量子效率是什麼？

　　量子效率 (QE) 是指成像設備可以轉換成電子的入射光子的百分比 。例如，如果一個圖像傳感器有 75% 的 QE 並暴露在 100 個光子下
，它將能夠轉換為 75 個電子信號。

　　每種傳感器技術的 QE 都不同，高端圖像傳感器達到 95% 的 QE。但是，它是由被檢測光的波長和 半導體材料決定的。對於CCD、EMCCD
、(em)ICCD 和sCMOS技術

，在某些波長範圍內可能達到 95% 的 QE，但可見光譜中近紅色和紫外區域的光子具有較低的 QE
，因此傳感器的效率較低。為了改善這些區域的 QE
，已經開發了Deep-depleted矽傳感器和塗層傳感器，從而增加了 QE。

　　矽傳感器

　　大多數圖像傳感器都是由矽製成的。由於 QE 取決於材料
，該元素的特性以及它如何與光相互作用非常重要。

　　在高純度晶體形式中，相鄰的矽原子彼此共價鍵合。打破這些鍵以產生電子/空穴對（~1.1 eV）需要大於帶隙能量的能量。入射光的波長與光子吸收深度直接相關；波長越短，進入矽的深度越短。

　　Deep-depleted矽傳感器比傳統的矽傳感器更厚 
，因此能夠檢測更長波長的光（即 > 700 nm，NIR）。NIR 光在矽中的穿透深度比典型的矽傳感器更深

，因此在沒有深度耗盡的情況下，矽傳感器對入射的 NIR 光有效透明。如下圖所示，Deep-depleted矽傳感器在 700 – 850 nm 範圍內可提供 >90% 的 QE，而傳統矽傳感器可提供 >60% 的 QE。

　　為了進一步改善 QE，keyitongguoqianzhaoshihuobeizhaoshishebeilaigaibianshebeineichuanganqidefangxiang。qianzhaoshishebeiderusheguangtongchangtongguobingxingjicunqidemenjinruchuanganqi。zhexiezhajiyoufeichangbodeduojingguizucheng
，zaichangbochangxiaxiangdangtouming，danzaiduanyu 400 nm 的波長下變得不透明。因此
，在短波長下，柵極結構會衰減入射光。

　　如果矽傳感器均勻變薄，圖像可以聚焦在沒有柵極結構的傳感器後端。由於柵極結構沒有光限製，背照式器件對光表現出高靈敏度
，使 95% 的 QE 成(cheng)為(wei)可(ke)能(neng)。采(cai)用(yong)前(qian)照(zhao)式(shi)技(ji)術(shu)的(de)圖(tu)像(xiang)傳(chuan)感(gan)器(qi)，入(ru)射(she)光(guang)在(zai)撞(zhuang)擊(ji)傳(chuan)感(gan)器(qi)之(zhi)前(qian)必(bi)須(xu)穿(chuan)過(guo)微(wei)透(tou)鏡(jing)和(he)金(jin)屬(shu)線(xian)
，從(cong)而(er)降(jiang)低(di)了(le)最(zui)大(da)量(liang)子(zi)效(xiao)率(lv)。背(bei)照(zhao)式(shi)圖(tu)像(xiang)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)入(ru)射(she)光(guang)首(shou)先(xian)會(hui)照(zhao)射(she)傳(chuan)感(gan)器(qi)
，因(yin)此(ci)設(she)備(bei)的(de) QE 不會降低。

　　InGaAs 傳感器

　　隻有當光子具有比材料的帶隙能量更高或更短的波長時，半導體才會檢測到光子。InGaAs 傳感器是由 InAs 和 GaAs 的合金製成的半導體，傳統的 InGaAs 傳感器具有 x:1-x 的 InAs:GaAs 比率。由於 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於矽，這意味著它們能夠檢測更長的波長，例如短波紅外 (SWIR) 區域 (900-1700 nm)。因此，InGaAs 攝像頭在 950-1600 nm 區域內的 QE > 80%。顯示了典型 InGaAs 傳感器的 QE 曲線。通過增加單晶內 InAs 的濃度，截止波長可以擴展到 2600 nm。

　　盡管 InGaAs 相機在 900 – 1700 nm 範圍內具有高 QE，但遠端波長截止會隨著設備冷卻而降低。每冷卻 10 攝氏度，這通常會偏移 8 納米。這意味著最大化進入設備的光子吞吐量很重要
，但是遠端截止的這種轉變可能是有利的，因為它允許傳感器充當“可調”低通濾波器。

　　總結

　　QE 是衡量設備在將入射光子轉換為電子方麵的有效性的指標。不僅 QE波長取決於
，它還取決於傳感器材料。

　　如果能量高於半導體帶隙能量，傳感器將檢測到入射光子。這就是為什麼矽在 500-600 nm 之間具有 95% 的 QE，但對於較長的紅外/較短的紫光波長具有較低的 QE，而 InGaAs 在 SWIR 範圍（900-1700 nm）上具有高 QE，而不是可見區域或中紅外波長範圍（> 1700 nm）。