光电二极管和光电晶体管的原理及解决方案示例

光电晶体管和光电二极管是密切相关的电光传感器，它们在位置/存在感测、光强度测量和高速光脉冲检测等应用中可将入射光转换成电流。但是，要充分利用这些器件，设计人员需要特别注意接口电路、波长和光学机械校准。

例如，需要合适的接口电路以在不同的强度和条件下提取最大电流。但是，确保应用的有效性还需要了解光电晶体管和光电二极管的工作原理以及二者之间的差异。

本文将讨论这些器件的工作原理、一些关键的参数考虑因素、器件应用的一些细微差别以及一些解决方案示例。

光电二极管和光电晶体管的基础知识及属性

光电二极管在吸收光时会产生电流。图 1 显示了两种类型的光电二极管。第一种就是广为人知的光伏二极管（太阳能电池），光照时会产生电流。第二种是光电导体，是反向偏置的光电二极管。照射在光电二极管上的光线导致其对反向偏置电流的电阻降低。

通过测量此电流可给出入射光的强度读数。而从另一个角度来看，光电二极管可用于限制电流，光线越多，限制越少。在几乎所有情况下，使用光电二极管时都必须搭配一个关联的放大器，例如跨阻放大器 (TIA)，以将电流转换为有用的信号。

图 1：由于需要到传感器芯片的透镜和光学路径，光电二极管和光电晶体管要求采用不同于传统二极管和晶体管的封装方法。（图片来源：Learnabout-electronics）

由于光电晶体管是暴露出基极端子的晶体管，因此比光电二极管稍微复杂一些。照射在器件上的光子会激活晶体管，但其他行为与传统晶体管相同。（在固态器件被采用的初期，一些晶体管和许多二极管封装在透明外壳中，这导致电路行为因电路上的光照量而产生不稳定！）光电晶体管的等效电路就是一种输出光电流进入小信号晶体管基极的光电二极管（图 2）。

图 2：光电晶体管的电学和物理模型就是一种输出光电流进入小信号晶体管基极的光电二极管。（图片来源：Mechapedia/Northwestern University）

作为三端子器件，光电晶体管可通过多种方式连接，共射极 (CE) 和共集极 (CC) 放大器是最常用的配置（图 3）。对于 CE 配置，光线使输出从高状态变为低状态；而对于 CC 配置，状态转换则刚好相反。

图 3：跟晶体管一样，光电晶体管可以通过共射极（左）或共集极（右）配置连接。（图片来源：ON Semiconductor）

光电晶体管有另一个不适用于光电二极管的重要考虑因素，即：晶体管既可以用于有源模式也可以用于开关模式。在有源模式下，晶体管是一个模拟元件，其线性输出与光强度成正比。在开关模式下，晶体管充当一个数字元件，且不是处于截止（关）状态就是处于饱和（开）状态。

具体工作模式由负载电阻 RL 的值决定，如图 3 中的 Rc 或 Re。VCC > RL × ICC 时进入有源模式，VCC < RL × ICC 时为开关模式，其中 IC 是最大预期电流，VCC 是供电电压，如图所示。如果光电晶体管用于评估光强度，则使用有源模式。如果光电晶体管用于检测是否存在光线（例如当卡在插槽中时），则使用开关模式。

虽然光电晶体管和光电二极管密切相关，但它们存在切实的性能差异。通常，光电二极管的制造速度可能要快一到两个数量级，且频率响应范围比光电晶体管宽。这就是它们在高速光纤链路中被用于光脉冲检测的原因。但是，光电二极管需要外部放大器，而光电晶体管本身即具备对应用而言足够的电流增益。

另外，光电二极管的性能参数，包括对光的敏感性、漏电电流和响应速度，随温度变化的幅度小于光电晶体管。

设计问题：不仅仅是电子设备

光电晶体管和光电二极管本质上都受到光的刺激。当然，这意味着设计必须提供清晰的光学路径，以便光一致地到达光电器件，并且在产品的正常使用和寿命期间必须对准并保持从来源到感应表面的路径。

光电晶体管或光电二极管放置的机械问题取决于应用、使用模式、用户交互以及产品设计中必须仔细考量的众多其他因素。确保此光学路径的一致性至关重要。即使是由于制造公差、电路板弯曲、灰尘以及其他预期和/或某些异常使用引起的微小变化，也必须予以考虑。

典型光电二极管和光电晶体管的光学半功率接收角在 ±10° 和 ±30° 之间，具体取决于芯片尺寸、透镜设置和间距。依据应用布置方式，可以首选更宽或更窄的接收角。

有时相反的情况会导致出现问题；光敏元件可能会感测到不需要的来自环境光源的光。在这些情况下，可能需要添加外部光学屏蔽装置、内部光阻挡装置、光学波长带通滤波器，或加大传感器的凹陷程度，而不妨碍发射器在传感器路径上的输出。这通常涉及电子、光学和机械问题，需要在相互冲突的目标中找到“最佳结合带”或平衡点。

