發布日期：2022-10-09 點擊率：77
光電晶體管和光電二極管是密切相關的電光傳感器，它們在位置/存在感測、光強度測量和高速光脈沖檢測等應用中可將入射光轉換成電流。但是，要充分利用這些器件，設計人員需要特別注意接口電路、波長和光學機械校準。
例如，需要合適的接口電路以在不同的強度和條件下提取最大電流。但是，確保應用的有效性還需要了解光電晶體管和光電二極管的工作原理以及二者之間的差異。
本文將討論這些器件的工作原理、一些關鍵的參數考慮因素、器件應用的一些細微差別以及一些解決方案示例。
光電二極管在吸收光時會產生電流。圖 1 顯示了兩種類型的光電二極管。第一種就是廣為人知的光伏二極管（太陽能電池），光照時會產生電流。第二種是光電導體，是反向偏置的光電二極管。照射在光電二極管上的光線導致其對反向偏置電流的電阻降低。
通過測量此電流可給出入射光的強度讀數。而從另一個角度來看，光電二極管可用于限制電流，光線越多，限制越少。在幾乎所有情況下，使用光電二極管時都必須搭配一個關聯的放大器，例如跨阻放大器 (TIA)，以將電流轉換為有用的信號。
圖 1：由于需要到傳感器芯片的透鏡和光學路徑，光電二極管和光電晶體管要求采用不同于傳統二極管和晶體管的封裝方法。（圖片來源：Learnabout-electronics）
由于光電晶體管是暴露出基極端子的晶體管，因此比光電二極管稍微復雜一些。照射在器件上的光子會激活晶體管，但其他行為與傳統晶體管相同。（在固態器件被采用的初期，一些晶體管和許多二極管封裝在透明外殼中，這導致電路行為因電路上的光照量而產生不穩定！）光電晶體管的等效電路就是一種輸出光電流進入小信號晶體管基極的光電二極管（圖 2）。
圖 2：光電晶體管的電學和物理模型就是一種輸出光電流進入小信號晶體管基極的光電二極管。（圖片來源：Mechapedia/Northwestern University）
作為三端子器件，光電晶體管可通過多種方式連接，共射極 (CE) 和共集極 (CC) 放大器是最常用的配置（圖 3）。對于 CE 配置，光線使輸出從高狀態變為低狀態；而對于 CC 配置，狀態轉換則剛好相反。
圖 3：跟晶體管一樣，光電晶體管可以通過共射極（左）或共集極（右）配置連接。（圖片來源：ON Semiconductor）
光電晶體管有另一個不適用于光電二極管的重要考慮因素，即：晶體管既可以用于有源模式也可以用于開關模式。在有源模式下，晶體管是一個模擬元件，其線性輸出與光強度成正比。在開關模式下，晶體管充當一個數字元件，且不是處于截止（關）狀態就是處于飽和（開）狀態。
具體工作模式由負載電阻 RL 的值決定，如圖 3 中的 Rc 或 Re。VCC > RL × ICC 時進入有源模式，VCC < RL × ICC 時為開關模式，其中 IC 是最大預期電流，VCC 是供電電壓，如圖所示。如果光電晶體管用于評估光強度，則使用有源模式。如果光電晶體管用于檢測是否存在光線（例如當卡在插槽中時），則使用開關模式。
雖然光電晶體管和光電二極管密切相關，但它們存在切實的性能差異。通常，光電二極管的制造速度可能要快一到兩個數量級，且頻率響應范圍比光電晶體管寬。這就是它們在高速光纖鏈路中被用于光脈沖檢測的原因。但是，光電二極管需要外部放大器，而光電晶體管本身即具備對應用而言足夠的電流增益。
另外，光電二極管的性能參數，包括對光的敏感性、漏電電流和響應速度，隨溫度變化的幅度小于光電晶體管。
