【導讀】youyileishejiwentikeyihenrongyiditongguorenleishijiaolaijiejue。liru，ganzhidayinjizhongzhizhangdeweizhizhengqueyufou。panduanzhizhangduizhunyufouduirenleilaijiangqingeryiju，danweichuliqilaishuozelingdangbielun。shoujishexiangtouxuyaocelianghuanjingguangxianyiquedingshifouxuyaoqidongshanguangdeng。ruhewuchuangpingguxueyezhongdeyanghanliang
？

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（或微控製器）能夠“看到”的電信號。這樣，就能夠控製物體的定位和排列，確定光強度並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，並將以Advanced Photonix, Inc.
、Vishay Semiconductor Opto Division、Excelitas Technologies、Genicom Co., Ltd.和Marktech Optoelectronics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(guang)電(dian)二(er)極(ji)管(guan)和(he)光(guang)電(dian)晶(jing)體(ti)管(guan)對(dui)一(yi)係(xi)列(lie)波(bo)長(chang)的(de)光(guang)波(bo)敏(min)感(gan)。在(zai)有(you)些(xie)情(qing)況(kuang)下(xia)，這(zhe)是(shi)設(she)計(ji)考(kao)慮(lv)事(shi)項(xiang)，例(li)如(ru)，讓(rang)人(ren)眼(yan)看(kan)不(bu)到(dao)具(ju)體(ti)操(cao)作(zuo)。設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)應(ying)了(le)解(jie)光(guang)譜(pu)，以(yi)使(shi)器(qi)件(jian)與(yu)應(ying)用(yong)相(xiang)匹(pi)配(pei)。

光譜範圍為從長波長紅外線 (IR) 延伸到短波長紫外線 (UV)（圖1）。可見光的波長介於兩者之間。

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。

矽 (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)、砷化镓銦 (InGaAs)、鍺 (Ge) 或碲化鎘汞 (HgCdTe)。紫外線敏感器件通常使用碳化矽 (SiC)。

光電二極管

光電二極管是一種雙元件P-N或PINjie，tongguotoumingtihuowaigaibaoluzaiguangxianxia。dangguangxianzhaoshedaojieshi，huigenjujutigongzuomoshichanshengdianliuhuodianya。guangdianerjiguanyousanzhonggongzuomoshi，jutiqujueyushijiadaogaiqijiandepianzhizhi。zhexieshiguangfu、光電導或雪崩二極管模式。

如ru果guo光guang電dian二er極ji管guan未wei施shi加jia偏pian置zhi信xin號hao
，則ze在zai光guang電dian模mo式shi下xia工gong作zuo並bing且qie能neng在zai光guang源yuan照zhao射she下xia產chan生sheng一yi個ge小xiao輸shu出chu電dian壓ya。這zhe種zhong模mo式shi下xia，光guang電dian二er極ji管guan的de作zuo用yong就jiu像xiang太tai陽yang能neng電dian池chi。光guang電dian模mo式shi在zai低di頻pin應ying用yong中zhong很hen有you用yong
，一yi般ban低di於yu350kHz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(jie)產(chan)生(sheng)一(yi)個(ge)耗(hao)盡(jin)區(qu)。偏(pian)置(zhi)電(dian)壓(ya)越(yue)大(da)，耗(hao)盡(jin)區(qu)就(jiu)越(yue)寬(kuan)。與(yu)無(wu)偏(pian)置(zhi)電(dian)壓(ya)的(de)二(er)極(ji)管(guan)相(xiang)比(bi)，耗(hao)盡(jin)區(qu)越(yue)寬(kuan)會(hui)導(dao)致(zhi)電(dian)容(rong)減(jian)少(shao)，從(cong)而(er)使(shi)響(xiang)應(ying)時(shi)間(jian)更(geng)快(kuai)。這(zhe)種(zhong)工(gong)作(zuo)模(mo)式(shi)的(de)噪(zao)音(yin)水(shui)平(ping)較(jiao)高(gao)
，可(ke)能(neng)需(xu)要(yao)通(tong)過(guo)帶(dai)寬(kuan)限(xian)製(zhi)進(jin)行(xing)控(kong)製(zhi)。

ruguojinyibuzengdafanxiangpianzhidianya，guangdianerjiguanjiangzaixuebengerjiguanmoshixiagongzuo。zaizhezhonggongzuomoshixia，guangdianerjiguanzaigaofanxiangpianzhidianyaxiagongzuo，yunxuyouyuxuebengjichuanxiaoyingshimeigeyouguangxianchanshengdedianzikongxueduideshuliangshixianbeizeng。zhejiangdailaiguangdianerjiguanneibuzengyihegenggaodelingmindu。zhezhonggongzuomoshidegongnengleisiyuguangdianbeizengguan。

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）。

圖2：由於在耗盡區產生了電子空穴對，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）

shijialefanxiangpianzhidianyadeweifaguangguangdianerjiguanjiezhongyouyigeziyouzailiuzihenshaodehaojinqu。takanqilaixiangyigedaidiandedianrongqi。youyigeyourejifadianliyinqidexiaodianliu，chengwei“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。由於光照度極低
，暗電流會掩蓋光電流
，所以應選擇小暗電流器件。

