圖 1：具有能將光子轉(zhuǎn)換為電荷載流子的光敏區(qū)域且厚度為 d的半導(dǎo)體材料。該圖顯示了當(dāng)光穿透材料時(shí)光子通量會(huì)發(fā)生什么改變¹。

這里，(1 ? R)為材料表面的反射損失，可以通過(guò)適當(dāng)?shù)耐繉觼?lái)最小化；ζ為部分電子-空穴對(duì)（電荷載流子），對(duì)光電流有貢獻(xiàn)并且沒(méi)有在材料表面復(fù)合再結(jié)合；(1?e^?α?d)被半導(dǎo)體吸收的部分光子通量，因此厚度 d 應(yīng)該足夠大以增加該部分的貢獻(xiàn)。

由于這些圖像傳感器的基本材料硅的不同吸收特性以及每個(gè)圖像傳感器的結(jié)構(gòu)不同，它們的QE光譜也因此而不同。

圖 2：測(cè)量的吸收系數(shù)和硅作為太陽(yáng)能電池材料的滲透深度²。

這在圖 2 中進(jìn)行了說(shuō)明，該圖顯示了太陽(yáng)能電池中使用的硅的光譜相關(guān)吸收系數(shù)（見(jiàn)圖 2 – 藍(lán)色曲線(xiàn)）。第二條曲線(xiàn)（見(jiàn)圖 2 – 紅色曲線(xiàn)）描繪了光在硅中的穿透深度，是藍(lán)色曲線(xiàn)的倒數(shù)，在本情況中，使用的材料很可能沒(méi)有增透膜。Green 和 Keevers² 撰寫(xiě)的這篇論文還測(cè)量了硅的光譜相關(guān)反射率，這如圖 3 所示，曲線(xiàn)代表上述量子效率方程中的因子 R。

圖 3：測(cè)量的硅反射率——硅作為太陽(yáng)能電池中使用的材料³。

對(duì)于相機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，通常會(huì)給出整個(gè)相機(jī)系統(tǒng)的 QE，這包括了非材料相關(guān)的損失，如填充因子、窗口和蓋板玻璃的反射等。在數(shù)據(jù)表中，此參數(shù)以百分比的形式給出，因此 50% 的 QE 意味著平均需要兩個(gè)光子來(lái)生成一個(gè)電荷載流子（電子）。

像元大小和填充因子

像元的填充因子（見(jiàn)圖 4）描述了感光面積與像元總面積的比率。圖像傳感器中像元的一部分面積總是被用于晶體管、電線(xiàn)、電容器或寄存器的布置，這是相應(yīng)圖像傳感器（CCD、CMOS、sCMOS）的像元結(jié)構(gòu)部分；而只有光敏感部分可有助于被檢測(cè)到的光轉(zhuǎn)換為電荷載流子。

圖 4：具有不同填充因子的像元（藍(lán)色區(qū)域?qū)?yīng)于光敏區(qū)域）：[a] 填充因子為75 %的像元，[b] 填充因子為50 %的像元和在上方放置微透鏡的[c] 填充因子為50 %的像元。

圖 5：具有不同填充因子的像元（藍(lán)色區(qū)域?qū)?yīng)于光敏區(qū)域）和照射它們的光線(xiàn)（橙色箭頭）的橫截面圖。虛線(xiàn)光線(xiàn)表示該光對(duì)信號(hào)沒(méi)有貢獻(xiàn)：[a]填充因子為75 %的像元，[b] 填充因子為50 %的像元，[c] 在頂部加微透鏡且填充因子為50 %的像元。

如果填充因子太小⁴，通常通過(guò)加微透鏡來(lái)提高填充因子。透鏡鏡頭收集照射到像元上的光線(xiàn)，并將光線(xiàn)聚焦到像元的感光區(qū)域（見(jiàn)圖 5）。

盡管采用微透鏡對(duì)于填充因子低于 100% 的像元總是有幫助的，但仍有一些物理和技術(shù)上的限制需要考慮。（見(jiàn)表 2）

圖 6 展示了基于薄透鏡的簡(jiǎn)單光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)成像。在這種情況下，牛頓成像方程是有效的：

或者使用高斯透鏡方程：

放大倍數(shù) M 由成像尺寸 Y_i 與物體尺寸 Y₀ 的比率給出：

尾注：

1. 圖像靈感來(lái)自于Figure 17.1-1, “Fundamentals of Photonics”, B.E.A. Saleh and M.C. Teich, John Wiley & Sons, Inc., 1991.

2. 數(shù)據(jù)來(lái)自于 Green, M.A. and Keevers, M. “Optical properties of intrinsic silicon at 300 K”, Progress in Photovoltaics, p.189-92, vol.3, no.3; (1995).

3. 數(shù)據(jù)來(lái)自于 Green, M.A. and Keevers, M. “Optical properties of intrinsic silicon at 300 K”, Progress in Photovoltaics, p.189-92, vol.3, no.3; (1995).

4. 填充因子可以很小，例如：行間傳輸 的CCD 圖像傳感器的像元，它的 35% 的像元區(qū)域用于移位寄存器或CMOS 傳感器的全局快門(mén)，其中晶體管和電引線(xiàn)導(dǎo)致 40% 的填充因子。

5. 對(duì)于一些大像元，使用效率較低的微透鏡仍然可能有用，例如，如果透鏡可以防止過(guò)多的光落在像元的外圍。