光電晶體管和光電二極管本質上都受到光的刺激。當然，這意味著設計必須提供清晰的光學路徑，以便光一致地到達光電器件，并且在產品的正常使用和壽命期間必須對準并保持從來源到感應表面的路徑。
光電晶體管或光電二極管放置的機械問題取決于應用、使用模式、用戶交互以及產品設計中必須仔細考量的眾多其他因素。確保此光學路徑的一致性至關重要。即使是由于制造公差、電路板彎曲、灰塵以及其他預期和/或某些異常使用引起的微小變化，也必須予以考慮。
典型光電二極管和光電晶體管的光學半功率接收角在 ±10° 和 ±30° 之間，具體取決于芯片尺寸、透鏡設置和間距。依據應用布置方式，可以首選更寬或更窄的接收角。
有時相反的情況會導致出現問題；光敏元件可能會感測到不需要的來自環境光源的光。在這些情況下，可能需要添加外部光學屏蔽裝置、內部光阻擋裝置、光學波長帶通濾波器，或加大傳感器的凹陷程度，而不妨礙發射器在傳感器路徑上的輸出。這通常涉及電子、光學和機械問題，需要在相互沖突的目標中找到“最佳結合帶”或平衡點。
雖然這些器件有很多電氣規格，但它們也有混合模式的光電考慮因素。這包括光譜響應、靈敏度和增益、線性度、暗電流、響應速度和噪聲。
光譜響應：光譜響應主要取決于器件的基材和摻雜情況。硅基器件在近紅外 (IR) 范圍內的波段具有約 840 納米 (nm) 的峰值靈敏度，但是可以針對其他波長提供優化的器件。
光電晶體管和光電二極管具有相似的光譜靈敏度，因為它們的底層固態物理原理相同。不過，光電晶體管的峰值響應波長略短于典型的光電二極管，因為光電晶體管的擴散結是外延生長形成的，而不是晶體生長的硅晶片。
這意味著它們“看到”的光源，無論是 LED、太陽光還是來自其他光源的環境光，必須在相應的靈敏度頻段內提供其輸出，以使光電器件有效發揮作用。幸運的是，標準 LED 的輸出光譜在硅基光電傳感器的靈敏度頻段內。
靈敏度和增益：這些參數定義了器件將光子轉換為電流的效率。有時這表示為量子效率，即入射光子能量與電流的比值。光電二極管僅產生非常小的電流，介于納安 (nA) 到幾微安 (μA) 之間。因為固有增益的作用，光電晶體管的電流要高得多，這與傳統的小信號晶體管類似，但它會隨基極驅動、偏置電壓和溫度而變化。
線性度：光電二極管的輸出在較寬范圍內為線性，通常在是七至十個數量級的光強度范圍內。相反，光電晶體管的集電極電流 (IC) 僅在三至四個數量級范圍內為線性，因為光電晶體管的 DC 增益 (hFE) 是集電極電流的函數，而集電極電流又由基極驅動決定。有些光電晶體管應用（例如測試和測量儀器）需要線性度，有些（例如基本的存在/不存在感測）則不依賴于線性度。
接下來，可以根據差異考慮將哪些元器件設備用于設計；減少線性度的要求可增加候選產品并降低成本。
暗電流：對于光電二極管，即使器件處于絕對黑暗的條件下也會有電流流動；而同時也會產生內部噪聲。對于光電晶體管，暗電流是集電極-基極結的漏電電流與晶體管直流電流增益的乘積。它可以防止光電晶體管作為理想開關而完全“關閉”。
響應速度：光電二極管的速度比光電晶體管快，光電晶體管的速度是晶體管集電極-基極結的電容和負載電阻值的函數。另一方面，光電二極管需要外部放大器才有用，而外部放大器會影響其整體響應速度。上升和下降時間（分別為 10% 至 90% 和 90% 至 10%）通常是對稱的，唯一例外是光電晶體管被驅動到飽和狀態會增加下降時間。市面上有售響應速度達到納秒甚至飛秒級的光電二極管。