當(dang)具(ju)有(you)足(zu)夠(gou)能(neng)量(liang)的(de)光(guang)線(xian)照(zhao)射(she)在(zai)耗(hao)盡(jin)層(ceng)時(shi)
，會(hui)電(dian)離(li)晶(jing)體(ti)結(jie)構(gou)中(zhong)的(de)原(yuan)子(zi)並(bing)產(chan)生(sheng)電(dian)子(zi)空(kong)穴(xue)對(dui)。由(you)於(yu)施(shi)加(jia)了(le)偏(pian)置(zhi)電(dian)壓(ya)，現(xian)有(you)的(de)電(dian)場(chang)會(hui)把(ba)電(dian)子(zi)移(yi)動(dong)到(dao)陰(yin)極(ji)，空(kong)穴(xue)移(yi)動(dong)到(dao)陽(yang)極(ji)
，從(cong)而(er)產(chan)生(sheng)光(guang)電(dian)流(liu)。光(guang)強(qiang)度(du)越(yue)大(da)，光(guang)電(dian)流(liu)就(jiu)越(yue)大(da)。圖(tu)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。

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）

gaituxianshierjiguanfanxiangdianliushisuoshijiafanxiangpianzhidianyadehanshu，qieyiguangqiangduweicanshu。qingzhuyi
，guangzhaoqiangduzengdahuishifanxiangdianliushuipingchengbilizengda。zhejiushishiyongguangdianerjiguanceliangguangqiangdudejibenyuanli。dangpianzhidianyadayu0.5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。基本的光電二極管是平麵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就是一款平麵擴散InGaAs光電二極管/光電探測器（圖4）。該器件采用表麵貼裝器件 (SMD) 封裝，尺寸為1.6 x 3.2 x 1.1mm，有源光孔直徑為0.05mm。

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

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

PIN二極管通過在傳統二極管的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(cha)入(ru)本(ben)征(zheng)層(ceng)可(ke)以(yi)增(zeng)加(jia)二(er)極(ji)管(guan)耗(hao)盡(jin)層(ceng)的(de)有(you)效(xiao)寬(kuan)度(du)，從(cong)而(er)產(chan)生(sheng)很(hen)小(xiao)的(de)電(dian)容(rong)並(bing)提(ti)高(gao)擊(ji)穿(chuan)電(dian)壓(ya)。較(jiao)小(xiao)的(de)電(dian)容(rong)有(you)效(xiao)地(di)提(ti)高(gao)了(le)光(guang)電(dian)二(er)極(ji)管(guan)的(de)速(su)度(du)。較(jiao)大(da)的(de)耗(hao)盡(jin)區(qu)可(ke)產(chan)生(sheng)更(geng)多(duo)的(de)光(guang)子(zi)誘(you)導(dao)電(dian)子(zi)空(kong)穴(xue)，實(shi)現(xian)更(geng)高(gao)的(de)量(liang)子(zi)效(xiao)率(lv)。

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

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

雪崩光電二極管 (APD) 在(zai)功(gong)能(neng)上(shang)類(lei)似(si)於(yu)光(guang)電(dian)倍(bei)增(zeng)管(guan)，利(li)用(yong)雪(xue)崩(beng)效(xiao)應(ying)在(zai)二(er)極(ji)管(guan)中(zhong)產(chan)生(sheng)增(zeng)益(yi)。在(zai)高(gao)反(fan)向(xiang)偏(pian)壓(ya)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，每(mei)個(ge)空(kong)穴(xue)電(dian)子(zi)對(dui)通(tong)過(guo)雪(xue)崩(beng)擊(ji)穿(chuan)方(fang)式(shi)產(chan)生(sheng)更(geng)多(duo)的(de)空(kong)穴(xue)電(dian)子(zi)對(dui)。這(zhe)樣(yang)會(hui)產(chan)生(sheng)以(yi)更(geng)大(da)的(de)“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。該器件的光譜範圍為500nm至1000nm（藍綠色至近紅外）


，峰值響應為905nm（紅外）。該器件的光譜響應率為900nm時60A/W，暗電流小於1nA。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）。

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於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。

zhezhongerjiguandelingwaiyigezhongyaotexingshiqifeichangkuaidexiangyingshijian。zhezhongqijianyibancaiyongnenggoukuaisufanyingdexiaoxingerjiguanjiejiegou。muqianshichangshangyiyoudaikuanzaiqianzhaohezi (GHz) 範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於諸如紫外線指數等應用。該器件使用一種基於氮化鋁(AlGaN) 的材料
，在紫外光譜中的光譜靈敏度範圍為240nm至320nm。該器件具有光譜敏感性，但對可見光不敏感，這在光線明亮的環境中是一種有用的功能。該器件的暗電流小於1nA
，響應率為0.11A/W。

