光电二极管和光电三极管

    2.5.1 光电二极管

    光电二极管和光电池一样，都是利用光伏效应工作的器件。与光电池不同的是，光电二极管工作时要加上反向偏压。光电二极管接收光照之后，产生与入射光强度成正比的光生电流，再把光信号转换成电信号以达到探测目的。光电二极管除普通光电二极管外，还有雪崩光电二极管。根据结构不同，光电二极管又可分为PN结光电二极管和PIN结光电二极管。

    1.普通光电二极管

    1）光电二极管的基本工作原理

    普通光电二极管由PN结构成，当入射光照到PN结上时，形成光生电流Ip，Ip与入射光强度成正比。光电二极管的伏安特性可表示为

    式中：q为电子电荷量；k为玻尔兹曼常数；T为绝对温度；Id为光电二极管的暗电流；n为与器件有关的常数，其值为1～2；U为二极管两端的电压。

    由于光电二极管工作在反向偏压下，很小，可以忽略不计，此时光电二极管的伏安特性可简化为

    I＝－（Id＋Ip） 　（2－61）

    此时，二极管的输出电流与光生电流及光强度呈线性关系。

    光电二极管的响应速度取决于光电二极管的PN结的结电容C和载流子通过耗尽层的时间τ。耗尽层的厚度对C和τ的影响效果相反，耗尽层增厚，C减小，但τ增加。普通二极管对灵敏度要求较高，一般PN结的面积较大，C是影响响应速度的主要因素。对速度要求较高的光电二极管，τ是影响响应速度的主要因素。耗尽层越薄，τ越小，光电二极管的响应速度就越快。

    常用的光电二极管为硅光电二极管。硅光电二极管的响应波长范围为0.4μm～1.1μm，峰值波长为0.8μm～0.9μm，当耗尽层厚度为5μm时，响应速度可达0.1ns。另外还有一些能响应红外光波段的光电二极管，如锗光电二极管，其响应波长范围为0.6μm～1.8μm，峰值波长为1.5μm，以及锑化铟（InSb）、砷化铟（InAs）、碲化铅（SbTe）、碲镉汞（HgCdTe）、碲锡铅（PbSnTe）光电二极管等。

    2）测量电路

    硅光电二极管探测器的基本电路及其等效电路如图2－24所示，其中Cj是结电容，RL是负载电阻。跟光电池类似，它也可视为一个具有高内阻的恒流源电路。一般来说，其结电阻Rj＞107Ω，串联电阻Rs＜100Ω。

    图2－24 硅光电二极管的基本电路和等效电路

    当有光照时，由于Rj＞Rs，负载电阻上的输出电压为

    式中：Ip为光电流。由于硅光电二极管的反偏电压Up总是大于IpRL，故在任何辐射强度下，硅光电二极管都不会饱和，因而只处于线性工作状态。

    当光电二极管接收交变的光信号时，负载上的电压亦随交变频率而变化。当调制频率很高时，输出电压有所下降。光电二极管的频率响应可由下式表达：

    一般结电容Cj很小，因此主要需要选择合适的负载电阻RL。选择RL时必须考虑到二极管的噪声。硅光电二极管的内阻热噪声可以忽略，仅考虑负载电阻热噪声及散粒噪声即可。所以，对RL的选择一要考虑频率响应，二要考虑噪声。

    2.雪崩光电二极管

    与普通光电二极管不同，雪崩光电二极管可以实现内部电流的倍增放大。它的反向偏置电压可以达到几百伏。其处于反向偏置的PN结具有很强的电场，当光照射到PN结上时，将产生光生载流子，光生载流子在这个强大电场的作用下加速运动，碰撞其他原子而产生大量新的二次电子－空穴对；这些二次电子－空穴对在运动过程中获得足够大的动能，又碰撞出大量新的二次电子－空穴对。这个过程犹如雪崩一样迅速积累大量电子和空穴，从而形成强大的电流，产生倍增效应。雪崩光电二极管的信噪比和暗电流比光电倍增管大，其增益一般在102～104，只有硅管的放大倍数可达104，而锗管的一般为200左右。

