光電二極管和光電晶體管的工作原理

有一類設計問題可以很容易地通過人類視覺來解決。例如，感知打印機中紙張的位置正確與否。判斷紙張對準與否對人類來講輕而易舉，但微處理器來說則另當別論。手機攝像頭需要測量環(huán)境光線以確定是否需要啟動閃光燈。如何無創(chuàng)評估血液中的氧含量？

使用光電二極管或光電晶體管可以解決這些問題。這些光電器件將光線（光子）轉換為微處理器（或微控制器）能夠“看到”的電信號。這樣，就能夠控制物體的定位和排列，確定光強度并根據材料與光的相互作用來測量其物理特性。

本文將介紹光電二極管和光電晶體管的工作原理及其基本應用知識。本文將以 Advanced Photonix， Inc.、Vishay Semiconductor Opto Division、Excelitas Technologies、Genicom Co.， Ltd.、Marktech Optoelectronics 和 NTE Electronics 等廠商提供的器件為例進行介紹。

光電二極管和光電晶體管的常用光譜

光電二極管和光電晶體管對一系列波長的光波敏感。在有些情況下，這是設計考慮事項，例如，讓人眼看不到具體操作。設計人員應了解光譜，以使器件與應用相匹配。

光譜范圍為從長波長紅外線 （IR） 延伸到短波長紫外線 （UV）（圖 1）?？梢姽獾牟ㄩL介于兩者之間。

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圖 1：電磁波譜的一部分，光譜橫跨紫外線到紅外線，中間部分是可見光譜。該表列出了可見光波長及其相關頻率。（圖片來源：Once Lighting（上）和 Art Pini（下））。

大多數光電器件都是使用納米 （nm） 工作波長來指定的；很少使用頻率值。

硅 （Si） 光電二極管往往對可見光敏感。紅外敏感器件使用銻化銦 （InSb）、砷化鎵銦 （InGaAs）、鍺 （Ge） 或碲化鎘汞 （HgCdTe）。紫外線敏感器件通常使用碳化硅 （SiC）。

光電二極管

光電二極管是一種雙元件 P-N 或 PIN 結，通過透明體或外蓋暴露在光線下。當光線照射到結時，會根據具體工作模式產生電流或電壓。光電二極管有三種工作模式，具體取決于施加到該器件的偏置值。這些是光伏、光電導或雪崩二極管模式。

如果光電二極管未施加偏置信號，則在光電模式下工作并且能在光源照射下產生一個小輸出電壓。這種模式下，光電二極管的作用就像太陽能電池。光電模式在低頻應用中很有用，一般低于 350 kHz 且光強小。這種輸出電壓很低，且在大多數情況下，光電二極管的輸出需要采用放大器。

光電導模式要求對光電二極管進行反向偏置。此處施加的反向偏置電壓將在 P-N 結產生一個耗盡區(qū)。偏執(zhí)電壓越大，耗盡區(qū)就越寬。與無偏執(zhí)電壓的二極管相比，耗盡區(qū)越寬會導致電容減少，從而使響應時間更快。這種工作模式的噪音水平較高，可能需要通過帶寬限制進行控制。

如果進一步增大反向偏置電壓，光電二極管將在雪崩二極管模式下工作。在這種工作模式下，光電二極管在高反向偏置電壓下工作，允許由于雪崩擊穿效應使每個由光線產生的電子空穴對的數量實現倍增。這將帶來光電二極管內部增益和更高的靈敏度。這種工作模式的功能類似于光電倍增管。

在大多數應用中，光電二極管在具有反向偏置電壓的光電導模式下工作（圖 2）。

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圖 2：由于在耗盡區(qū)產生了電子空穴對，施加了反向偏置電壓的光電二極管產生的電流與光強度成正比。藍色圓表示電子，白色圓表示空穴。（圖片來源：Art Pini）

