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光电晶体管和光电二极管是密切相关的电光换能器，其在诸如位置/存在感测，光强度测量和高速光脉冲检测的应用中可将入射光转换成电信号。但是，为了充分利用这些器件，设计人员需要特别注意接口电路，波长和光学机械对准等设计要素。例如，需要适当的接口电路来在不同的强度和条件下提取最大电流。然而，更高效的应用还需要了解其工作原理以及光电晶体管和光电二极管的差别。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，以及器件应用的一些细微差别并提供一些示例解决方案。
关于光电二极管和光电晶体管：
光电二极管在吸收光时会产生电流。图1中显示了两种类型。第一种是更为人所知的光电二极管（太阳能电池），当光照在其上时会产生电流。第二种是光电导体，它是一种反向偏置的光电二极管。当光照射在其上时会导致其对反向偏置电流的抵抗力降低。可以测量该电流以给出入射光强度的读数。从另一个角度来看，光电二极管用作对电流的限制，更多的光减少了限制。在几乎所有情况下，光电二极管必须与相关的放大器一起使用，例如跨阻放大器（TIA），以将电流转换为有用信号。 
图1 光电二极管的两种类型
光电晶体管比光电二极管稍微复杂一些，因为它们是暴露基极的晶体管。 照射在器件上将激活晶体管，但其他行为与传统晶体管相同。 （早期的一些晶体管和许多二极管被封装在透明封装中，环境光会导致电路的不稳定）光电晶体管的等效电路是一个光电二极管和一个三极管。 输出的光电流信号进入小信号晶体管的基极（如图2所示）。
图2 光电晶体管等效电路图
光电晶体管的连接方式有很多种，共发射极（CE）和共集电极（CC）放大器是最常用的配置（如图3所示）。对于共发射极配置，光照可以使输出由高电平变化为低电平，对于共集电极配置，状态转换刚好相反。
图3 光电晶体管共发射极（左）或共集电极（右）连接图示
光电晶体管区别于光电二极管另一个重要因素是：光电晶体管可用于有源模式或开关模式。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。在开关模式中，晶体管充当数字元件，只具有导通或截止两个状态。工作模式由负载电阻RL的值决定（如图3中的Rc或Re）。当VCC> RL×ICC时为有源模式，当VCC <RL×ICC时为开关模式。如果光电晶体管用于评估光强度，建议使用有源模式。如果它用于检测是否存在光，建议使用开关模式。
虽然光电晶体管和光电二极管密切相关，但它们确实存在性能差异。通常，光电二极管具有比光电晶体管更宽的频率响应。这就是它们可用于高速光纤链路中的光脉冲检测的原因。然而，光电二极管需要外部放大器，而单独的光电晶体管就具有足够的电流增益可用于应用。此外，光电二极管的性能参数，包括对光的敏感性，漏电流和响应速度，随温度变化的变化均小于光电晶体管。
设计问题分析：
就其性质而言，光电晶体管和光电二极管均可以接收光信号。这意味着设计必须具有清晰的光路，并且在正常的产品使用和寿命期间，光传播路径必须从源到传感表面对齐。光电晶体管或光电二极管放置是一个机械问题，这取决于产品的应用、使用模式、用户交互以及产品设计中必须仔细考虑的许多其他因素。光路的一致性至关重要，即使是由于制造公差，电路板弯曲，灰尘和其他异常使用引起的微小变化也必须考虑。
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，取决于芯片尺寸，透镜布置和间距。取决于应用布置，可以优选更宽或更窄的接收角。有时环境光会对光电器件造成干扰，在这些情况下，可能需要添加外部光学屏蔽，内部光阻挡，光学波长带通滤波器，或进一步使传感器凹陷，避免环境光出现在光路径上。这通常需要找到设计的平衡点中，涉及电子，光学和机械问题的组合。
性能参数分析：
虽然这些设备有很多电气规格，但我们只需要了解产品的主要性能参数即可，其中包括光谱响应，灵敏度和增益，线性度，暗电流，响应速度和噪声。在了解这些参数之前，设计者必须就这些性能参数澄清两个问题。首先，在查看和比较来自不同供应商的设备时，测试条件是什么？由于不同的光学布置，电压，负载电阻和其他因素，性能会有很大差异。因此，确定测试条件非常重要，进行特定选择时，应在数据表中指定的条件下使用该产品；其次需要明确产品的应用环境。例如，用于通信光纤链路的光电二极管关注速度，而其光谱响应不太重要。用于感测插槽中信用卡存在的光电晶体管不需要太快的速度，但可能需要低暗电流和一致的增益，以便在广泛的现实世界中可靠地操作操作场景等。
作为一般准则，光电二极管的性能很大程度上取决于它们的材料，掺杂和封装，以及光敏材料的芯片尺寸。对于光电晶体管，它主要取决于相同的因素以及晶体管增益等附加因素（请参照表1）。 
表1 光敏材料芯片尺寸以及晶体管增益对光电晶体管的影响
比较具有代表性的光电二极管是ROHM的SIR-34ST3F，其红外光谱响应带宽为900至1000 nm，峰值为950 nm（如图4所示）。透明塑料封装主要面向遥控设备类应用。具有最高17.6mW/sr的辐射强度范围，和1微秒（us）的响应时间以及10uA的最大反向电流。作为直插类器件，该光电二极管的安装选项比较多样，但不得超过数据手册中定义的回流焊温度曲线，与板上其他元件可承受的温度相比，此类器件对温度比较敏感。 
图4 ROHM的SIR-34ST3F光电二极管光谱图
而ROHM的RPT-34PB3F是一款比较有代表性的硅平面光电晶体管。它特别适合与ROHM的SIR-34ST3F红外发光二极管配合使用（其光谱灵敏度请参考图5）；另外，单独的光电二极管不能提供大多数情况下所需的电流，也不能驱动任何实质性负载。因此，它们几乎总是与跨阻抗放大器一起使用，该放大器将其低电平，高阻抗输出转换为可用的电压信号，为光电二极管提供低输入阻抗，并将其输入端的小电流变化转换为输出端的更大电压变化。设计时需注意：虽然这看起来与使用已知的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。这种布置具有来自低阻抗源的大量驱动，这是一种非常不同的情况。 
图5 ROHM的RPT-34PB3F光电晶体管光谱图
诸如光电二极管和光电晶体管此类光学组件可用于存在检测和高性能的仪器，并且它们对于光学数据链路是必不可少的。由于它们的混合电光特性，它们通常需要仔细考虑电气参数，光学和机械设计问题，甚至需要一些专用的电子接口部件才能有效地发挥它们的潜力。理解并遵循这些设计原则，就可以高效地作为各种设备的检测手段，仪器和光链路应用的解决方案。
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发表于 2019-7-12 16:10:46
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