光電晶體管和光電二極管是密切相關(guān)的電光傳感器，它們?cè)谖恢?存在感測、光強(qiáng)度測量和高速光脈沖檢測等應(yīng)用中可將入射光轉(zhuǎn)換成電流。但是，要充分利用這些器件，設(shè)計(jì)人員需要特別注意接口電路、波長和光學(xué)機(jī)械校準(zhǔn)。
例如，需要合適的接口電路以在不同的強(qiáng)度和條件下提取最大電流。但是，確保應(yīng)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(guān)鍵的參數(shù)考慮因素、器件應(yīng)用的一些細(xì)微差別以及一些解決方案示例。
光電二極管和光電晶體管的基礎(chǔ)知識(shí)及屬性
光電二極管在吸收光時(shí)會(huì)產(chǎn)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(shí)會(huì)產(chǎn)生電流。第二種是光電導(dǎo)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(dǎo)致其對(duì)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(qiáng)度讀數(shù)。而從另一個(gè)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(shí)都必須搭配一個(gè)關(guān)聯(lián)的放大器，例如跨阻放大器 (TIA)，以將電流轉(zhuǎn)換為有用的信號(hào)。
圖 1：由于需要到傳感器芯片的透鏡和光學(xué)路徑，光電二極管和光電晶體管要求采用不同于傳統(tǒng)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(fù)雜一些。照射在器件上的光子會(huì)激活晶體管，但其他行為與傳統(tǒng)晶體管相同。（在固態(tài)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(dǎo)致電路行為因電路上的光照量而產(chǎn)生不穩(wěn)定！）光電晶體管的等效電路就是一種輸出光電流進(jìn)入小信號(hào)晶體管基極的光電二極管（圖 2）。
圖 2：光電晶體管的電學(xué)和物理模型就是一種輸出光電流進(jìn)入小信號(hào)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(duì)于 CE 配置，光線使輸出從高狀態(tài)變?yōu)榈蜖顟B(tài)；而對(duì)于 CC 配置，狀態(tài)轉(zhuǎn)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(gè)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(guān)模式。在有源模式下，晶體管是一個(gè)模擬元件，其線性輸出與光強(qiáng)度成正比。在開關(guān)模式下，晶體管充當(dāng)一個(gè)數(shù)字元件，且不是處于截止（關(guān)）狀態(tài)就是處于飽和（開）狀態(tài)。
具體工作模式由負(fù)載電阻 RL 的值決定，如圖 3 中的 Rc 或 Re。VCC > RL × ICC 時(shí)進(jìn)入有源模式，VCC < RL × ICC 時(shí)為開關(guān)模式，其中 IC 是最大預(yù)期電流，VCC 是供電電壓，如圖所示。如果光電晶體管用于評(píng)估光強(qiáng)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(dāng)卡在插槽中時(shí)），則使用開關(guān)模式。
雖然光電晶體管和光電二極管密切相關(guān)，但它們存在切實(shí)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(gè)數(shù)量級(jí)，且頻率響應(yīng)范圍比光電晶體管寬。這就是它們?cè)诟咚俟饫w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(duì)應(yīng)用而言足夠的電流增益。
另外，光電二極管的性能參數(shù)，包括對(duì)光的敏感性、漏電電流和響應(yīng)速度，隨溫度變化的幅度小于光電晶體管。
設(shè)計(jì)問題：不僅僅是電子設(shè)備
光電晶體管和光電二極管本質(zhì)上都受到光的刺激。當(dāng)然，這意味著設(shè)計(jì)必須提供清晰的光學(xué)路徑，以便光一致地到達(dá)光電器件，并且在產(chǎn)品的正常使用和壽命期間必須對(duì)準(zhǔn)并保持從來源到感應(yīng)表面的路徑。
光電晶體管或光電二極管放置的機(jī)械問題取決于應(yīng)用、使用模式、用戶交互以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)中必須仔細(xì)考量的眾多其他因素。確保此光學(xué)路徑的一致性至關(guān)重要。即使是由于制造公差、電路板彎曲、灰塵以及其他預(yù)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(xué)半功率接收角在 ±10° 和 ±30° 之間，具體取決于芯片尺寸、透鏡設(shè)置和間距。依據(jù)應(yīng)用布置方式，可以首選更寬或更窄的接收角。
有時(shí)相反的情況會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)問題；光敏元件可能會(huì)感測到不需要的來自環(huán)境光源的光。在這些情況下，可能需要添加外部光學(xué)屏蔽裝置、內(nèi)部光阻擋裝置、光學(xué)波長帶通濾波器，或加大傳感器的凹陷程度，而不妨礙發(fā)射器在傳感器路徑上的輸出。這通常涉及電子、光學(xué)和機(jī)械問題，需要在相互沖突的目標(biāo)中找到“最佳結(jié)合帶”或平衡點(diǎn)。
性能參數(shù)反映了光電方面的設(shè)計(jì)權(quán)衡
雖然這些器件有很多電氣規(guī)格，但它們也有混合模式的光電考慮因素。這包括光譜響應(yīng)、靈敏度和增益、線性度、暗電流、響應(yīng)速度和噪聲。