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

光電晶體管

光guang電dian晶jing體ti管guan是shi一yi種zhong與yu光guang電dian二er極ji管guan相xiang似si的de結jie半ban導dao體ti器qi件jian，其qi產chan生sheng的de電dian流liu與yu光guang強qiang度du成cheng正zheng比bi。這zhe種zhong器qi件jian可ke以yi認ren為wei是shi一yi種zhong內nei置zhi電dian流liu放fang大da器qi的de光guang電dian二er極ji管guan。光guang電dian晶jing體ti管guan是shi一yi種zhongNPN晶(jing)體(ti)管(guan)，其(qi)基(ji)極(ji)連(lian)接(jie)部(bu)分(fen)被(bei)光(guang)源(yuan)所(suo)取(qu)代(dai)。基(ji)極(ji)集(ji)電(dian)極(ji)結(jie)采(cai)用(yong)反(fan)向(xiang)偏(pian)置(zhi)，通(tong)過(guo)透(tou)明(ming)窗(chuang)口(kou)暴(bao)露(lu)在(zai)外(wai)部(bu)光(guang)線(xian)下(xia)。該(gai)器(qi)件(jian)的(de)基(ji)極(ji)集(ji)電(dian)極(ji)結(jie)會(hui)特(te)意(yi)做(zuo)得(de)盡(jin)可(ke)能(neng)大(da)，以(yi)使(shi)光(guang)電(dian)流(liu)達(da)到(dao)最(zui)大(da)。基(ji)極(ji)發(fa)射(she)極(ji)結(jie)采(cai)用(yong)正(zheng)向(xiang)偏(pian)置(zhi)
，其(qi)集(ji)電(dian)極(ji)電(dian)流(liu)是(shi)入(ru)射(she)光(guang)照(zhao)度(du)的(de)函(han)數(shu)。光(guang)線(xian)提(ti)供(gong)基(ji)極(ji)電(dian)流(liu)，通(tong)過(guo)正(zheng)常(chang)的(de)晶(jing)體(ti)管(guan)作(zuo)用(yong)將(jiang)其(qi)放(fang)大(da)。在(zai)沒(mei)有(you)光(guang)照(zhao)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)與(yu)光(guang)電(dian)二(er)極(ji)管(guan)類(lei)似(si)，會(hui)有(you)小(xiao)的(de)暗(an)電(dian)流(liu)流(liu)過(guo)。

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

圖8：MTD8600N4-T光(guang)電(dian)晶(jing)體(ti)管(guan)產(chan)生(sheng)的(de)集(ji)電(dian)極(ji)電(dian)流(liu)與(yu)入(ru)射(she)光(guang)照(zhao)度(du)成(cheng)正(zheng)比(bi)。請(qing)注(zhu)意(yi)，由(you)於(yu)晶(jing)體(ti)管(guan)的(de)電(dian)流(liu)放(fang)大(da)作(zuo)用(yong)
，集(ji)電(dian)極(ji)電(dian)流(liu)會(hui)比(bi)光(guang)電(dian)二(er)極(ji)管(guan)電(dian)流(liu)高(gao)一(yi)個(ge)數(shu)量(liang)級(ji)。（圖片來源：Marktech Optoelectronics）

這(zhe)種(zhong)光(guang)電(dian)晶(jing)體(ti)管(guan)采(cai)用(yong)帶(dai)有(you)透(tou)明(ming)圓(yuan)頂(ding)的(de)金(jin)屬(shu)封(feng)裝(zhuang)罐(guan)。該(gai)圖(tu)說(shuo)明(ming)集(ji)電(dian)極(ji)電(dian)流(liu)是(shi)以(yi)光(guang)輻(fu)照(zhao)度(du)為(wei)參(can)數(shu)的(de)集(ji)電(dian)極(ji)至(zhi)發(fa)射(she)極(ji)電(dian)壓(ya)的(de)函(han)數(shu)。由(you)於(yu)晶(jing)體(ti)管(guan)的(de)電(dian)流(liu)放(fang)大(da)作(zuo)用(yong)，集(ji)電(dian)極(ji)電(dian)流(liu)明(ming)顯(xian)高(gao)於(yu)光(guang)電(dian)二(er)極(ji)管(guan)中(zhong)的(de)電(dian)流(liu)。

本文小結

使shi用yong光guang電dian晶jing體ti管guan和he光guang電dian二er極ji管guan的de光guang檢jian測ce功gong能neng，是shi微wei處chu理li器qi或huo微wei控kong製zhi器qi了le解jie物wu理li世shi界jie並bing相xiang應ying地di進jin行xing控kong製zhi或huo分fen析xi算suan法fa的de一yi種zhong手shou段duan。光guang電dian晶jing體ti管guan的de應ying用yong與yu光guang電dian二er極ji管guan相xiang同tong，但dan各ge有you優you勢shi。光guang電dian晶jing體ti管guan比bi光guang電dian二er極ji管guan具ju有you更geng高gao的de輸shu出chu電dian流liu水shui平ping，而er光guang電dian二er極ji管guan在zai較jiao高gao頻pin率lv下xia工gong作zuo時shi優you勢shi明ming顯xian。

來源：得捷電子DigiKey

原創：Art Pini  

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