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6e5de91059e2493a5e1c65ff5392fbaa (註:本文為2009/8/22首次刊出)【編按】在上篇中,我們看到一個事實:愈高檔的相機,感光元件愈大,畫質也愈好;但為什麼是這樣?在這篇中鳥大師要從感光元件的運作原理開始說起。如果沒看到上篇的話,可以先連過去看,再回來讀完本篇喔!

從光電效應說起

光電二極體是影像感測器用來感應入射光線強度的關鍵,它背後的原理就是我們物理課都學過的「光電效應」:光照射在金屬上,金屬內的自由電子接受了光子的能量而變得活蹦亂跳,可以脫離金屬出去闖蕩天涯。不過,在光電二極體內的光電效應和金屬的光電效應有一點點不一樣,因為這裡只有半導體,沒有金屬。

金屬之所以能導電,是因為它有大量的自由電子,可以在材料內部自由移動。而半導體之所以為「半」導體,就是因為它內部的電子不若導體內的電子那般自由。不過,當半導體內的電子接受了光子的激發後,一樣會變得比較 high,只是沒辦法像金屬內的電子一樣,high 起來後就離家出走。

熟悉半導體的人可能知道,在半導體內的電子可以依照它們所攜帶的能量,分別被歸屬在不同的能帶(band)上。簡單的來說,在正常狀態下,也就是氣候涼爽溫度宜人的環境下,半導體內的電子大部份會待在一個稱之為「價電帶」的能帶上。在這個能帶中的電子,因為種種原因(很擠啦,受到束縛之類的)沒辦法自由移動,因此不能參與導電。不過,如果我們想辦法讓這些電子 high 一點,它們就會受到激勵,奮發向上,移動到一個稱之為「導電帶」的能帶上。

導電帶是一個寬闊的世界,電子在那裡可以自由移動,因此可參與導電的任務。現在的問題是:我們要怎麼讓電子受到激勵,願意跑到導電帶上?以及,電子要多high,才能從價電帶移動到導電帶上?

第二個問題的答案比較簡單,電子要多high,跟材料有關。價電帶和導電帶之間的距離,或者說能量的差異,稱之為能隙(Energy Gap),這是材料本身的特性,跟構成材料的原子以及它外面電子的分佈結構有關。對大部份的金屬材料來說,它的能隙非常小,甚至沒有,所以金屬內的電子幾乎都在導電帶晃蕩,這也就是為什麼多數金屬生下來就會導電的原因。

絕緣體的能隙非常大,大到我們沒辦法用一般比較人道的方法,把它的電子從價電帶弄到導電帶,使它可以導電。所以,絕緣體在正常的狀況下,是不會導電的。所謂「比較不人道」的方法,就是對絕緣體施加極大的電場,如高壓電,強迫它的電子離開溫暖的家,進入導電帶,它就導電啦。因此世界上沒有絕對的絕緣體,只有不夠高的高壓電。劍魔獨孤求敗說:「只要練得夠精,草木竹石皆可為劍」。高壓電亦如是:只要電壓夠高,草木竹石皆可導電。

回到材料的特性上。半導體的能隙比較小,因此我們可以用簡單的方法,讓半導體內的電子離開價電帶進入導電帶,而這個簡單的方法,就是用光子去打它。

量子物理告訴我們,光子所攜帶的能量,只與它的波長有關,而與光的強度無關。波長越短的光,它的光子所攜帶的能量越高。而半導體的能隙則是由材料決定的特性,以最常用來製作半導體的矽來說,它在室溫下的能隙是1.1eV(電子伏特)左右,換句話說,要使矽裡面的一顆電子從價電帶移動到導電帶,需要給它1.1eV左右的能量,或者,用一顆帶有1.1eV以上能量的光子去撞它。

為什麼不能用兩顆加起來超過1.1eV的光子去打一顆電子呢?因為量子物理的基本精神就是一個蘿蔔一個坑,上帝把世界造成這個樣子,所以電子和光子也就只能乖乖一個打一個。而前面講過,波長越短的光,光子的能量越高,換句話說,波長越長的光,光子的能量越低,因此我們可以得到一個推論:當光的波長增加到某個程度後,就無法從矽裡面打出能進入導電帶的電子了。

如果這個最大的波長是綠色的光,那麼,因為紅色的光波長比綠色還要長,所以紅色的光就沒辦法在矽裡面打出光電效應的電子,也就是說,如果以矽做為光電二極體的感光材料,它只能感應綠色藍色紫色的光,而無法感應紅色橙色黃色的光。聽起來多糟啊!

還好,這裡有一個物理與工程的美麗巧合。經過精密的計算後,我們發現,以矽做為光電效應的材料,它的最大波長在1100nm左右,剛剛好是近紅外線的光譜,也就是說整個可見光的光譜它都感應得到,還附贈一點點紅外線,多完美的結局啊。

有了光電效應,接下來我們就可以看看光電二極體是怎麼運作的了。(未完待續)

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2.  cftyn (發表於 2009年8月22日 20:26)
好物理啊這一篇,高中剛畢業突然看到一堆剛考完的名詞

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