光譜響應(yīng)：光譜響應(yīng)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(nèi)的波段具有約 840 納米 (nm) 的峰值靈敏度，但是可以針對(duì)其他波長提供優(yōu)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?yàn)樗鼈兊牡讓庸虘B(tài)物理原理相同。不過，光電晶體管的峰值響應(yīng)波長略短于典型的光電二極管，因?yàn)楣怆娋w管的擴(kuò)散結(jié)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(huán)境光，必須在相應(yīng)的靈敏度頻段內(nèi)提供其輸出，以使光電器件有效發(fā)揮作用。幸運(yùn)的是，標(biāo)準(zhǔn) LED 的輸出光譜在硅基光電傳感器的靈敏度頻段內(nèi)。
靈敏度和增益：這些參數(shù)定義了器件將光子轉(zhuǎn)換為電流的效率。有時(shí)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(chǎn)生非常小的電流，介于納安 (nA) 到幾微安 (μA) 之間。因?yàn)楣逃性鲆娴淖饔茫怆娋w管的電流要高得多，這與傳統(tǒng)的小信號(hào)晶體管類似，但它會(huì)隨基極驅(qū)動(dòng)、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(nèi)為線性，通常在是七至十個(gè)數(shù)量級(jí)的光強(qiáng)度范圍內(nèi)。相反，光電晶體管的集電極電流 (IC) 僅在三至四個(gè)數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)為線性，因?yàn)楣怆娋w管的 DC 增益 (hFE) 是集電極電流的函數(shù)，而集電極電流又由基極驅(qū)動(dòng)決定。有些光電晶體管應(yīng)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(jù)差異考慮將哪些元器件設(shè)備用于設(shè)計(jì)；減少線性度的要求可增加候選產(chǎn)品并降低成本。
暗電流：對(duì)于光電二極管，即使器件處于絕對(duì)黑暗的條件下也會(huì)有電流流動(dòng)；而同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部噪聲。對(duì)于光電晶體管，暗電流是集電極-基極結(jié)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(guān)而完全“關(guān)閉”。
響應(yīng)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(jié)的電容和負(fù)載電阻值的函數(shù)。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(huì)影響其整體響應(yīng)速度。上升和下降時(shí)間（分別為 10% 至 90% 和 90% 至 10%）通常是對(duì)稱的，唯一例外是光電晶體管被驅(qū)動(dòng)到飽和狀態(tài)會(huì)增加下降時(shí)間。市面上有售響應(yīng)速度達(dá)到納秒甚至飛秒級(jí)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(chǎn)生復(fù)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(gòu)成，以及導(dǎo)致這些噪聲源權(quán)重不同的工作條件（電壓、溫度、負(fù)載）。對(duì)于大多數(shù)大眾市場消費(fèi)者應(yīng)用而言，噪聲不是主要考慮因素。不過，對(duì)于儀器和超高速數(shù)據(jù)鏈路來說，它通常是一個(gè)主要問題，尤其是在光照水平非常低的情況下。
關(guān)于這些性能參數(shù)，設(shè)計(jì)者必須厘清兩個(gè)問題。首先，在查看和比較來自不同供應(yīng)商的器件時(shí)，測試條件是什么？如果光學(xué)設(shè)置、電壓、負(fù)載電阻和其他因素不同，性能會(huì)出現(xiàn)很大差異，因此使用可比較的條件非常重要。進(jìn)行特定選擇時(shí)，應(yīng)在規(guī)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(gè)要厘清的問題是在給定應(yīng)用中有哪些規(guī)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(guān)注速度，其光譜響應(yīng)則不太重要，因?yàn)樵?LED 光譜已知，并且可以與傳感器配對(duì)，這是因?yàn)樵O(shè)計(jì)時(shí)考慮了整體靈敏度配對(duì)。
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(xiàn)實(shí)操作情形中可靠地操作。
就一般指導(dǎo)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(zhì)和封裝，以及光敏材料的芯片尺寸。對(duì)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(shù)較小芯片尺寸較大芯片尺寸靈敏度較低較高響應(yīng)速度較快較慢暗電流較低較高 |
| 晶體管增益的影響 (HFE)參數(shù)較低增益 HFE較高增益 HFE靈敏度較低較高響應(yīng)速度較快較慢暗電流較低較高溫度系數(shù)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(duì)光電晶體管的影響（圖片來源：Digi-Key Electronics）
實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的元器件
