量子效率Quantum Efficiency

电荷耦合器件（CCD）的量子效率是光伏响应的特性，其定义为该器件为每个入射光子生产并成功读取的电子-空穴对的数量。该特性对于低光成像的应用诸如荧光显微尤为重要。在该应用中，发射光子波长通常在375-550纳米范围内，并且在硅中具有相对较高的吸收系数。标准CCD通过栅电极和氧化物涂层在设备的正面照亮，它对550到900纳米之间的绿色和红色波长更敏感。

CCD的光谱灵敏度不同于简单的硅光电二极管探测器，因为CCD表面具有用于电荷转移的通道，该通道被多晶硅栅电极，二氧化硅薄膜和氮化硅钝化层屏蔽。这些结构用于从成像区域转移电荷并保护CCD免受湿气和静电放电的影响，吸收较短的波长（450纳米及以下），从而降低器件的蓝光灵敏度。多晶硅的透射率从600纳米开始降低，对于400纳米的光子变得基本不透明，但是吸收率取决于栅极厚度和穿过CCD表面薄膜的光的干涉效应。行间转移（Interline-transfer）CCD的量子效率特性偏离标准的多晶硅栅极结构光电二极管，这是减少干扰影响并产生更理想且更均匀的光谱响应的一个因素。这些器件通常还配备了垂直抗晕（anti-blooming）漏极，降低了对较长波长光子的响应。当700纳米以上的光子深入到靠近掩埋漏极的硅衬底中时，它们有更大的机会释放出电子，这些电子将扩散到漏极中并立即被去除。量子效率还取决于栅极电压，较低的电压会产生较小的耗尽区，反之亦然。

与CCD所显示的响应相反，传统的胶片乳剂对可见光谱的蓝色区域非常敏感，该特性通常会导致胶片上捕获的图像和CCD所记录的图像之间出现色差。随着像素几何形状逐渐变小，传感器的蓝色响应随像素大小的减小而迅速减小，蓝光吸收问题也随之增加。

标准CCD的典型光谱灵敏度曲线如图1（标准CCD）所示，应注意的是，40％的峰值量子效率明显低于单个硅光电二极管的峰值量子效率。光谱起伏是由于CCD表面上的薄膜产生的干扰效应引起的。最近，通过使用先进的栅极材料和专有的荧光粉涂层，一些科学级CCD通道的透明度提高，蓝绿光灵敏度（图1中的Blue Plus曲线）得到了显著改善。这种类型的涂层（Lumogen）直接沉积在阵列表面上，当被短波长（120至450纳米）高能紫外线和可见光激发时，会发出500至580纳米区域的光。嵌入涂层中的磷光体会产生向各个方向发射的二次荧光，只有进入阵列的那些光子会被吸收，从而产生大约15％到20％的量子效率。涂层对可见光是透明的，因此它们不会影响波长超过450纳米的光子吸收，从而产生近1000纳米（120至1100纳米）的表观光谱响应范围。

为了进行比较，图1还显示了分别来自人眼视锥和视杆细胞对应于明视和暗视的光谱灵敏度曲线。峰值灵敏度为绿色（在555纳米处为明视，在507纳米处为暗视），最大明视量子效率为3％，最大暗视量子效率为10％。根据这些数据，很明显，与我们的眼睛相比，科学级CCD相机具有更宽的光谱灵敏度和更高的量子效率。

在背照式CCD中完全消除了由于栅极沟道结构引起的损耗。在这种设计中，光在已经通过蚀刻变薄直至透明的区域（相当于大约10-15微米的厚度）中落入CCD的背面。所得的光谱灵敏度曲线也显示在图1和2中（薄型背照式和背照式CCD），说明了使用此配置可​​以实现高量子效率。但是，背照式使传感器更易碎，相对昂贵的，迄今为止，该传感器仅在高端科学级CCD相机中使用。

防反射涂层用于薄型背照式CCD中以增加量子效率，但是不可能有在整个可见光范围内都有效的涂层。在较长波长下增加光谱响应的涂层通常会导致较短波长光子的吸收相应减少，因此正在进行研究以生产在整个可见光谱范围内均有效的抗反射涂层。

光伏效应将光子形式的光能转换为电子势，这取决于各种条件。当400至1100纳米范围内的可见光和红外光子与位于CCD基板内的硅原子碰撞时，由于光子与硅轨道电子之间的反应，电子从价带激发到导带。许多因素决定了由一定数量的光能产生的电荷量，包括吸收系数，光子复合寿命，扩散长度以及CCD表面上覆材料的化学和物理性质。硅中光子的吸收系数取决于波长，长波长（大于800纳米）的光子比较短波长的光子更深地渗透到硅衬底中。

在光子能量大于带隙能量的情况下，电子极有可能被激发进入导带，从而变得可移动。这种相互作用也称为光电效应，并且取决于临界波长，在该临界波长以上，光子没有足够的能量来激发或促进位于价带中的电子并产生电子-空穴对。当光子超过临界波长（通常超过1100纳米）时，带隙能量大于本征光子能量，并且光子完全穿过硅衬底。表1列出了典型CCD吸收90％入射光子的深度（以微米为单位）。

波长在450至700纳米之间的大多数光子在CCD基板的耗尽区或块状材料（硅）中被吸收。被吸收到耗尽区中的那些分子将具有接近100％的量子效率，而进入基板的光子释放出电子，该电子经历三维随机游动，并与空穴复合或扩散到耗尽区中。对于那些具有可忽略的扩散长度的电子，量子效率非常低，但是具有高扩散长度的那些电子最终会达到良好的电荷。

光子在硅中的吸收深度

表1

设计用于科学应用的数字相机中使用的大多数CCD阵列都密封在受保护的环境中，以减少伪影，改善响应并延长CCD寿命。 入射光子通常必须穿过玻璃或石英窗口才能到达像素阵列并进入硅基板。 窗口表面的反射损耗在所有光子波长下都会发生，并且对于低于400纳米的波长，光子通过玻璃（而非石英）的透射率会急剧下降。 科学的CCD传感器专为要求高灵敏度的应用而设计，并使用石英涂层来减少所有波长的反射。

撰稿人
Kenneth R. Spring – Scientific Consultant, Lusby, Maryland, 20657.
Michael W. Davidson – National High Magnetic Field Laboratory, 1800 East Paul Dirac Dr., The Florida State University, Tallahassee, Florida, 32310.