2. 光与半导体基础

图像传感器之所以能把“看到的画面”变成“可计算的数字”，根源在于光与半导体之间的一次能量交换。CCD 与 CMOS 虽然读出方式不同，但它们的感光起点完全一致：光子进入硅，被吸收，激发电子，形成可被收集的电荷。理解这条物理链路，是理解量子效率、灵敏度、噪声和光谱响应的前提。

一、光子：携带能量的最小光单位

光具有波粒二象性。在图像传感器语境中，我们更关心它的粒子性：光子携带一份离散能量，单个光子能量由普朗克关系决定：

E = h · ν = h · c / λ

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

由公式可见，波长越短，单光子能量越高；波长越长，单光子能量越低。例如 450 nm 蓝光单光子能量约 2.76 eV，550 nm 绿光约 2.25 eV，650 nm 红光约 1.91 eV，而 850 nm 近红外仅约 1.46 eV。这个数值直接决定了硅能否“接住”它。

二、光电效应与能带理论：硅为什么能感光

半导体硅的电子占据能带。价带中的电子被共价键束缚，导带中的电子可以自由移动参与导电。二者之间是禁带，硅的禁带宽度约为 1.12 eV（室温）。当光子能量大于或等于禁带宽度时，价带电子吸收光子后跃迁到导带，同时在价带留下一个空穴，形成“电子—空穴对”。这就是内光电效应，也是硅基光电转换的物理本质。

由此可推出硅的截止波长：

λc = h · c / Eg = 1240 / 1.12 ≈ 1107 nm

Eg = 1.12 eV（硅室温禁带宽度）
1240 = h·c 换算为 eV·nm 的常数

也就是说，波长长于约 1100 nm 的光子，即使照进硅中，也无法把电子从价带激发到导带，硅对它们基本“透明”。这就是硅图像传感器在近红外长波端响应迅速下降的根本原因。

三、量子效率：一个光子能换来多少电子

量子效率（Quantum Efficiency，QE）定义为收集到的电子数与入射光子数之比：

QE = 收集电子数 / 入射光子数 × 100%

外量子效率 EQE：包含表面反射、吸收损失后的实际比例
内量子效率 IQE：只统计被硅吸收的光子中有多少转化为可收集载流子

QE 不是固定值，它随波长变化。典型硅图像传感器在 500～600 nm 绿光附近 QE 最高，可达 60%～80%；蓝光端因表面复合和吸收深度极浅而下降；近红外端因硅吸收系数变小、光子穿透太深而下降。因此，QE 曲线是评价传感器光谱能力的关键参数。

四、硅基光电转换的完整链路

从光子到数字信号，硅基图像传感器经历以下物理与电路过程：

1. 入射与透射：光经过微透镜、彩色滤光片、抗反射层进入硅表面。
2. 吸收：硅吸收光子，吸收深度与波长相关，蓝光约 0.1～0.3 μm，红光约 1～3 μm，近红外可达数十微米。
3. 激发：光子能量 ≥ Eg 时产生电子—空穴对。
4. 收集：耗尽区电场将电子扫入势阱，空穴被排走。
5. 转换：电荷经浮置扩散节点转为电压，再经放大、采样、量化成为数字码值。

五、案例与场景：为什么近红外相机更贵、更“吃力”

在安防监控、机器视觉和生物成像中，常需要 850 nm 或 940 nm 近红外补光。此时单光子能量仅约 1.46 eV 和 1.32 eV，虽仍高于硅的 1.12 eV，但硅的吸收系数已大幅下降。光子会穿透到硅深处，产生的载流子远离表面耗尽区，收集效率降低，串扰增加，QE 明显下滑。为改善这一点，工程上常采用：

• 加厚外延层或使用高阻硅，扩大耗尽区体积；
• 背面照射（BSI）结构，让光从背面进入，缩短载流子收集路径；
• 深沟槽隔离，抑制相邻像素间的近红外串扰；
• 提高抗反射层在近红外的透射率。

六、常见误区与复盘

误区	正确理解
“光越强，QE 越高”	QE 是比例，与光强无关；光强影响的是信号绝对量，不是转换比例。
“所有波长都能被硅感光”	只有光子能量 ≥ 1.12 eV，即波长 ≤ 约 1100 nm 的光才能激发硅。
“QE 越高，图像一定越好”	QE 高有利于灵敏度，但还要看噪声、暗电流、串扰和动态范围。
“蓝光更容易被吸收，所以蓝光 QE 最高”	蓝光吸收太浅，表面复合严重，实际 QE 往往低于绿光。

光与半导体的相互作用，是 CCD 与 CMOS 共同的物理地基。光子带来能量，能带决定门槛，吸收深度决定位置，量子效率决定产出。后续讨论像素结构、读出噪声和色彩还原时，都会反复回到这条链路。