性能参数反映了光电方面的设计权衡

虽然这些器件有很多电气规格，但它们也有混合模式的光电考虑因素。这包括光谱响应、灵敏度和增益、线性度、暗电流、响应速度和噪声。

光谱响应：光谱响应主要取决于器件的基材和掺杂情况。硅基器件在近红外 (IR) 范围内的波段具有约 840 纳米 (nm) 的峰值灵敏度，但是可以针对其他波长提供优化的器件。

光电晶体管和光电二极管具有相似的光谱灵敏度，因为它们的底层固态物理原理相同。不过，光电晶体管的峰值响应波长略短于典型的光电二极管，因为光电晶体管的扩散结是外延生长形成的，而不是晶体生长的硅晶片。

这意味着它们“看到”的光源，无论是 LED、太阳光还是来自其他光源的环境光，必须在相应的灵敏度频段内提供其输出，以使光电器件有效发挥作用。幸运的是，标准 LED 的输出光谱在硅基光电传感器的灵敏度频段内。

灵敏度和增益：这些参数定义了器件将光子转换为电流的效率。有时这表示为量子效率，即入射光子能量与电流的比值。光电二极管仅产生非常小的电流，介于纳安 (nA) 到几微安 (µA) 之间。因为固有增益的作用，光电晶体管的电流要高得多，这与传统的小信号晶体管类似，但它会随基极驱动、偏置电压和温度而变化。

线性度：光电二极管的输出在较宽范围内为线性，通常在是七至十个数量级的光强度范围内。相反，光电晶体管的集电极电流 (IC) 仅在三至四个数量级范围内为线性，因为光电晶体管的 DC 增益 (hFE) 是集电极电流的函数，而集电极电流又由基极驱动决定。有些光电晶体管应用（例如测试和测量仪器）需要线性度，有些（例如基本的存在/不存在感测）则不依赖于线性度。

接下来，可以根据差异考虑将哪些元器件设备用于设计；减少线性度的要求可增加候选产品并降低成本。

暗电流：对于光电二极管，即使器件处于绝对黑暗的条件下也会有电流流动；而同时也会产生内部噪声。对于光电晶体管，暗电流是集电极-基极结的漏电电流与晶体管直流电流增益的乘积。它可以防止光电晶体管作为理想开关而完全“关闭”。

响应速度：光电二极管的速度比光电晶体管快，光电晶体管的速度是晶体管集电极-基极结的电容和负载电阻值的函数。另一方面，光电二极管需要外部放大器才有用，而外部放大器会影响其整体响应速度。上升和下降时间（分别为 10% 至 90% 和 90% 至 10%）通常是对称的，唯一例外是光电晶体管被驱动到饱和状态会增加下降时间。市面上有售响应速度达到纳秒甚至飞秒级的光电二极管。

噪声：谈到电子元件，就不能不提及无法避免的噪声问题。光电二极管和光电晶体管存在许多形式的噪声，包括散粒噪声、暗电流噪声、热噪声、产生复合噪声和读出噪声。每种类型的噪声源自不同的基本物理因素、不同的器件构成，以及导致这些噪声源权重不同的工作条件（电压、温度、负载）。对于大多数大众市场消费者应用而言，噪声不是主要考虑因素。不过，对于仪器和超高速数据链路来说，它通常是一个主要问题，尤其是在光照水平非常低的情况下。

关于这些性能参数，设计者必须厘清两个问题。首先，在查看和比较来自不同供应商的器件时，测试条件是什么？如果光学设置、电压、负载电阻和其他因素不同，性能会出现很大差异，因此使用可比较的条件非常重要。进行特定选择时，应在规格书中指定的条件下使用元件。如果操作不可行，则需要采用额外测试或插值。

另一个要厘清的问题是在给定应用中有哪些规格很重要以及重要程度如何。例如，用于通信光纤链路的光电二极管关注速度，其光谱响应则不太重要，因为源 LED 光谱已知，并且可以与传感器配对，这是因为设计时考虑了整体灵敏度配对。

另一方面，用于感测插槽中是否存在信用卡的光电晶体管不需要太快的速度，但可能需要较低的暗电流和一致的增益，以确保在各种现实操作情形中可靠地操作。

就一般指导原则而言，光电二极管的性能很大程度上取决于其材料、掺杂质和封装，以及光敏材料的芯片尺寸。对于光电晶体管，性能很大程度上取决于上述相同因素以及晶体管增益的附加因素（表 1）。

检测器芯片尺寸的影响 参数 较小芯片尺寸 较大芯片尺寸 灵敏度 较低 较高 响应速度 较快 较慢 暗电流 较低 较高 晶体管增益的影响 (HFE) 参数 较低增益 HFE 较高增益 HFE 灵敏度 较低 较高 响应速度 较快 较慢 暗电流 较低 较高 温度系数 较小 较大

