2. 光电效应基础：半导体的光吸收机制、内光电效应与外光电效应、量子效率（QE）的概念、光谱响应曲线
各位同学，咱们今天聊点实在的。图像传感器说到底，就是个「光转电」的器件。你想想看，光怎么变成电？这背后的物理基础，就是光电效应。
我当年刚入行时，总觉得这东西太理论，跟实际画版图、调时序没啥关系。直到有一次，我设计的一个传感器在近红外波段死活提不上灵敏度，折腾了两周，最后发现是衬底掺杂浓度选错了，光根本穿不到耗尽区。嗯，从那以后，我再也不敢小看光电效应了。
2.1 半导体的光吸收机制
光打进半导体里，会发生什么？说白了，就是光子把能量传给电子。
但这里有个门槛——禁带宽度（Eg）。光子的能量必须大于等于 Eg，才能把价带电子「踢」到导带去。否则，光就穿过去了，啥事没有。
核心公式：
E = hν = hc / λ
其中 h = 4.135667×10⁻¹⁵ eV·s，c = 2.998×10⁸ m/s
代入可得：λ (μm) ≈ 1.24 / E (eV)
也就是说，硅的 Eg ≈ 1.12 eV，对应的截止波长 ≈ 1.1 μm。超过这个波长，硅就「看不见」了。
光吸收的深度也很有讲究。我习惯用吸收系数 α 来描述：
I(x) = I₀ · exp(-α · x)α 越大，光在表面就被吃掉了，穿透深度就浅。蓝光（450 nm）的 α 很大，穿透深度只有 0.2 μm 左右；红光（650 nm）能走到 3-5 μm；近红外（900 nm）能走到 20-30 μm。
这个特性直接影响像素设计。你想想看，如果做背照式（BSI）传感器，光从背面进来，那耗尽区就得靠近背面。我做过一个项目，正面照光的老工艺，蓝光响应一直上不去，就是因为光在表面多晶硅层就被吸收完了，根本到不了耗尽区。
| 波长 (nm) | 颜色 | 硅吸收系数 α (cm⁻¹) | 穿透深度 (μm) |
|---|---|---|---|
| 450 | 蓝 | ~10⁴ | ~0.2 |
| 550 | 绿 | ~5×10³ | ~0.5 |
| 650 | 红 | ~3×10³ | ~3 |
| 850 | 近红外 | ~5×10² | ~20 |
| 940 | 近红外 | ~10² | ~100 |
实战经验：设计近红外增强型传感器时，记得把外延层厚度加厚到 10-20 μm。我曾经用 6 μm 外延做 940 nm 应用，量子效率只有 15%，换成 15 μm 外延后直接干到 40%。
2.2 内光电效应与外光电效应
这两个概念容易搞混。我简单说说：
- 外光电效应：光把电子打出材料表面，跑到真空里去了。典型应用就是光电倍增管（PMT）。电子跑出去了，所以叫「外」。
- 内光电效应：光把电子从价带激发到导带，但电子还在材料内部。CCD 和 CMOS 传感器用的就是这种。电子没跑出去，只是在内部变成了自由载流子。
咱们做图像传感器的，只关心内光电效应。具体来说，又分两种：
- 本征吸收：光子能量 > Eg，价带→导带，产生电子-空穴对。这是主力。
- 杂质吸收：光子把杂质能级上的电子激发到导带。效率低，一般不考虑。
我记得刚带团队时，有个新人问我：「为什么 CCD 的量子效率比 CMOS 高？」其实根本原因之一，就是 CCD 的耗尽区更深、更干净，光生载流子被复合的概率更低。这就是内光电效应的工程体现。
避坑指南：我曾经在评估一个 0.18 μm 工艺的 CIS 方案时，发现近红外响应异常低。查了半天，发现是工艺的 P 型外延层掺杂浓度太高（>10¹⁶ cm⁻³），导致耗尽区宽度只有 0.5 μm。光生少子还没被收集就被复合了。后来换成低掺杂外延（~10¹⁴ cm⁻³），耗尽区扩展到 3 μm，响应立马正常。
2.3 量子效率（QE）的概念
量子效率，英文叫 Quantum Efficiency，简称 QE。定义很简单：
QE = 收集到的电子数 / 入射光子数但实际工程中，我们通常用百分比表示。比如 QE = 50%，意思就是每 100 个光子打进来，能收集到 50 个电子。
这里要注意，QE 不是 100% 的。原因有三：
- 反射损失：光在硅表面会反射掉一部分。裸硅反射率约 30-40%，镀增透膜后可以降到 5% 以下。
- 透射损失：波长太长，光子能量不够，直接穿透硅片跑掉了。
- 复合损失：光生载流子在扩散到耗尽区的路上被复合掉了。
我习惯把 QE 拆成三个因子的乘积：
QE(λ) = T(λ) · η_abs(λ) · η_col(λ)其中 T 是透射率（1 - 反射率），η_abs 是吸收效率（光被吸收的比例），η_col 是收集效率（被吸收的光子中，有多少变成了可收集的电子）。
工程经验：量产传感器的 QE 通常在 30%-70% 之间。背照式（BSI）可以做到 80% 以上。科学级 CCD 甚至能到 95% 以上（背照+镀膜）。
2.4 光谱响应曲线
光谱响应曲线，说白了就是 QE 随波长变化的曲线。这是评估传感器性能最重要的图表之一。
典型的硅基传感器光谱响应曲线长这样：
- 蓝光段（400-500 nm）：QE 较低，因为蓝光在表面就被吸收了，而表面复合速度高，载流子容易被复合掉。
- 绿光段（500-600 nm）：QE 最高，因为光穿透深度适中，刚好在耗尽区被吸收。
- 红光段（600-700 nm）：QE 开始下降，因为光穿透更深，部分载流子在扩散区产生，收集效率降低。
- 近红外段（700-1000 nm）：QE 急剧下降，到 1100 nm 附近归零（硅的截止波长）。
我做过一个项目，客户要求 400-1000 nm 的 QE 都要 > 40%。这很难，因为蓝光和近红外天生就弱。最后我们用了三层方案：表面做蓝光增强的减反膜，外延层加厚到 20 μm，背面做近红外增透结构。折腾了三个月，总算达标了。
小技巧：看光谱响应曲线时，重点关注三个点：峰值 QE 值、峰值波长、以及半高全宽（FWHM）。这三个参数基本决定了传感器的感光能力。
下面这张图，是我手绘的光电效应与光谱响应知识结构，帮你理清思路：
最后说一句，理解光电效应，不是为了考试，是为了在实际项目中能快速定位问题。比如你发现某个波段的响应不对，第一反应应该是：是反射问题？吸收问题？还是收集问题？这三个方向排查下来，基本就能找到根因。