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图像传感器作为获取光信息的主要手段，被广泛应用于卫星对地观测、无人机对地侦查、红外夜视、机器视觉等诸多领域。半导体图像传感器主要包括两类:一类是电荷耦合器件（CCD）即CCD图像传感器，另外一类是互补金属氧化物半导体图像传感器(CIS)即CMOS图像传感器。近年来，随着CMOS工艺的不断创新突破，CMOS图像传感器的性能已经能够比肩CCD，并更多地应用于航天领域。
这些航天领域的应用对CMOS图像传感器的高可靠性能提出了更高的要求。课题以应用于空间环境下的CMOS图像传感器为研究背景，基于绝缘体上硅(SOI)工艺完成了高可靠CMOS图像传感器的设计。
首先，课题在深入研究CMOS图像传感器高可靠应用环境和CMOS图像传感器像素感光原理的基础上，创新性地提出了一种基于SOI工艺的四管(4T)型CMOS图像传感器像素结构和制作像素结构的工艺流程，并通过Sentaurus软件模拟CMOS图像传感器像素工艺流程建立了4T型有源像素的二维模型。
然后，针对所建立的4T型有源像素模型进行了光电仿真和单粒子效应的器件仿真。仿真结果显示所采用的SOI衬底可以有效地隔离衬底硅与顶层硅，从而在一定程度上遏制了因单粒子效应带来的像素之间的电荷分享效应。
接着，根据像素模型的仿真结果设计了一套完整的CMOS图像传感器读出电路:主要包括电源电路、行选择电路、相关双采样电路等，并通过电路仿真验证了各电路模块的功能。
最后，针对于使用的CMOS图像传感器像素结构以及设计的行选择电路提出了一种改进型的高可靠CMOS图像传感器卷帘式曝光读出方式。此读出方式在特定的条件下可以消除单粒子效应对CMOS图像传感器像素的影响。