光电二极管和光电晶体管的基础知识以及如何应用
作者：Art Pini
有一类设计问题可以很容易地通过人类视觉来解决。例如，感知打印机中纸张的位置正确与否。判断纸张对准与否对人类来讲轻而易举，但微处理器来说则另当别论。手机摄像头需要测量环境光线以确定是否需要启动闪光灯。如何无创评估血液中的氧含量？
使用光电二极管或光电晶体管可以解决这些问题。这些光电器件将光线（光子）转换为微处理器（或微控制器）能够“看到”的电信号。这样，就能够控制物体的定位和排列，确定光强度并根据材料与光的相互作用来测量其物理特性。
本文将介绍光电二极管和光电晶体管的工作原理及其基本应用知识。本文将以 Advanced Photonix, Inc.、Vishay Semiconductor Opto Division、Excelitas Technologies、Genicom Co., Ltd.、Marktech Optoelectronics 和 NTE Electronics 等厂商提供的器件为例进行介绍。
光电二极管和光电晶体管的常用光谱
光电二极管和光电晶体管对一系列波长的光波敏感。在有些情况下，这是设计考虑事项，例如，让人眼看不到具体操作。设计人员应了解光谱，以使器件与应用相匹配。
光谱范围为从长波长红外线 (IR) 延伸到短波长紫外线 (UV)（图 1）。可见光的波长介于两者之间。
图 1：电磁波谱的一部分，光谱横跨紫外线到红外线，中间部分是可见光谱。该表列出了可见光波长及其相关频率。（图片来源：Once Lighting（上）和 Art Pini（下））。
大多数光电器件都是使用纳米 (nm) 工作波长来指定的；很少使用频率值。
硅 (Si) 光电二极管往往对可见光敏感。红外敏感器件使用锑化铟 (InSb)、砷化镓铟 (InGaAs)、锗 (Ge) 或碲化镉汞 (HgCdTe)。紫外线敏感器件通常使用碳化硅 (SiC)。
光电二极管
光电二极管是一种双元件 P-N 或 PIN 结，通过透明体或外盖暴露在光线下。当光线照射到结时，会根据具体工作模式产生电流或电压。光电二极管有三种工作模式，具体取决于施加到该器件的偏置值。这些是光伏、光电导或雪崩二极管模式。
如果光电二极管未施加偏置信号，则在光电模式下工作并且能在光源照射下产生一个小输出电压。这种模式下，光电二极管的作用就像太阳能电池。光电模式在低频应用中很有用，一般低于 350 kHz 且光强小。这种输出电压很低，且在大多数情况下，光电二极管的输出需要采用放大器。
光电导模式要求对光电二极管进行反向偏置。此处施加的反向偏置电压将在 P-N 结产生一个耗尽区。偏执电压越大，耗尽区就越宽。与无偏执电压的二极管相比，耗尽区越宽会导致电容减少，从而使响应时间更快。这种工作模式的噪音水平较高，可能需要通过带宽限制进行控制。
如果进一步增大反向偏置电压，光电二极管将在雪崩二极管模式下工作。在这种工作模式下，光电二极管在高反向偏置电压下工作，允许由于雪崩击穿效应使每个由光线产生的电子空穴对的数量实现倍增。这将带来光电二极管内部增益和更高的灵敏度。这种工作模式的功能类似于光电倍增管。
在大多数应用中，光电二极管在具有反向偏置电压的光电导模式下工作（图 2）。
图 2：由于在耗尽区产生了电子空穴对，施加了反向偏置电压的光电二极管产生的电流与光强度成正比。蓝色圆表示电子，白色圆表示空穴。（图片来源：Art Pini）
施加了反向偏置电压的未发光光电二极管结中有一个自由载流子很少的耗尽区。它看起来像一个带电的电容器。有一个由热激发电离引起的小电流，称为“暗”电流。理想光电二极管的暗电流为零。暗电流、热噪声水平与二极管的温度成正比。由于光照度极低，暗电流会掩盖光电流，所以应选择小暗电流器件。
当具有足够能量的光线照射在耗尽层时，会电离晶体结构中的原子并产生电子空穴对。由于施加了偏置电压，现有的电场会把电子移动到阴极，空穴移动到阳极，从而产生光电流。光强度越大，光电流就越大。图 3 所示的反向偏置光电二极管的电流电压特性说明了这一点。
图 3：反向偏置光电二极管的 VI 特征说明二极管电流的递增量是光照强度的函数。（图片来源：Art Pini）
该图显示二极管反向电流是所施加反向偏置电压的函数，且以光强度为参数。请注意，光照强度增大会使反向电流水平成比例增大。这就是使用光电二极管测量光强度的基本原理。当偏置电压大于 0.5 伏时，几乎不会影响光电流。将反向电流施加到跨阻放大器上，可将其转换为电压。
光电二极管的类型
光检测和测量应用的多样性催生了各种不同的光电二极管类型。基本的光电二极管是平面 P-N 结型二极管。这种器件在无偏置光电模式下的性能最佳。这种器件也最具成本效益。
例如，Advanced Photonix 的 002-151-001 就是一款平面扩散 InGaAs 光电二极管/光电探测器（图 4）。该器件采用表面贴装器件 (SMD) 封装，尺寸为 1.6 x 3.2 x 1.1 mm，有源光孔直径为 0.05 mm。
图 4：002-151-001 是一款平面扩散 P-N SMD 光电二极管，尺寸为 1.6 x 3.2 x 1.1 mm。该器件的光谱范围为 800 nm 至 1700 nm。（图片源：Advanced Photonix）
