随着CMOS结构的不断优化、半导体工艺的不断进步,CMOS图像传感器性能有了巨大飞跃。得益于低成本、低功耗、高集成度等优点,CMOS图像传感器已应用于越来越多的领域,在空间领域、医学领域中,CMOS图像传感器也同样发挥着重要的作用,而4T像素结构是当前CMOS图像传感器的主流像素结构之一。通常,处于空间环境的CMOS图像传感器会遭受来自X射线、γ射线、高能电子、质子以及其他重离子的辐射,这些辐射会对器件造成损伤,影响器件的性能。因此研究CMOS图像传感器的辐射损伤机理与性能退化对改善CMOS在辐射环境中的工作性能非常重要。本文针对辐射对4T CMOS图像传感器像素的损伤效应展开了器件结构优化、损伤机理分析等研究工作,主要研究工作和结果如下。基于标准CMOS工艺,利用TCAD数值仿真软件进行工艺仿真,构建了4T CMOS像素结构模型,并进行了特性仿真验证。开展了X射线总剂量辐射对4T CMOS图像传感器像素的影响研究,重点研究了阈值调整层对总剂量效应的影响、总剂量辐射对电荷转移路径的影响、传输栅偏置电压对总剂量效应的影响。研究结果表明,在X射线总剂量辐射下,相比没有采用阈值调整层的4T CMOS图像传感器像素,采用阈值调整层的像素传输栅阈值电压负向偏移减小,漏电流减小,可显著降低总剂量辐射对4T像素器件的影响。针对有阈值调整层的器件进行研究,在总剂量辐射下,电荷转移路径上的电势升高,且在PD-TG交界区域电势变化较大,易形成势阱。在3.3V偏置电压下传输栅阈值电压退化显著,-0.5V偏置电压下传输栅阈值电压退化轻微,表明较小的偏置电压可以抑制总剂量效应带来的影响。在STI与PPD区域之间添加隔离层,研究了具有不同隔离强度的STI-PPD隔离层的像素结构受总剂量辐射而产生的退化差异。研究结果表明,STI-PPD隔离层可有效减小总剂量辐射导致的暗信号,减缓满阱容量退化。开展了质子辐射位移损伤对4T CMOS图像传感器像素的影响研究,分析了质子辐射所引起输出信号、暗信号等性能方面的退化机理,研究了传感器像素中阈值调整层结构参数与质子辐射位移损伤的相关性,研究了质子辐射位移损伤对采用STI-PPD隔离层的4T CMOS图像传感器像素的影响,并研究了PPD长度对位移效应的影响。研究结果表明,质子辐射会导致像素器件输出信号的减小、暗信号的增大,较长的阈值调整层会导致较大的暗信号产生;与无STI-PPD隔离层的像素相比,有STI-PPD隔离层的像素暗信号较小;PPD长度越长,暗信号越大。