3. 图像传感器类型
图像传感器的核心任务，是把入射光子转换为可读出的电信号。不同器件类型在“光子在哪里被吸收、电荷如何被收集、信号如何被放大与读出”这三个环节上采取了不同策略，因而在灵敏度、速度、噪声、功耗、工艺兼容性和应用场景上形成明显差异。理解 CCD、CMOS、SPAD 与量子点图像传感器的光电转换特点，是后续讨论量子效率提升路径的基础。
本节主线：光子吸收 → 电荷产生 → 电荷收集/倍增 → 信号读出。四类器件的差异，本质上都发生在这条链路上。
一、CCD：电荷耦合转移的“模拟搬运工”
CCD 的基本单元是 MOS 电容。光子进入硅体后产生电子-空穴对，少数载流子被势阱收集，形成与光强成正比的电荷包。读出时，电荷包在时钟脉冲驱动下逐级耦合转移，最终到达输出端统一进行电荷-电压转换。由于整个像素阵列没有有源放大电路，CCD 的填充因子和量子效率通常很高，噪声也较低，适合科学级弱光成像。但其代价是必须连续转移电荷，功耗大、读出速度受限，且难以与复杂数字电路单片集成。
二、CMOS：像素内放大的“并行读出者”
CMOS 图像传感器在每个像素内集成了光电二极管和源极跟随器，光生电荷先转换为电压，再通过行列寻址并行读出。这种结构天然支持随机访问、开窗读出和高速成像，功耗远低于 CCD，且能与外围电路高度集成。其不足在于像素内晶体管占用面积，填充因子和满阱容量受限；同时每个像素都有独立放大与复位路径，固定模式噪声和读出噪声需要靠相关双采样、列并行 ADC 等技术抑制。
三、SPAD：单光子触发的“雪崩探测器”
SPAD 将 PN 结偏置在击穿电压以上，单个光子进入耗尽区即可触发雪崩倍增，输出一个可被数字电路直接计数的脉冲。它不测量光强模拟量，而是记录光子到达时刻和次数，因此具备单光子灵敏度和皮秒级时间分辨率。SPAD 的难点在于淬灭与恢复：每次雪崩后必须迅速降低偏压使雪崩停止，再重新充电等待下一个光子。死区时间、后脉冲和串扰会限制最大计数率，需要通过工艺和电路协同优化。
四、量子点图像传感器：带隙可调的“材料方案”
量子点图像传感器用胶体量子点薄膜替代传统硅吸收层。量子点尺寸决定其带隙，从而调控吸收截止波长，可在短波红外等硅响应较弱的波段获得高量子效率。其优势是溶液法可低成本大面积制备，并可与 CMOS 读出电路耦合。当前主要挑战包括材料稳定性、铅毒性替代、暗电流控制以及与读出电路的界面工程。
五、四类器件关键参数对比
| 对比维度 | CCD | CMOS | SPAD | 量子点 |
|---|---|---|---|---|
| 光电转换核心 | 势阱收集+电荷转移 | 光电二极管+像素内放大 | 雪崩倍增 | 量子点吸收+带隙调控 |
| 输出形式 | 模拟电荷/电压 | 模拟电压 | 数字脉冲 | 模拟电流/电压 |
| 灵敏度 | 高 | 中高 | 单光子级 | 取决于材料与结构 |
| 时间分辨率 | 较低 | 中 | 皮秒级 | 中 |
| 功耗 | 高 | 低 | 中 | 低 |
| 集成度 | 低 | 高 | 中高 | 中 |
| 典型波段优势 | 可见-近红外 | 可见-近红外 | 可见-近红外 | 短波红外可调 |
六、案例与场景：如何按需求选型
- 天文弱光成像：优先 CCD 或科学级 CMOS，关注量子效率、暗电流和读出噪声。
- 手机与安防：CMOS 凭借低功耗、高集成和成本优势成为绝对主流。
- 激光雷达与飞行时间测距：SPAD 阵列可提供单光子灵敏度和直接飞行时间测量。
- 短波红外与柔性探测：量子点方案在波段可调和低成本大面积方面具备潜力。
选型口诀：要弱光低噪看 CCD，要高速低功耗看 CMOS，要单光子计时看 SPAD，要波段可调看量子点。
七、常见误区与复盘
误区一：“CMOS 量子效率一定低于 CCD。”实际上背照式、堆栈式 CMOS 已大幅提升填充因子和量子效率，部分科学级 CMOS 已接近 CCD 水平。
误区二：“SPAD 可以像普通像素一样输出灰度。”SPAD 输出的是光子到达事件，需通过多次计数统计才能还原光强，死区时间会压缩动态范围。
误区三：“量子点传感器只是换材料。”量子点与读出电路之间的能带匹配、界面钝化和暗电流抑制，往往比材料本身更决定最终性能。
从光电转换链路看，CCD 强在电荷转移的模拟精度，CMOS 强在像素内放大与集成，SPAD 强在单光子触发与时间标记，量子点强在材料带隙可调。理解这四类器件在“吸收—收集—倍增—读出”各环节的取舍，才能在具体应用中判断量子效率提升应优先从结构、电路还是材料入手。