有一類設(shè)計(jì)問題可以很容易地通過人類視覺來解決。例如，感知打印機(jī)中紙張的位置正確與否。判斷紙張對準(zhǔn)與否對人類來講輕而易舉，但微處理器來說則另當(dāng)別論。手機(jī)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(zhuǎn)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(qiáng)度并根據(jù)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(yīng)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(jìn)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(shè)計(jì)考慮事項(xiàng)，例如，讓人眼看不到具體操作。設(shè)計(jì)人員應(yīng)了解光譜，以使器件與應(yīng)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）。可見光的波長介于兩者之間。
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(guān)頻率。（圖片來源：once Lighting（上）和 Art Pini（下））。
大多數(shù)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(jié)，通過透明體或外蓋暴露在光線下。當(dāng)光線照射到結(jié)時，會根據(jù)具體工作模式產(chǎn)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(dǎo)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(chǎn)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(yīng)用中很有用，一般低于 350 kHz 且光強(qiáng)小。這種輸出電壓很低，且在大多數(shù)情況下，光電二極管的輸出需要采用放大器。
光電導(dǎo)模式要求對光電二極管進(jìn)行反向偏置。此處施加的反向偏置電壓將在 P-N 結(jié)產(chǎn)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(dǎo)致電容減少，從而使響應(yīng)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(jìn)行控制。
如果進(jìn)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(yīng)使每個由光線產(chǎn)生的電子空穴對的數(shù)量實(shí)現(xiàn)倍增。這將帶來光電二極管內(nèi)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(shù)應(yīng)用中，光電二極管在具有反向偏置電壓的光電導(dǎo)模式下工作（圖 2）。
圖 2：由于在耗盡區(qū)產(chǎn)生了電子空穴對，施加了反向偏置電壓的光電二極管產(chǎn)生的電流與光強(qiáng)度成正比。藍(lán)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(jié)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(yīng)選擇小暗電流器件。
當(dāng)具有足夠能量的光線照射在耗盡層時，會電離晶體結(jié)構(gòu)中的原子并產(chǎn)生電子空穴對。由于施加了偏置電壓，現(xiàn)有的電場會把電子移動到陰極，空穴移動到陽極，從而產(chǎn)生光電流。光強(qiáng)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(diǎn)。
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(qiáng)度的函數(shù)。（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(shù)，且以光強(qiáng)度為參數(shù)。請注意，光照強(qiáng)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(qiáng)度的基本原理。當(dāng)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(zhuǎn)換為電壓。
光電二極管的類型
光檢測和測量應(yīng)用的多樣性催生了各種不同的光電二極管類型。基本的光電二極管是平面 P-N 結(jié)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(kuò)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。
圖 4：002-151-001 是一款平面擴(kuò)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(yīng)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(yīng)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(dǎo)體層而形成，因此名稱 PIN 反映了該二極管的結(jié)構(gòu)。
插入本征層可以增加二極管耗盡層的有效寬度，從而產(chǎn)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(chǎn)生更多的光子誘導(dǎo)電子空穴，實(shí)現(xiàn)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(xué)敏感區(qū)（圖 5）。
圖 5：Vishay VBP104SR 是一款具有大光學(xué)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(yīng)在二極管中產(chǎn)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(chǎn)生更多的空穴電子對。這樣會產(chǎn)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(lán)綠色至近紅外），峰值響應(yīng)為 905 nm（紅外）。該器件的光譜響應(yīng)率為 900 nm 時 60 A/W，暗電流小于 1 nA。該器件適合高帶寬應(yīng)用，如汽車光探測和測距 (LiDAR) 和光通信（圖 6）。
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(yīng)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(dǎo)體結(jié)的器件。這種結(jié)的金屬側(cè)形成陽極電極，而 N 型半導(dǎo)體側(cè)則是陰極。光子穿過部分透明的金屬層，在 N 型半導(dǎo)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常快的響應(yīng)時間。這種器件一般采用能夠快速反應(yīng)的小型二極管結(jié)結(jié)構(gòu)。目前市場上已有帶寬在千兆赫茲 (GHz) 范圍內(nèi)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(shù)等應(yīng)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(yīng)率為 0.11 A/W。
圖 7：GUVB-S11SD 是一款基于AlGaN 的 UV 敏感性光傳感器，其有源光學(xué)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(jié)半導(dǎo)體器件，其產(chǎn)生的電流與光強(qiáng)度成正比。這種器件可以認(rèn)為是一種內(nèi)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。基極集電極結(jié)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(jié)會特意做得盡可能大，以使光電流達(dá)到最大。基極發(fā)射極結(jié)采用正向偏置，其集電極電流是入射光照度的函數(shù)。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(yīng)峰值為 880 nm（圖 8）。
圖 8：MTD8600N4-T 光電晶體管產(chǎn)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(shù)量級。（圖片來源：Marktech Optoelectronics）
這種光電晶體管采用帶有透明圓頂?shù)慕饘俜庋b罐。該圖說明集電極電流是以光輻照度為參數(shù)的集電極至發(fā)射極電壓的函數(shù)。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(cè)面接收光線。該器件也會對可見光到近紅外光做出反應(yīng)，在 880 nm 處達(dá)到光響應(yīng)峰值。
結(jié)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(yīng)地進(jìn)行控制或分析算法的一種手段。光電晶體管的應(yīng)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。
