3.3 可见光探测器¶
可见光探测器工作在 380–1100 nm 波段，以硅（Si）为核心材料，是当前技术最成熟、成本最低、应用最广泛的一类光电探测器。CCD 和 CMOS 图像传感器是其中最主要的面阵器件，广泛用于消费相机、工业视觉、遥感成像、医疗内窥等领域。
一、硅的光电特性¶
硅是可见光探测器的主导材料，其关键特性：
| 参数 | 值 |
|---|---|
| 禁带宽度 $E_g$ | 1.12 eV（室温） |
| 响应波段 | 400–1100 nm |
| 峰值响应波长 | ~800–900 nm |
| 峰值量子效率（背照式） | 可达 90%+ |
硅在近紫外（<400 nm）响应迅速下降；在近红外（>1000 nm）因禁带限制完全截止。需要更长波段响应时，须换用 InGaAs 或 Ge 等材料。
二、CCD 图像传感器¶
2.1 工作原理¶
CCD（Charge-Coupled Device，电荷耦合器件）的工作分四步：
- 光电转换：光子在各像元的势阱中产生电子–空穴对，电子被收集存储。
- 电荷积累：曝光时间内持续积累光生电荷（积分时间）。
- 电荷转移：在时钟信号驱动下，电荷包依次移位传输到读出端。
- 电荷-电压转换：输出节点将电荷包转换为电压，经放大后输出。
2.2 主要类型¶
| 类型 | 结构 | 特点 |
|---|---|---|
| 全帧 CCD（FF-CCD） | 整个像元面积均为感光区 | 填充因子最高（接近 100%），需机械快门 |
| 帧转移 CCD（FT-CCD） | 分感光区和存储区 | 无需机械快门，但有效面积减半 |
| 行间转移 CCD（IT-CCD） | 像元旁有垂直转移寄存器 | 可电子快门，主流消费级方案 |
2.3 CCD 核心参数¶
| 参数 | 典型值 | 影响 |
|---|---|---|
| 像元尺寸 | 3–20 μm | 决定分辨率和灵敏度 |
| 满阱容量 | $10^4$–$10^6$ e⁻ | 决定动态范围上限 |
| 读出噪声 | 2–10 e⁻ | 决定弱光探测极限 |
| 暗电流 | <1 e⁻/pixel/s（制冷后） | 长曝光的噪声限制 |
| 量子效率 | 正照式 30–60%，背照式 70–95% | 灵敏度 |
2.4 背照式（BSI）CCD¶
传统正照式 CCD 光线需穿过多晶硅栅极才能到达感光层，造成蓝光损失。背照式（Back-Side Illuminated, BSI）将衬底减薄后翻转，光线直接照射感光层，蓝绿波段 QE 大幅提升。
三、CMOS 图像传感器¶
3.1 与 CCD 的核心区别¶
CMOS（互补金属氧化物半导体）传感器每个像元内嵌独立的放大器和读出电路（有源像元），可并行读出，无需电荷逐级传输：
| 特性 | CCD | CMOS |
|---|---|---|
| 读出方式 | 串行电荷转移 | 并行独立读出 |
| 读出噪声 | 2–10 e⁻（优） | 1–5 e⁻（近年追平） |
| 功耗 | 较高 | 极低 |
| 帧率 | 中等 | 极高（局部读出） |
| 卷帘快门 | 不适用 | 常见（高速运动有果冻效应） |
| 全局快门 | 标准 | 需额外设计 |
| 成本 | 较高 | 低（标准 CMOS 工艺） |
| 集成度 | 低 | 高（可集成 ISP、ADC） |
3.2 堆栈式 CMOS¶
将感光层、模拟电路层、数字处理层分别制造后三维键合，进一步提升像元密度和处理速度，是当前手机和高速相机传感器的主流架构。
四、科学级探测器¶
对噪声和灵敏度要求极高的科研应用，使用专用科学级 CCD 或 sCMOS：
| 类型 | 特点 | 应用 |
|---|---|---|
| 背照 CCD（冷却） | QE>90%，读出噪声<3 e⁻ | 天文成像、荧光显微 |
| EM-CCD | 片内电子倍增，读出噪声<1 e⁻ | 单光子灵敏成像 |
| sCMOS | 低噪声（~1 e⁻）+ 高帧率 | 超分辨显微、高速科学成像 |
| SPAD 阵列 | 单光子雪崩探测 | 激光雷达、荧光寿命成像 |
五、近红外扩展探测器¶
当应用需要覆盖 900 nm–1700 nm 时，硅已无响应，需使用：
| 材料 | 响应范围 | 特点 |
|---|---|---|
| InGaAs | 900–1700 nm（标准）/ 可扩展至 2500 nm | 室温可用，近红外标准器件 |
| Ge | 800–1800 nm | 成本低，噪声略高 |
| InAs/GaSb II 类超晶格 | 1–5 μm | 新兴红外材料 |
参考资料¶
- Holst & Lomheim, CMOS/CCD Sensors and Camera Systems (2nd Edition), SPIE
- Janesick, Scientific Charge-Coupled Devices, SPIE Press
- Sony Semiconductor 技术文档（IMX 系列 CMOS 传感器）
更新时间¶
2026-03-03