【導讀】有(you)一(yi)類(lei)設(she)計(ji)問(wen)題(ti)可(ke)以(yi)很(hen)容(rong)易(yi)地(di)通(tong)過(guo)人(ren)類(lei)視(shi)覺(jiao)來(lai)解(jie)決(jue)。例(li)如(ru)，感(gan)知(zhi)打(da)印(yin)機(ji)中(zhong)紙(zhi)張(zhang)的(de)位(wei)置(zhi)正(zheng)確(que)與(yu)否(fou)。判(pan)斷(duan)紙(zhi)張(zhang)對(dui)準(zhun)與(yu)否(fou)對(dui)人(ren)類(lei)來(lai)講(jiang)輕(qing)而(er)易(yi)舉(ju)，但(dan)微(wei)處(chu)理(li)器(qi)來(lai)說(shuo)則(ze)另(ling)當(dang)別(bie)論(lun)。手(shou)機(ji)攝(she)像(xiang)頭(tou)需(xu)要(yao)測(ce)量(liang)環(huan)境(jing)光(guang)線(xian)以(yi)確(que)定(ding)是(shi)否(fou)需(xu)要(yao)啟(qi)動(dong)閃(shan)光(guang)燈(deng)。如(ru)何(he)無(wu)創(chuang)評(ping)估(gu)血(xue)液(ye)中(zhong)的(de)氧(yang)含(han)量(liang)
？

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。

ruguoguangdianerjiguanweishijiapianzhixinhao，zezaiguangdianmoshixiagongzuobingqienengzaiguangyuanzhaoshexiachanshengyigexiaoshuchudianya。zhezhongmoshixia
，guangdianerjiguandezuoyongjiuxiangtaiyangnengdianchi。guangdianmoshizaidipinyingyongzhonghenyouyong，yibandiyu350kHz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）

施(shi)加(jia)了(le)反(fan)向(xiang)偏(pian)置(zhi)電(dian)壓(ya)的(de)未(wei)發(fa)光(guang)光(guang)電(dian)二(er)極(ji)管(guan)結(jie)中(zhong)有(you)一(yi)個(ge)自(zi)由(you)載(zai)流(liu)子(zi)很(hen)少(shao)的(de)耗(hao)盡(jin)區(qu)。它(ta)看(kan)起(qi)來(lai)像(xiang)一(yi)個(ge)帶(dai)電(dian)的(de)電(dian)容(rong)器(qi)。有(you)一(yi)個(ge)由(you)熱(re)激(ji)發(fa)電(dian)離(li)引(yin)起(qi)的(de)小(xiao)電(dian)流(liu)
，稱(cheng)為(wei)“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tu3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(zhong)NPN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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