噪聲：談到電子元件，就不能不提及無法避免的噪聲問題。光電二極管和光電晶體管存在許多形式的噪聲，包括散粒噪聲、暗電流噪聲、熱噪聲、產生復合噪聲和讀出噪聲。每種類型的噪聲源自不同的基本物理因素、不同的器件構成，以及導致這些噪聲源權重不同的工作條件（電壓、溫度、負載）。對于大多數大眾市場消費者應用而言，噪聲不是主要考慮因素。不過，對于儀器和超高速數據鏈路來說，它通常是一個主要問題，尤其是在光照水平非常低的情況下。
關于這些性能參數，設計者必須厘清兩個問題。首先，在查看和比較來自不同供應商的器件時，測試條件是什么？如果光學設置、電壓、負載電阻和其他因素不同，性能會出現很大差異，因此使用可比較的條件非常重要。進行特定選擇時，應在規格書中指定的條件下使用元件。如果操作不可行，則需要采用額外測試或插值。
另一個要厘清的問題是在給定應用中有哪些規格很重要以及重要程度如何。例如，用于通信光纖鏈路的光電二極管關注速度，其光譜響應則不太重要，因為源 LED 光譜已知，并且可以與傳感器配對，這是因為設計時考慮了整體靈敏度配對。
另一方面，用于感測插槽中是否存在信用卡的光電晶體管不需要太快的速度，但可能需要較低的暗電流和一致的增益，以確保在各種現實操作情形中可靠地操作。
就一般指導原則而言，光電二極管的性能很大程度上取決于其材料、摻雜質和封裝，以及光敏材料的芯片尺寸。對于光電晶體管，性能很大程度上取決于上述相同因素以及晶體管增益的附加因素（表 1）。
| 檢測器芯片尺寸的影響參數較小芯片尺寸較大芯片尺寸靈敏度較低較高響應速度較快較慢暗電流較低較高 |
| 晶體管增益的影響 (HFE)參數較低增益 HFE較高增益 HFE靈敏度較低較高響應速度較快較慢暗電流較低較高溫度系數較小較大 |
表 1：基于光敏材料芯片尺寸的光電二極管和光電晶體管的性能，以及晶體管增益對光電晶體管的影響（圖片來源：Digi-Key Electronics）
具有代表性的硅光電二極管是 Everlight PD15-21B/TR8，其紅外光譜響應帶寬為 730 至 1100 nm，峰值為 940 nm（圖 4）。這款黑色塑料表面貼裝器件面向如復印機、游戲機和讀卡器之類基本消費產品。該器件尺寸為 1.5 × 3.2 × 1.1 mm，使用 875 nm 的入射 IR 光源，功率為 1 mW/cm2，最大輸出電流為 0.8 μA。其響應時間為 6 納秒 (ns)，最大暗電流為 10 nA。作為 SMT 器件，此光電二極管提供了比引線型器件更多的安裝選項，但不得超過規格書中定義的回流溫度曲線，即使該溫度對于電路板上其他元件來說是可承受的“溫和”溫度時也是如此。
圖 4：Everlight PD15-21B/TR8 硅光電二極管的光譜輸出峰值在 950 nm 左右，帶寬約為 370 nm。（圖片來源：Everlight）
單獨的光電二極管不能提供大多數情況下所需的電流，也不能驅動任何大型負載。因此，它們幾乎總是搭配跨阻放大器 (TIA) 使用，該放大器會將其低電平、高阻抗輸出轉換為可用電壓。TIA 為光電二極管提供了一個低輸入阻抗，并將輸入端的小電流變化轉換為輸出端的更大電壓變化。
設計注意事項：雖然這看起來與使用已知電流檢測電阻將負載電流轉換為電壓以測量電流的拓撲相同，但事實并非如此。這種安排方式從低阻抗源獲得實質驅動，屬于截然不同的情況。
例如，Analog Devices LTC6268 是一款單通道 FET 輸入運算放大器，具有極低的輸入偏置電流和低輸入電容，適用于儀表應用（圖 5）。
圖 5：Analog Devices 的 LTC6268 TIA 針對儀器儀表應用進行了優化，其極低的噪聲和個位數的毫微微安輸入偏置電流就是證明。（圖片來源：Analog Devices）
