量子效率解讀

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                  • 來源:光虎光電科技(天津)有限公司

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                  • 發布時間:2022-05-25 08:50:11

                  什么是量子效率?

                  在電荷耦合器件(CCD)、互補金屬氧化物半導體(CMOS)或其他光電探測器中,它是在任一端子上收集的電荷載流子數量與擊中器件光反應表面的光子數量之間的比率。作為一個比率,QE是無量綱的,但它與響應度密切相關,響應性以每瓦特安培表示。由于光子的能量與其波長成反比,因此通常在一系列不同的波長上測量QE,以表征器件在每個光子能級的效率。對于典型的半導體光電探測器,能量低于帶隙的光子的QE降至零。攝影膠片的QE通常遠低于10%,而CCD在某些波長下的QE可以超過90%。例如:如果一個圖像傳感器有75%的QE并暴露在100個光子下,它將能夠轉換成75個電子信號。


                  每種不同型號的傳感器的QE都不同,高端的圖像傳感器能達到95%的QE,比如科研級相機,但是也是由被檢測的光的波長和半導體材料決定的。

                  硅傳感器

                  大多數圖像傳感器都是由硅制成的。由于量子效率取決于材料,所以該元素的特性以及如何與光相互作用非常重要。

                  在高純度的晶體形式中,相鄰的硅原子彼此共價鍵合,打破這些鍵以產生電子-空穴對需要大于帶隙能量的能量。入射光的波長與光子吸收的深度直接相關,并且波長越短,進入硅的深度也就越短。



                  InGaAs 傳感器

                  半導體僅在光子具有比材料的帶隙能量更高或更短的波長時才能檢測到光子。InGaAs傳感器是由InAs和GaAs的合金制成的半導體,傳統的InGaAs傳感器具有x1-x的InAs:GaAs比率。 由于InGaAs 不是天然存在的材料,因此必須在InP襯底上生長單晶。

                  InGaAs傳感器的帶隙能量通常低于硅,這意味著它們能夠檢測更長的波長,例如短波紅外(SWIR)區域(900-1700nm)。因此,InGaAs傳感器在950-1600nm區域內的QE>80%。如圖顯示了典型InGaAs傳感器的QE曲線。



                  QE是衡量相機在將入射光子轉換為電子方面的有效性的指標。QE不僅取決于射入光子的波長,它還取決與傳感器的材料。

                  如果能量高于半導體的帶隙能量,傳感器將檢測到入射光子,這就是為什么硅傳感器在500-600nm之間具有95%的QE,但對于紅外或紫外波長只有較低的QE,而InGaAs在SWIR范圍(900-1700nm)上具有較高的QE,而不是可見光區域或中紅外波長范圍(>1700nm)。


                  【來源:光虎視覺內部培訓資料】


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