什么是量子效率？

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

每種不同型號(hào)的傳感器的QE都不同，高端的圖像傳感器能達(dá)到95%的QE，比如科研級(jí)相機(jī)，但是也是由被檢測(cè)的光的波長(zhǎng)和半導(dǎo)體材料決定的。

大多數(shù)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(jià)鍵合，打破這些鍵以產(chǎn)生電子-空穴對(duì)需要大于帶隙能量的能量。入射光的波長(zhǎng)與光子吸收的深度直接相關(guān)，并且波長(zhǎng)越短，進(jìn)入硅的深度也就越短。

半導(dǎo)體僅在光子具有比材料的帶隙能量更高或更短的波長(zhǎng)時(shí)才能檢測(cè)到光子。InGaAs傳感器是由InAs和GaAs的合金制成的半導(dǎo)體，傳統(tǒng)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(zhǎng)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(cè)更長(zhǎng)的波長(zhǎng)，例如短波紅外（SWIR）區(qū)域（900-1700nm）。因此，InGaAs傳感器在950-1600nm區(qū)域內(nèi)的QE>80%。如圖顯示了典型InGaAs傳感器的QE曲線。

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

如果能量高于半導(dǎo)體的帶隙能量，傳感器將檢測(cè)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(duì)于紅外或紫外波長(zhǎng)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(qū)域或中紅外波長(zhǎng)范圍（>1700nm）。

【來源：光虎光學(xué)內(nèi)部培訓(xùn)資料】