室溫下其低偏置電流為 3 毫微微安 (fA)（典型值）、125°C 時為 4 皮安 (pA)（最大值），確保了該 TIA 不會“加載”光電二極管輸出并轉為其微小的電流。其噪聲電流影響低端精度，僅為 5.5 fA /√Hz，最高可達 100 kHz。 動態規格包括：500 MHz 的增益帶寬積，以及 350 MHz 單位增益下的 -3 dB 帶寬。除了分立電阻器之外，其 RC 增益設置反饋網絡還需要一些電容來實現穩定性和回路成形，但在大多數情況下，印刷電路板的寄生電容即已足夠，因此可節省空間并減少 BOM 一個元件。
其他 TIA 針對光學數據鏈路而非儀器進行了優化。Maxim Integrated MAX3658 是一款跨阻放大器，適用于工作速率高達 622 Mb/s 的光接收器，具有與光纖和小型收發器匹配的特性（圖 6）。與儀器 TIA 不同，該器件設計用于驅動差分 75 歐姆同軸線路，以保持信號完整性，最大程度地降低碼間干擾和誤碼率 BER。
圖 6：Maxim Integrated MAX3658 TIA 目標針對速度高達 622 Mb/s 的光纖鏈路，旨在驅動一對平衡的 75 歐姆同軸電纜，以保持信號的完整性。（圖片來源：Maxim Integrated）
與其他運算放大器一樣，無論是傳統類型還是 TIA，MAX3658 規格書都包含許多性能示意圖，從不同視角展示電流、電壓、速度、溫度等參數。但是，由于此 TIA 設計用于 622 Mbps 光鏈路并符合行業應用標準，因此規格書還包括描述各種工作條件下性能的關鍵眼圖（圖 7）。
圖 7：眼圖是用于分析不同光輸入功率水平下數據通信鏈路的標準品質因素。（圖片來源：Maxim Integrated）
對于需要具備固有增益的光電晶體管的應用來說，可選擇 Kingbright APTD3216P3C-P22 NPN 硅器件（圖 8）。跟之前的光電二極管一樣，其尺寸也是 3.2 × 1.6 mm。由于光捕獲孔徑是器件性能的關鍵因素，因此光子捕獲元件不一定越小越好。
圖 8：與傳統晶體管相比，Kingbright APTD3216P3C-P22 光電晶體管的封裝尺寸較大，因此能夠捕獲更多的入射光并帶來更高的靈敏度。（圖片來源：Kingbright）
此外，它也與紅外發射 LED 光源的光譜相匹配，角度靈敏度約為 ±15°（圖 9）。
圖 9：在處理像光電晶體管這樣的器件時，靈敏度相對波長和偏軸角的關系是重要規格。（圖片來源：Kingbright）
由于它也是一個晶體管，因此許多性能指標均對溫度敏感。例如，暗電流在 25°C 時為 1 nA，但在 70°C 時會增加至約 100 nA（圖 10）。必須在產品設計分析時考慮這種漂移。
圖 10：作為晶體管，許多 Kingbright APTD3216P3C-P22 規格均為溫度的函數。此處顯示，當溫度從 25°C 升高到 70°C 時，暗電流從約 1 nA 上升到 100 nA。（圖片來源：Kingbright）
像光電二極管和光電晶體管這樣的光學元件一般用于存在檢測和高性能儀器，對于光學數據鏈路來說它們是必不可少的。由于其具備混合電光特性，因此通常需要仔細考慮電氣、光學和機械設計問題以及專用電子接口元件，才能有效和充分發揮其全部潛力。
只要理解并遵循這些設計考慮因素，就會有各種各樣合適的器件可用作檢測、儀器和光學鏈路應用的解決方案。
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