施加了反向偏置電壓的未發(fā)光光電二極管結中有一個自由載流子很少的耗盡區(qū)。它看起來像一個帶電的電容器。有一個由熱激發(fā)電離引起的小電流，稱為“暗”電流。理想光電二極管的暗電流為零。暗電流、熱噪聲水平與二極管的溫度成正比。由于光照度極低，暗電流會掩蓋光電流，所以應選擇小暗電流器件。

當具有足夠能量的光線照射在耗盡層時，會電離晶體結構中的原子并產生電子空穴對。由于施加了偏置電壓，現有的電場會把電子移動到陰極，空穴移動到陽極，從而產生光電流。光強度越大，光電流就越大。圖 3 所示的反向偏置光電二極管的電流電壓特性說明了這一點。

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圖 3：反向偏置光電二極管的 VI 特征說明二極管電流的遞增量是光照強度的函數。（圖片來源：Art Pini）

該圖顯示二極管反向電流是所施加反向偏置電壓的函數，且以光強度為參數。請注意，光照強度增大會使反向電流水平成比例增大。這就是使用光電二極管測量光強度的基本原理。當偏置電壓大于 0.5 伏時，幾乎不會影響光電流。將反向電流施加到跨阻放大器上，可將其轉換為電壓。

光電二極管的類型

光檢測和測量應用的多樣性催生了各種不同的光電二極管類型?；镜墓怆姸O管是平面 P-N 結型二極管。這種器件在無偏置光電模式下的性能最佳。這種器件也最具成本效益。

例如，Advanced Photonix 的 002-151-001 就是一款平面擴散 InGaAs 光電二極管/光電探測器（圖 4）。該器件采用表面貼裝器件 （SMD） 封裝，尺寸為 1.6 x 3.2 x 1.1 mm，有源光孔直徑為 0.05 mm。

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圖 4：002-151-001 是一款平面擴散 P-N SMD 光電二極管，尺寸為 1.6 x 3.2 x 1.1 mm。該器件的光譜范圍為 800 nm 至 1700 nm。（圖片源：Advanced Photonix）

這種 InGaAs 光電二極管的光譜范圍為 800 nm 至 1700 nm，涵蓋了紅外光譜。該器件的暗電流小于 1 nA。該器件的光譜響應率規(guī)定了比光功率輸入下的電流輸出，通常為 1 A/W。該器件的應用范圍包括工業(yè)檢測、安全和通信。

PIN 二極管通過在傳統(tǒng)二極管的 P 型層和 N 型層之間層疊高電阻率本征半導體層而形成，因此名稱 PIN 反映了該二極管的結構。

插入本征層可以增加二極管耗盡層的有效寬度，從而產生很小的電容并提高擊穿電壓。較小的電容有效地提高了光電二極管的速度。較大的耗盡區(qū)可產生更多的光子誘導電子空穴，實現更高的量子效率。

Vishay Semiconductor Opto Division 的 VBP104SR 是一款硅 PIN 光電二極管，涵蓋 430 nm 至 1100 nm 的光譜范圍（紫光至近紅外）。該器件的典型暗電流為 2 nA，并有一個 4.4 mm2 的大光學敏感區(qū)（圖 5）。

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圖 5：Vishay VBP104SR 是一款具有大光學感測窗口的 PIN 光電二極管，用于高速光檢測。（圖片來源：Vishay Semiconductors）

雪崩光電二極管 （APD） 在功能上類似于光電倍增管，利用雪崩效應在二極管中產生增益。在高反向偏壓的情況下，每個空穴電子對通過雪崩擊穿方式產生更多的空穴電子對。這樣會產生以更大的“光電流每光子”表示的增益。這使得 APD 成為低光靈敏度的理想選擇。

例如，Excelitas Technologies 的 C30737LH-500-92C 就是一種 APD。該器件的光譜范圍為 500 nm 至 1000 nm（藍綠色至近紅外），峰值響應為 905 nm（紅外）。該器件的光譜響應率為 900 nm 時 60 A/W，暗電流小于 1 nA。該器件適合高帶寬應用，如汽車光探測和測距 （LiDAR） 和光通信（圖 6）。