这种 InGaAs 光电二极管的光谱范围为 800 nm 至 1700 nm，涵盖了红外光谱。该器件的暗电流小于 1 nA。该器件的光谱响应率规定了比光功率输入下的电流输出，通常为 1 A/W。该器件的应用范围包括工业检测、安全和通信。
PIN 二极管通过在传统二极管的 P 型层和 N 型层之间层叠高电阻率本征半导体层而形成，因此名称 PIN 反映了该二极管的结构。
插入本征层可以增加二极管耗尽层的有效宽度，从而产生很小的电容并提高击穿电压。较小的电容有效地提高了光电二极管的速度。较大的耗尽区可产生更多的光子诱导电子空穴，实现更高的量子效率。
Vishay Semiconductor Opto Division 的 VBP104SR 是一款硅 PIN 光电二极管，涵盖 430 nm 至 1100 nm 的光谱范围（紫光至近红外）。该器件的典型暗电流为 2 nA，并有一个 4.4 mm2 的大光学敏感区（图 5）。
图 5：Vishay VBP104SR 是一款具有大光学感测窗口的 PIN 光电二极管，用于高速光检测。（图片来源：Vishay Semiconductors）
雪崩光电二极管 (APD) 在功能上类似于光电倍增管，利用雪崩效应在二极管中产生增益。在高反向偏压的情况下，每个空穴电子对通过雪崩击穿方式产生更多的空穴电子对。这样会产生以更大的“光电流每光子”表示的增益。这使得 APD 成为低光灵敏度的理想选择。
例如，Excelitas Technologies 的 C30737LH-500-92C 就是一种 APD。该器件的光谱范围为 500 nm 至 1000 nm（蓝绿色至近红外），峰值响应为 905 nm（红外）。该器件的光谱响应率为 900 nm 时 60 A/W，暗电流小于 1 nA。该器件适合高带宽应用，如汽车光探测和测距 (LiDAR) 和光通信（图 6）。
图 6：C30737LH-500-92C 雪崩光电二极管是一种高带宽光电二极管，针对 LiDAR 和光通信等应用。（图片来源：Excelitas Technology）
肖特基光电二极管
肖特基光电二极管是基于金属半导体结的器件。这种结的金属侧形成阳极电极，而 N 型半导体侧则是阴极。光子穿过部分透明的金属层，在 N 型半导体中被吸收，从而释放出带电载流子对。这些自由带电的载流子在所施加电场的作用下脱离耗尽层，形成光电流。
这种二极管的另外一个重要特性是其非常快的响应时间。这种器件一般采用能够快速反应的小型二极管结结构。目前市场上已有带宽在千兆赫兹 (GHz) 范围内的肖特基光电二极管。这使其成为高带宽光通信链路的理想之选。
例如，来自 Genicom Co., Ltd 的 GUVB-S11SD 光传感器就是一种肖特基光电二极管（图 7）。这种对紫外线敏感的光电二极管用于诸如紫外线指数等应用。该器件使用一种基于氮化铝 (AlGaN) 的材料，在紫外光谱中的光谱灵敏度范围为 240 nm 至 320 nm。该器件具有光谱敏感性，但对可见光不敏感，这在光线明亮的环境中是一种有用的功能。该器件的暗电流小于 1 nA，响应率为 0.11 A/W。
图 7：GUVB-S11SD 是一款基于AlGaN 的 UV 敏感性光传感器，其有源光学面积为 0.076 mm2。（图片来源：Genicom Co, Ltd.）
光电晶体管
光电晶体管是一种与光电二极管相似的结半导体器件，其产生的电流与光强度成正比。这种器件可以认为是一种内置电流放大器的光电二极管。光电晶体管是一种 NPN 晶体管，其基极连接部分被光源所取代。基极集电极结采用反向偏置，通过透明窗口暴露在外部光线下。该器件的基极集电极结会特意做得尽可能大，以使光电流达到最大。基极发射极结采用正向偏置，其集电极电流是入射光照度的函数。光线提供基极电流，通过正常的晶体管作用将其放大。在没有光照的情况下与光电二极管类似，会有小的暗电流流过。
Marktech Optoelectronics 的 MTD8600N4-T 是一种 NPN 光电晶体管，其光谱灵敏度为 400 nm 至 1100 nm（可见光至近红外），光响应峰值为 880 nm（图 8）。
图 8：MTD8600N4-T 光电晶体管产生的集电极电流与入射光照度成正比。请注意，由于晶体管的电流放大作用，集电极电流会比光电二极管电流高一个数量级。（图片来源：Marktech Optoelectronics）
这种光电晶体管采用带有透明圆顶的金属封装罐。该图说明集电极电流是以光辐照度为参数的集电极至发射极电压的函数。由于晶体管的电流放大作用，集电极电流明显高于光电二极管中的电流。
光电晶体管有许多种封装方式可供选择。例如，NTE Electronics 的 NTE3034A NPN 光电晶体管使用成型环氧树脂封装，从侧面接收光线。该器件也会对可见光到近红外光做出反应，在 880 nm 处达到光响应峰值。
结语
使用光电晶体管和光电二极管的光检测功能，是微处理器或微控制器了解物理世界并相应地进行控制或分析算法的一种手段。光电晶体管的应用与光电二极管相同，但各有优势。光电晶体管比光电二极管具有更高的输出电流水平，而光电二极管在较高频率下工作时优势明显。
