2. 光电转换基础

图像传感器的核心任务，是把入射光子的数量与空间分布，转换为可读出的电信号。要理解这一过程，必须从光子的能量本质出发，经过光电效应、能带理论、半导体吸收机制，最终落到量子效率这一关键指标上。本节将沿着“光子→电子”的物理链路，建立完整的知识框架。

一、光子的能量本质

光具有波粒二象性。在光电转换语境下，我们更关注其粒子性：光子携带一份离散的能量，其大小由频率决定：

E = hν = hc / λ

h  = 6.626×10⁻³⁴ J·s（普朗克常数）
c  = 3×10⁸ m/s（真空光速）
λ  = 波长（m）
ν  = 频率（Hz）

由公式可见，波长越短，单个光子能量越高。例如，蓝光（450 nm）光子能量约 2.76 eV，红光（650 nm）约 1.91 eV，近红外 850 nm 约 1.46 eV。这一数值直接决定了光子能否激发半导体中的电子跃迁。

二、光电效应与内光电效应

外光电效应指光子照射金属表面，电子逸出形成光电流，需要克服逸出功。图像传感器主要依赖的是内光电效应：光子能量被半导体吸收后，将价带电子激发到导带，产生电子-空穴对，载流子仍在材料内部参与导电。

内光电效应发生的必要条件为：

hν ≥ Eg

Eg = 半导体禁带宽度（eV）
Si 的 Eg ≈ 1.12 eV（300 K）
对应截止波长 λc = 1240 / Eg ≈ 1107 nm

这意味着硅基图像传感器对波长大于约 1100 nm 的光几乎不响应，这是其物理极限，而非工艺缺陷。

三、能带理论与PN结

半导体中，电子能量被划分为价带、禁带和导带。价带被电子填满，导带为空或部分填充，禁带是电子不能稳定存在的能量区间。当光子能量大于 Eg，价带电子跃迁至导带，留下空穴，形成可被电场分离的载流子。

在 PN 结中，内建电场会将光生电子和空穴分别推向两侧，形成光电流。图像传感器像素正是利用这一机制：光子进入耗尽区，产生电子-空穴对，电子被收集到势阱中，最终转换为电压信号。

四、半导体光吸收机制

光子进入半导体后，并非全部被吸收。吸收过程主要分为三类：

• 本征吸收：hν ≥ Eg，价带电子跃迁至导带，是图像传感器最希望发生的过程。
• 杂质吸收：光子激发杂质能级上的电子或空穴，能量阈值低于 Eg，但效率有限。
• 自由载流子吸收：光子被导带或价带内已有载流子吸收，不产生新载流子，属于损耗机制。

吸收深度与波长密切相关。短波蓝光在硅表面数百纳米内即被吸收，而长波红光和近红外光穿透更深，需要更厚的耗尽区才能有效收集。这也是背照式（BSI）和深沟槽隔离（DTI）结构被广泛采用的原因。

五、量子效率定义与关键参数

量子效率（Quantum Efficiency, QE）是衡量图像传感器光电转换能力的核心指标，定义为产生的光生电子数与入射光子数之比。实际工程中常区分以下参数：

六、案例与常见误区

案例：某 1.4 μm 像素在 850 nm 近红外下 QE 仅 15%，而在 550 nm 绿光下 QE 达 65%。原因在于 850 nm 光子在硅中吸收深度超过 10 μm，而像素耗尽区仅约 2～3 μm，大量光生载流子产生于电场之外，未能被有效收集。解决方案包括增加硅厚度、采用深耗尽结构或背面入射。

常见误区：

• 误以为“光越强 QE 越高”。QE 是比值，与光强无关，强光下反而可能因饱和而下降。
• 混淆 EQE 与 IQE。前者包含光学损失，后者只反映材料内部转换效率。
• 忽略波长依赖性。单一 QE 数值无法描述全波段性能，必须看 QE 曲线。
• 认为硅可以响应所有可见光与近红外。实际上超过约 1100 nm 硅基本不响应。

综上，从光子能量到量子效率，光电转换是一条严格的物理链路：光子能量决定能否激发跃迁，能带结构决定吸收阈值，半导体吸收机制决定载流子产生位置，PN 结电场决定收集效率，而量子效率则是整条链路的最终量化表达。理解这一链路，是后续学习像素结构、噪声模型和工艺优化的基础。