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圖 6：C30737LH-500-92C 雪崩光電二極管是一種高帶寬光電二極管，針對 LiDAR 和光通信等應用。（圖片來源：Excelitas Technology）

肖特基光電二極管

肖特基光電二極管是基于金屬半導體結的器件。這種結的金屬側形成陽極電極，而 N 型半導體側則是陰極。光子穿過部分透明的金屬層，在 N 型半導體中被吸收，從而釋放出帶電載流子對。這些自由帶電的載流子在所施加電場的作用下脫離耗盡層，形成光電流。

這種二極管的另外一個重要特性是其非?？斓捻憫獣r間。這種器件一般采用能夠快速反應的小型二極管結結構。目前市場上已有帶寬在千兆赫茲 （GHz） 范圍內的肖特基光電二極管。這使其成為高帶寬光通信鏈路的理想之選。

例如，來自 Genicom Co.， Ltd 的 GUVB-S11SD 光傳感器就是一種肖特基光電二極管（圖 7）。這種對紫外線敏感的光電二極管用于諸如紫外線指數等應用。該器件使用一種基于氮化鋁 （AlGaN） 的材料，在紫外光譜中的光譜靈敏度范圍為 240 nm 至 320 nm。該器件具有光譜敏感性，但對可見光不敏感，這在光線明亮的環(huán)境中是一種有用的功能。該器件的暗電流小于 1 nA，響應率為 0.11 A/W。

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圖 7：GUVB-S11SD 是一款基于AlGaN 的 UV 敏感性光傳感器，其有源光學面積為 0.076 mm2。（圖片來源：Genicom Co， Ltd.）

光電晶體管

光電晶體管是一種與光電二極管相似的結半導體器件，其產生的電流與光強度成正比。這種器件可以認為是一種內置電流放大器的光電二極管。光電晶體管是一種 NPN 晶體管，其基極連接部分被光源所取代?；鶚O集電極結采用反向偏置，通過透明窗口暴露在外部光線下。該器件的基極集電極結會特意做得盡可能大，以使光電流達到最大?；鶚O發(fā)射極結采用正向偏置，其集電極電流是入射光照度的函數。光線提供基極電流，通過正常的晶體管作用將其放大。在沒有光照的情況下與光電二極管類似，會有小的暗電流流過。

Marktech Optoelectronics 的 MTD8600N4-T 是一種 NPN 光電晶體管，其光譜靈敏度為 400 nm 至 1100 nm（可見光至近紅外），光響應峰值為 880 nm（圖 8）。

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圖 8：MTD8600N4-T 光電晶體管產生的集電極電流與入射光照度成正比。請注意，由于晶體管的電流放大作用，集電極電流會比光電二極管電流高一個數量級。（圖片來源：Marktech Optoelectronics）

這種光電晶體管采用帶有透明圓頂的金屬封裝罐。該圖說明集電極電流是以光輻照度為參數的集電極至發(fā)射極電壓的函數。由于晶體管的電流放大作用，集電極電流明顯高于光電二極管中的電流。

光電晶體管有許多種封裝方式可供選擇。例如，NTE Electronics 的 NTE3034A NPN 光電晶體管使用成型環(huán)氧樹脂封裝，從側面接收光線。該器件也會對可見光到近紅外光做出反應，在 880 nm 處達到光響應峰值。

結語

使用光電晶體管和光電二極管的光檢測功能，是微處理器或微控制器了解物理世界并相應地進行控制或分析算法的一種手段。光電晶體管的應用與光電二極管相同，但各有優(yōu)勢。光電晶體管比光電二極管具有更高的輸出電流水平，而光電二極管在較高頻率下工作時優(yōu)勢明顯。