表 1：基于光敏材料芯片尺寸的光电二极管和光电晶体管的性能，以及晶体管增益对光电晶体管的影响（图片来源：Digi-Key Electronics）

实现光电转换的元器件

具有代表性的硅光电二极管是 Everlight PD15-21B/TR8，其红外光谱响应带宽为 730 至 1100 nm，峰值为 940 nm（图 4）。这款黑色塑料表面贴装器件面向如复印机、游戏机和读卡器之类基本消费产品。该器件尺寸为 1.5 × 3.2 × 1.1 mm，使用 875 nm 的入射 IR 光源，功率为 1 mW/cm2，最大输出电流为 0.8 μA。其响应时间为 6 纳秒 (ns)，最大暗电流为 10 nA。作为 SMT 器件，此光电二极管提供了比引线型器件更多的安装选项，但不得超过规格书中定义的回流温度曲线，即使该温度对于电路板上其他元件来说是可承受的“温和”温度时也是如此。

图 4：Everlight PD15-21B/TR8 硅光电二极管的光谱输出峰值在 950 nm 左右，带宽约为 370 nm。（图片来源：Everlight）

单独的光电二极管不能提供大多数情况下所需的电流，也不能驱动任何大型负载。因此，它们几乎总是搭配跨阻放大器 (TIA) 使用，该放大器会将其低电平、高阻抗输出转换为可用电压。TIA 为光电二极管提供了一个低输入阻抗，并将输入端的小电流变化转换为输出端的更大电压变化。

设计注意事项：虽然这看起来与使用已知电流检测电阻将负载电流转换为电压以测量电流的拓扑相同，但事实并非如此。这种安排方式从低阻抗源获得实质驱动，属于截然不同的情况。

例如，Analog Devices LTC6268 是一款单通道 FET 输入运算放大器，具有极低的输入偏置电流和低输入电容，适用于仪表应用（图 5）。

图 5：Analog Devices 的 LTC6268 TIA 针对仪器仪表应用进行了优化，其极低的噪声和个位数的毫微微安输入偏置电流就是证明。（图片来源：Analog Devices）

室温下其低偏置电流为 3 毫微微安 (fA)（典型值）、125°C 时为 4 皮安 (pA)（最大值），确保了该 TIA 不会“加载”光电二极管输出并转为其微小的电流。其噪声电流影响低端精度，仅为 5.5 fA /√Hz，最高可达 100 kHz。 动态规格包括：500 MHz 的增益带宽积，以及 350 MHz 单位增益下的 -3 dB 带宽。除了分立电阻器之外，其 RC 增益设置反馈网络还需要一些电容来实现稳定性和回路成形，但在大多数情况下，印刷电路板的寄生电容即已足够，因此可节省空间并减少 BOM 一个元件。

其他 TIA 针对光学数据链路而非仪器进行了优化。Maxim Integrated MAX3658 是一款跨阻放大器，适用于工作速率高达 622 Mb/s 的光接收器，具有与光纤和小型收发器匹配的特性（图 6）。与仪器 TIA 不同，该器件设计用于驱动差分 75 欧姆同轴线路，以保持信号完整性，最大程度地降低码间干扰和误码率 BER。

图 6：Maxim Integrated MAX3658 TIA 目标针对速度高达 622 Mb/s 的光纤链路，旨在驱动一对平衡的 75 欧姆同轴电缆，以保持信号的完整性。（图片来源：Maxim Integrated）

与其他运算放大器一样，无论是传统类型还是 TIA，MAX3658 规格书都包含许多性能示意图，从不同视角展示电流、电压、速度、温度等参数。但是，由于此 TIA 设计用于 622 Mbps 光链路并符合行业应用标准，因此规格书还包括描述各种工作条件下性能的关键眼图（图 7）。

图 7：眼图是用于分析不同光输入功率水平下数据通信链路的标准品质因素。（图片来源：Maxim Integrated）

对于需要具备固有增益的光电晶体管的应用来说，可选择 Kingbright APTD3216P3C-P22 NPN 硅器件（图 8）。跟之前的光电二极管一样，其尺寸也是 3.2 × 1.6 mm。由于光捕获孔径是器件性能的关键因素，因此光子捕获元件不一定越小越好。

图 8：与传统晶体管相比，Kingbright APTD3216P3C-P22 光电晶体管的封装尺寸较大，因此能够捕获更多的入射光并带来更高的灵敏度。（图片来源：Kingbright）

此外，它也与红外发射 LED 光源的光谱相匹配，角度灵敏度约为 ±15°（图 9）。

图 9：在处理像光电晶体管这样的器件时，灵敏度相对波长和偏轴角的关系是重要规格。（图片来源：Kingbright）

由于它也是一个晶体管，因此许多性能指标均对温度敏感。例如，暗电流在 25°C 时为 1 nA，但在 70°C 时会增加至约 100 nA（图 10）。必须在产品设计分析时考虑这种漂移。

图 10：作为晶体管，许多 Kingbright APTD3216P3C-P22 规格均为温度的函数。此处显示，当温度从 25°C 升高到 70°C 时，暗电流从约 1 nA 上升到 100 nA。（图片来源：Kingbright）

总结

像光电二极管和光电晶体管这样的光学元件一般用于存在检测和高性能仪器，对于光学数据链路来说它们是必不可少的。由于其具备混合电光特性，因此通常需要仔细考虑电气、光学和机械设计问题以及专用电子接口元件，才能有效和充分发挥其全部潜力。

只要理解并遵循这些设计考虑因素，就会有各种各样合适的器件可用作检测、仪器和光学链路应用的解决方案。