具有代表性的硅光電二極管是 Everlight PD15-21B/TR8，其紅外光譜響應(yīng)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(fù)印機(jī)、游戲機(jī)和讀卡器之類基本消費(fèi)產(chǎn)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(yīng)時(shí)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(xiàng)，但不得超過規(guī)格書中定義的回流溫度曲線，即使該溫度對(duì)于電路板上其他元件來說是可承受的“溫和”溫度時(shí)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(dú)的光電二極管不能提供大多數(shù)情況下所需的電流，也不能驅(qū)動(dòng)任何大型負(fù)載。因此，它們幾乎總是搭配跨阻放大器 (TIA) 使用，該放大器會(huì)將其低電平、高阻抗輸出轉(zhuǎn)換為可用電壓。TIA 為光電二極管提供了一個(gè)低輸入阻抗，并將輸入端的小電流變化轉(zhuǎn)換為輸出端的更大電壓變化。
設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)：雖然這看起來與使用已知電流檢測電阻將負(fù)載電流轉(zhuǎn)換為電壓以測量電流的拓?fù)湎嗤聦?shí)并非如此。這種安排方式從低阻抗源獲得實(shí)質(zhì)驅(qū)動(dòng)，屬于截然不同的情況。
例如，Analog Devices LTC6268 是一款單通道 FET 輸入運(yùn)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(yīng)用（圖 5）。
圖 5：Analog Devices 的 LTC6268 TIA 針對(duì)儀器儀表應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，其極低的噪聲和個(gè)位數(shù)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(shí)為 4 皮安 (pA)（最大值），確保了該 TIA 不會(huì)“加載”光電二極管輸出并轉(zhuǎn)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(dá) 100 kHz。 動(dòng)態(tài)規(guī)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(shè)置反饋網(wǎng)絡(luò)還需要一些電容來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性和回路成形，但在大多數(shù)情況下，印刷電路板的寄生電容即已足夠，因此可節(jié)省空間并減少 BOM 一個(gè)元件。
其他 TIA 針對(duì)光學(xué)數(shù)據(jù)鏈路而非儀器進(jìn)行了優(yōu)化。Maxim Integrated MAX3658 是一款跨阻放大器，適用于工作速率高達(dá) 622 Mb/s 的光接收器，具有與光纖和小型收發(fā)器匹配的特性（圖 6）。與儀器 TIA 不同，該器件設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)差分 75 歐姆同軸線路，以保持信號(hào)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(biāo)針對(duì)速度高達(dá) 622 Mb/s 的光纖鏈路，旨在驅(qū)動(dòng)一對(duì)平衡的 75 歐姆同軸電纜，以保持信號(hào)的完整性。（圖片來源：Maxim Integrated）
與其他運(yùn)算放大器一樣，無論是傳統(tǒng)類型還是 TIA，MAX3658 規(guī)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(shù)。但是，由于此 TIA 設(shè)計(jì)用于 622 Mbps 光鏈路并符合行業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，因此規(guī)格書還包括描述各種工作條件下性能的關(guān)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(shù)據(jù)通信鏈路的標(biāo)準(zhǔn)品質(zhì)因素。（圖片來源：Maxim Integrated）
對(duì)于需要具備固有增益的光電晶體管的應(yīng)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(guān)鍵因素，因此光子捕獲元件不一定越小越好。
圖 8：與傳統(tǒng)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(fā)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(shí)，靈敏度相對(duì)波長和偏軸角的關(guān)系是重要規(guī)格。（圖片來源：Kingbright）
由于它也是一個(gè)晶體管，因此許多性能指標(biāo)均對(duì)溫度敏感。例如，暗電流在 25°C 時(shí)為 1 nA，但在 70°C 時(shí)會(huì)增加至約 100 nA（圖 10）。必須在產(chǎn)品設(shè)計(jì)分析時(shí)考慮這種漂移。
圖 10：作為晶體管，許多 Kingbright APTD3216P3C-P22 規(guī)格均為溫度的函數(shù)。此處顯示，當(dāng)溫度從 25°C 升高到 70°C 時(shí)，暗電流從約 1 nA 上升到 100 nA。（圖片來源：Kingbright）
總結(jié)
像光電二極管和光電晶體管這樣的光學(xué)元件一般用于存在檢測和高性能儀器，對(duì)于光學(xué)數(shù)據(jù)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(xì)考慮電氣、光學(xué)和機(jī)械設(shè)計(jì)問題以及專用電子接口元件，才能有效和充分發(fā)揮其全部潛力。
只要理解并遵循這些設(shè)計(jì)考慮因素，就會(huì)有各種各樣合適的器件可用作檢測、儀器和光學(xué)鏈路應(yīng)用的解決方案。
