[鳥專欄]大，真的比較好：淺談數位相機的感光元件（中）

（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）