📚 课程目录第2章像素的基石

2、像素的基石：光电效应与感光二极管的工作原理

各位同学，今天我们来聊聊图像传感器最底层的物理基础。说白了，一个像素能“看见”光，靠的就是光电效应和感光二极管。这两个概念，是理解整个图像传感器工作原理的起点。

我记得刚入行那会儿，带我的老工程师跟我说过一句话：“你先把光电效应吃透了，后面所有关于噪声、量子效率、动态范围的问题，你都能找到根。” 当时我不太理解，后来做了几个项目才明白——这话一点不假。

光电效应，简单讲就是光照射到某些材料上，会把材料里的电子“打”出来。这个现象最早由赫兹发现，后来爱因斯坦用光子理论完美解释，还拿了诺贝尔奖。

你想想看，光其实是一份一份的能量包，我们叫它“光子”。每个光子携带的能量由它的频率决定：

E = h × ν

其中 h 是普朗克常数，ν 是光的频率。频率越高（比如蓝光），光子能量越大；频率越低（比如红光），能量越小。

当光子打到半导体材料（比如硅）上时，如果它的能量大于材料的“禁带宽度”，就能把价带里的电子激发到导带，产生一个电子-空穴对。这就是光电效应的核心。

关键点：硅的禁带宽度约为 1.12 eV。这意味着波长大于 1100 nm 的红外光，光子能量不够，无法激发电子。这就是为什么普通硅传感器对红外光不敏感的原因。

我在项目中遇到过一个问题：客户要求传感器能响应近红外光，但我们的标准工艺做出来的芯片响应率很低。后来我们换了背面减薄+特殊掺杂的工艺，才把近红外响应提上来。嗯，这就是光电效应对材料选择的直接影响。

有了光电效应这个物理基础，我们怎么在芯片上实现它呢？答案就是——感光二极管。

感光二极管，本质上就是一个 PN 结。P 型区空穴多，N 型区电子多，中间形成一个耗尽层。当光照射到耗尽层时，产生的电子-空穴对被内建电场分离，形成光电流。

在图像传感器里，我们用的感光二极管有几个关键参数：

实战经验：我建议你在选型时，重点关注量子效率和暗电流这两个参数。QE 决定了灵敏度，暗电流决定了暗场噪声。有一次我们为了追求高 QE，用了深耗尽结构，结果暗电流翻了一倍，得不偿失。后来我们做了工艺优化，才找到平衡点。

单个感光二极管还不能直接当像素用。我们需要把它和读出电路集成在一起，才能把光生电荷转换成电压信号。

典型的 CMOS 像素结构包含以下几个部分：

下面这张图展示了 4T 像素的结构和信号读出流程：

这个 4T 结构是目前 CMOS 图像传感器的主流方案。它比早期的 3T 结构多了个传输管，能实现全局快门和更好的噪声性能。

注意：传输管的设计非常关键。如果 TX 的驱动电压不够高，电荷转移会不彻底，产生“残影”现象。我曾经在一个项目中，因为 TX 电压设计偏低，导致高帧率下出现拖尾，查了整整两周才定位到问题。

衡量一个像素“光转电”的效率，最核心的指标就是量子效率 (QE)。

QE 的定义很简单：

QE = (产生的电子数) / (入射光子数) × 100%

但实际中，QE 受很多因素影响：

我建议你在评估传感器时，一定要看它的 QE 曲线。不同波长的 QE 差异很大，直接影响色彩还原和低照度性能。

暗电流，就是没有光照时像素产生的电流。它来源于热激发、缺陷、隧穿效应等。

暗电流的危害很明显：

避坑指南：我曾经在一个安防项目中，客户要求长曝光 10 秒。我们选的传感器常温暗电流是 50 e-/s，算下来 10 秒就有 500 个暗电子，加上读出噪声，暗场已经能看到明显的颗粒感了。后来我们用了制冷方案，把温度降到 0°C，暗电流降到 5 e-/s 以下，问题才解决。

好了，这一章的内容就这些。光电效应是物理基础，感光二极管是实现手段，像素结构是工程集成。这三层关系，你搞清楚了，后面讲噪声、动态范围、色彩还原的时候，就不会觉得突兀。

记住一句话：像素的本质，就是一个能把光子数精确转换成电子数的器件。 所有后续的图像质量优化，都是围绕这个转换过程的精度和效率展开的。