📚 课程目录第1章像素基础

1、像素基础：从光子到电子的旅程——光电效应与像素结构概述

各位好，欢迎来到这门课的第一章。

做图像传感器设计这么多年，我始终觉得，理解像素就像理解一个微型生命体。它怎么呼吸？怎么把光变成电？这些底层逻辑决定了你最终能做出什么样的芯片。

今天咱们就从最根本的物理效应讲起，然后看看一个像素到底长什么样。

说白了，图像传感器干的事就一件：把光子变成电子。这个转换过程的核心，就是光电效应。

核心公式：

当光子能量 hν 大于半导体禁带宽度 E_g 时，价带电子跃迁到导带，产生电子-空穴对。

hν ≥ E_g

这里有个关键点：不是所有光子都能被吸收。能量低于禁带宽度的光子，直接穿透硅材料，啥也干不了。这就是为什么硅基传感器对近红外光天生不敏感——硅的禁带宽度是1.12 eV，对应的截止波长大约在1100 nm左右。

我刚开始做像素设计时，犯过一个低级错误。当时想提升近红外响应，单纯加大了像素尺寸，结果暗电流飙升得一塌糊涂。后来才明白，吸收深度才是关键。长波长光子在硅中穿透更深，需要更深的耗尽区才能有效收集。

设计提示：

我个人习惯在像素设计初期，先用TCAD模拟一下不同波长的量子效率曲线。这能帮你提前判断：你的像素结构到底能“抓住”多少光子。

一个典型的CMOS图像传感器像素，可以拆成几个功能模块。你想想看，光子进来后，要经过吸收、收集、转移、读出这几个步骤。

下面这张图是我自己画的像素结构概览，帮你建立整体印象。

嗯，这里要注意：微透镜和滤光片虽然不直接参与光电转换，但它们决定了有多少光子能到达光电二极管。我见过不少设计，光电二极管做得很好，但微透镜工艺没调好，量子效率直接掉了20%。

评价一个像素好不好，我一般先看三个指标。这三个参数互相制约，你很难同时做到最优。

避坑指南：

我曾经在一个项目里，为了追求高填充因子，把读出晶体管做得特别小。结果呢？随机噪声大得离谱，低光照下图像全是雪花点。记住：像素设计是系统工程，不能只看一个指标。

目前主流的光电二极管结构有三种。我按自己的经验给你排个序：

类型	暗电流	噪声	转移效率	工艺复杂度
钉扎光电二极管	极低	低	高	中等
标准PN结	高	高	中等	低
埋沟光电二极管	低	中等	极高	高

我个人习惯，只要工艺允许，一律用PPD。虽然多了一层注入，但换来的是低噪声和低暗电流，值了。

量子效率（QE）是衡量像素“视力”的核心指标。它定义很简单：

QE = 收集到的电子数 / 入射光子数

但实际设计中，QE受三个因素影响：

你想想看，一个光子进来，先被微透镜反射掉5%，再被滤光片吸收掉30%，最后到硅里还不一定能产生电子——这就是为什么实际QE永远到不了100%。

我记得有一次做近红外增强设计，客户要求850 nm处QE达到40%。我们试了各种方案：加厚外延层、优化抗反射涂层、调整钉扎层浓度。最后发现，外延层厚度和掺杂浓度的匹配才是关键。厚度不够，长波长光子直接穿透；掺杂太高，载流子复合太快。

实战技巧：

做QE优化时，我建议你先用光学仿真软件（比如FDTD）算一遍光学损失，再用TCAD算一遍电学收集效率。两个结果一叠加，你就知道瓶颈在哪了。

这一章我们走完了从光子到电子的完整旅程。核心就三件事：