3、量子效率(QE)定义与测量:光谱响应曲线、QE的波长依赖性、标准测量方法与设备

量子效率,简称QE,是衡量图像传感器光电转换能力最核心的指标。说白了,它回答了一个问题:打进来的光子,有多少被转化成了电子?

我刚开始接触传感器时,总觉得QE就是个百分比数字。后来在项目中吃过亏才明白——QE不是单一数值,而是一条曲线。不同波长的光,传感器的响应天差地别。

3.1 量子效率的物理定义

先看公式。量子效率的定义很简单:

QE(λ) = 收集到的电子数 / 入射光子数 × 100%

这里λ代表波长。注意是收集到的电子,不是产生的电子。有些电子在传输过程中会丢失,这部分不算。

举个例子。假设有1000个波长为550nm的光子打到像素上,最终读出电路测到了800个电子。那么QE(550nm) = 80%。

关键区分:

  • 外部量子效率(EQE):考虑入射到传感器表面的所有光子,包括被反射、散射的部分
  • 内部量子效率(IQE):只考虑进入硅材料内部的光子,排除了表面反射损失

我一般更关注EQE,因为它直接决定了最终的信噪比和灵敏度。

3.2 光谱响应曲线

光谱响应曲线,就是QE随波长变化的曲线。它长什么样?

典型的硅基图像传感器,QE曲线大致呈钟形。峰值通常在500-600nm附近,对应绿光区域。往蓝光方向(400nm以下)和红光方向(700nm以上),QE都会下降。

为什么会这样?

  • 短波(蓝光):光子能量高,但穿透深度浅。大部分在表面就被吸收了。而表面区域复合中心多,电子还没被收集就没了。
  • 长波(红光、近红外):光子能量低,穿透深度深。很多光子直接穿过光电二极管区域,根本没被吸收。
  • 中波(绿光):穿透深度刚好匹配光电二极管的耗尽区厚度,吸收效率最高。

我记得有一次做近红外增强项目,客户要求在940nm处QE达到30%以上。常规工艺只能做到15%左右。我们折腾了三个月,最后通过增加外延层厚度和优化背面减薄工艺才勉强达标。嗯,这个后面讲工艺时会细说。

3.3 QE的波长依赖性

波长依赖性不是随便说说的,它直接影响传感器的应用场景。

波长范围 典型QE范围 主要影响因素 应用场景
400-450nm(蓝) 30%-60% 表面复合、抗反射膜 荧光成像、机器视觉
500-600nm(绿) 60%-80% 耗尽区厚度、量子效率峰值 日常拍照、安防监控
600-700nm(红) 40%-70% 硅吸收系数、像素深度 医疗内窥、工业检测
800-1000nm(近红外) 10%-40% 硅带隙、背面照明 激光雷达、安防夜视

你想想看,如果做的是手机摄像头,主要关注500-650nm的QE就够了。但如果是做车载激光雷达,那940nm处的QE才是命根子。

我的经验:评估传感器时,别只看峰值QE。要看目标应用波段内的平均QE。峰值再高,如果工作波段不在那,等于白搭。

3.4 标准测量方法与设备

QE怎么测?说难不难,说简单也不简单。核心思路就是:已知入射光子数,测出收集到的电子数,一除就完事。

但实际操作中,坑很多。

3.4.1 测量系统组成

一套标准的QE测量系统,通常包括:

  1. 光源:卤钨灯或氙灯,覆盖可见到近红外波段
  2. 单色仪:把宽谱光分成单色光,波长精度要优于1nm
  3. 积分球:均匀化光斑,消除偏振和空间不均匀性
  4. 参考探测器:已校准的标准光电二极管,用于标定入射光子数
  5. 探针台或夹具:固定待测传感器,提供电学连接
  6. 数据采集系统:读取传感器输出,计算QE

我曾经用过一套德国产的QE测试系统,精度确实高,但价格够买一辆车。后来我们自己搭了一套,用国产单色仪加自制的积分球,精度差不到哪去,成本只有十分之一。

3.4.2 测量步骤

标准流程大致如下:

1. 校准参考探测器
   - 将已知QE的标准光电二极管放在测量位置
   - 记录每个波长下的光电流
   - 计算实际入射光子数

2. 测量待测传感器
   - 替换为待测传感器
   - 设置相同的光照条件
   - 记录每个波长下的输出信号(电子数)

3. 计算QE
   - QE(λ) = 传感器输出电子数 / 入射光子数 × 100%
   - 注意扣除暗电流和读出噪声

4. 重复测量
   - 至少测量3次取平均
   - 评估测量不确定度

避坑指南:我曾经遇到过一个问题——测出来的QE居然超过100%!后来排查发现,是参考探测器的校准证书过期了,实际灵敏度已经漂移。所以,参考探测器的定期校准非常重要,建议每年送检一次。

3.4.3 测量不确定度分析

QE测量的误差来源很多,我列几个常见的:

  • 光源稳定性:波动超过1%就会引入明显误差
  • 波长精度:单色仪校准不准,峰值位置会偏移
  • 杂散光:单色仪出射光中混有其他波长成分
  • 温度影响:传感器暗电流随温度变化,建议恒温25°C测量
  • 反射损失:传感器表面反射率未校正

我建议,QE测量的总不确定度控制在±5%以内才算合格。如果要做研发对比,最好做到±2%。

3.5 知识结构图

下面这张图总结了本章的核心逻辑:

量子效率(QE)知识体系 量子效率 QE 物理定义 QE = 收集电子数 / 入射光子数 EQE vs IQE 区分 光谱响应曲线 QE(λ) 随波长变化 蓝光低 → 绿光峰值 → 红光低 标准测量方法 光源 + 单色仪 + 积分球 参考探测器校准 应用影响:灵敏度 · 信噪比 · 动态范围 · 色彩还原

3.6 实际项目中的QE优化思路

最后聊点实际的。如果你拿到一颗传感器,发现QE不达标,该从哪入手?

我一般按这个顺序排查:

  • 先确认测量没问题:重新校准参考探测器,排除系统误差
  • 再看光学设计:微透镜对准了吗?抗反射膜镀了吗?
  • 然后看工艺:表面钝化层质量如何?耗尽区厚度够吗?
  • 最后看像素设计:光电二极管形状、掺杂浓度、传输栅极

记住一句话:QE是设计出来的,不是测出来的。测量只是验证,真正的功夫在设计和工艺里。