图像传感器光电二极管 光电二极管是图像传感器的核心感光元件，其功能是将入射的光子转换为电信号。它通常由硅等半导体材料制成，工作在反向偏压状态下。当光线照射到光电二极管的PN结时，能量足够的光子会激发半导体中的电子，产生电子-空穴对。在内部电场的作用下，这些光生载流子被分离并收集，形成光电流。光电二极管的光电转换特性是线性的，即产生的光电流与入射光强度成正比，这为图像的精确捕捉奠定了基础。 光电二极管的量子效率 量子效率是衡量光电二极管光电转换能力的关键参数，定义为产生的光生电子数与入射光子数之比。它反映了器件对不同波长光子的响应灵敏度。理想情况下，量子效率应尽可能高，但实际器件会因材料吸收特性、表面反射损失以及内部复合等因素而低于100%。例如，硅基光电二极管在可见光波段（约400-700纳米）通常具有较高的量子效率（可达60-90%），但在近红外或紫外波段会显著下降。优化抗反射涂层和结深设计可以提升特定波段的量子效率，确保图像传感器在不同光照条件下都能有效捕获信号。 光电二极管的暗电流 暗电流是指在无光照条件下，光电二极管因热激发而产生的微小电流。它主要来源于半导体材料的本征载流子生成、缺陷态辅助的隧穿效应以及表面漏电流。暗电流会随温度升高而指数级增长（约每升高8-10°C翻倍），并成为图像噪声的主要来源之一，尤其在长曝光或低照度场景下更为显著。为抑制暗电流，需采用高纯度半导体材料、优化制造工艺以减少缺陷，并结合冷却技术或电路校正方法。暗电流的稳定性直接影响图像的动态范围和信噪比。 光电二极管在像素结构中的集成 在CMOS图像传感器中，光电二极管作为像素的基本单元，通常与传输晶体管、复位晶体管和源极跟随器等元件集成。其工作流程包括：曝光阶段光电二极管积累光生电荷；通过传输晶体管将电荷转移至浮动扩散节点；经放大后读出信号。集成时需平衡光电二极管的面积（影响感光效率）与像素尺寸（决定空间分辨率）。例如，背照式技术通过将电路层置于感光层下方，扩大了有效感光面积，提升了量子效率。此外，浅结设计或 pinned photodiode 结构可减少暗电流并改善电荷转移效率。 光电二极管的动态范围与线性响应 动态范围描述了光电二极管能同时捕捉的最亮与最暗光强之比，受限于满阱容量（最大可存储电荷量）和噪声 floor（如暗电流噪声）。满阱容量与光电二极管的掺杂浓度和物理尺寸相关，而噪声 floor 决定了可探测的最小信号。光电二极管在大部分工作区间内保持线性响应，即输出电流与光强成正比，但在接近饱和时可能出现非线性畸变。通过采用高动态范围技术（如多次曝光或对数响应设计），可扩展有效动态范围，避免图像过曝或欠曝，确保在明暗对比强烈的场景中保留细节。