不够全面，机理认识不够深入，难以为CIS的SEE评估及加固技术提供理论与技术支撑。具体表现在：1）CIS像素阵列SEE试验数据不足，导致对单粒子瞬态（Single Event Transient, SET）亮斑产生机理与特征规律缺乏深入认识；2）因CIS像素阵列结构的特殊性，目前对CIS SET亮斑沉积能量仿真研究较少，难以深入探讨SET亮斑参数变化的影响因素；3）对SEE不同物理过程导致CIS异常图像的表现形式和特征分析较少，没有建立异常图像模式和特征与内部不同电路单元的对应关系；4）未实现CIS不同SEE现象的分类统计和分析，导致SEE评估缺少相应的方法和判据。 本文针对现有国内外CIS SEE研究中存在的问题，利用建立的CIS单粒子效应测试系统，对CIS开展系统的单粒子效应试验研究。试验样品选用国产科学级前照式（Front-Side Illuminated, FSI）、背照式（Back-Side Illuminated, BSI）CIS，和CMOSIS公司生产的用于星敏感器的CMV4000。主要研究内容包括：1）通过开展不同线性能量传输(Linear Energy Transfer, LET)的重离子、不同能量高能质子对FSI和BSI CIS像素单元的辐照试验，分析SET亮斑产生机理，获得不同条件下SET亮斑特征规律；2）利用Geant4仿真质子辐射FSI和BSI CIS像素单元SET亮斑沉积能量，研究器件工艺、结构参数对SET亮斑沉积能量影响；3）以FSI CIS为研究对象，采用重离子宽束分区域辐照试验、脉冲激光定位和电路分析相结合的方法，对其读出电路单粒效应异常图像进行特征分析和敏感定位；4）研究重离子辐照下CIS SEE模拟试验方法。取得的主要结果如下： (1) 揭示了重离子和质子辐照CIS产生SET亮斑的机理，获得了CIS SET亮斑的形状、收集电荷量、尺寸特征与器件工作模式、曝光时间、粒子种类、粒子LET/能量、器件结构之间的关系。SET亮斑形状主要与器件工作模式、曝光时间和粒子种类有关；SET亮斑收集电荷量和尺寸受粒子种类、粒子LET/能量、器件结构等参数影响。 (2) 采用Geant4仿真质子辐射国产科学级FSI和BSI CIS 产生的SET亮斑沉积能量，结果显示BSI CIS中SET亮斑沉积能量分布曲线相比FSI CIS左移，仿真结果与试验结果吻合较好。进一步仿真分析表明二者差别主要受BSI CIS钳位光电二极管（Pinned Photodiode, PPD）耗尽区深度减小和外延层减薄的影响，几乎不受金属层影响。 (3) 分析了CIS单粒子效应（SEU、SEFI、SEL）异常图像的典型特征，建立了异常图像特征与读出电路功能单元的对应关系，获得了CIS单粒子效应成像性能退化规律。研究表明，CIS SEU敏感单元包括寻址电路、数字控制信号缓冲器和串行外设接口(Serial Peripheral Interface, SPI)寄存器中ADCCNT寄存器；CIS SEFI敏感单元包括SPI寄存器中控制低压差分信号（Low-Voltage Differential Signaling, LVDS）输出模式寄存器；CIS SEL敏感单元包括列测试电路、行寻址电路电平转换器和模数转换模块。 (4) 获得试验样品不同SEE事件截面随重离子LET的关系，初步建立CIS重离子SEE试验方法。本文取得的主要创新点包括：揭示了质子和重离子辐照产生SET亮斑的物理机理，阐明了器件工艺和结构参数对SET亮斑的影响机制；初步建立CIS重离子SEE试验方法。上述成果为CIS单粒子效应评估方法及加固技术提供了理论基础与技术支撑｡