    图2－25是雪崩光电二极管的倍增电流、噪声与外加偏置电压的关系曲线。由图可知：在偏置电压较低的A点以左，不发生雪崩过程；随着偏压的升高，倍增电流也逐渐增加，从B点到C点增加迅速，该区域属于雪崩倍增区；经过C点后，偏压进一步增大，将发生雪崩击穿，同时噪声也显著增加。因此，最佳的偏压工作区是C点以左的区域，若超过C点则容易发生雪崩击穿而烧毁二极管。

    图2－25 雪崩光电二极管的倍增电流、噪声与外加偏置电压的关系

    雪崩光电二极管具有电流增益大、灵敏度高、频率响应快、不需要后续庞大的放大电路等特点，因此它在微弱辐射信号的检测方面应用较广。其缺点是工艺要求高，稳定性差，受温度影响大。

    3.PIN光电二极管

    PIN光电二极管是常用的光电检测器件，其典型结构如图2－26所示。P区和N区杂质浓度很高，中间被一个称为I层的区域分开。I层为本征半导体，其杂质浓度很低，电阻率相对较高。

    I层的作用如下所述。

    （1）由于I层处于高阻状态，外加反向偏置电压大部分降落在I层，使耗尽层加宽，增大了光电转换的有效工作区域，提高了器件的灵敏度。

    （2）I层的存在使击穿电压不再受基体材料的限制，用低电阻率的基材仍可取得高的反向击穿电压，而器件的串联电阻和时间常数则可大大减小。

    图2－26 PIN光电二极管典型结构

    （3）I层的存在使器件的光电转换过程主要发生在I层及距离I层在一个扩散长度以内的区域内。I层的强电场区可对少数载流子起加速作用，即使适当加宽I层，也几乎不影响少数载流子的渡越时间。

    （4）由于I层使得耗尽层宽度增加，相比于普通光电二极管，PIN结光电二极管的结电容更小，从而可提高器件的响应速度。

    PIN光电二极管具有较高的灵敏度和响应速度，频带宽，可达10GHz，线性输出范围宽，对红外波长也有较好的响应。但是，由于I层的存在，二极管的输出电流小，一般为零点几微安至数微安。

    2.5.2 光电三极管

    光电三极管相当于在晶体三极管的基极和集电极间并联一个光电二极管，因而它的内增益大，可输出较大电流。目前使用较多的是NPN型和PNP型的两种平面硅光电三极管。

    1.光电三极管的工作原理

    光电三极管的等效电路如图2－27所示。这种结构等效于一个光电二极管加上一个晶体放大管。使用时光电三极管的发射极接电源负极，集电极接电源正极。

    图2－27 光电三极管的等效电路

    光电三极管不受光时，相当于普通三极管处在基极开路的状态。当它受光时，它分两个步骤进行工作：一是光电转换，在集电极－基极结区内进行；二是光电流放大。集电结（基－集结）反向偏置，基极电流Ib＝0，因而集电极电流Ic很小。此时Ic为光电三极管的暗电流。当光子入射到集电结时，就会被吸收而产生电子－空穴对，处于反向偏置状态的集电结内建电场使电子漂移到集电极，空穴漂移到基极，形成光生电压，基极电位升高，就如同普通三极管的发射结（基－发结）加上了正向偏置电压，Ib≠0。当基极没有引线时，集电极电流Ic等于发射极电流Ie，那么有

    Ic＝Ie＝（1＋β）Ib 　（2－64）

    式中：β为电流放大倍数。基极电流Ib的大小与光照强度有关，光照越强，Ib越大，Ic也就越大。

    NPN型光电三极管和PNP型光电三极管的工作原理基本相同，只是NPN型光电三极管在使用过程中发射极接电源负极、集电极接电源正极，而PNP型工作时集电极接电源负极、发射极接电源正极。

    2.光电三极管的特性

    1）光照特性与光照灵敏度

    光电三极管的输出光电流Ic与入射光照度Ev的关系如图2－28所示。光电三极管的线性度比光电二极管要差，光电流和灵敏度比光电二极管大几十倍，但由于电流放大倍数β的非线性，其在弱光下灵敏度较低，在强光下会出现饱和现象，这对弱信号的检测非常不利。

    图2－28 光电三极管的光照特性

    图2－29 光电三极管的伏安特性

    2）伏安特性

    光电三极管的伏安特性曲线如图2－29所示。其特点在于零偏置时没有电流输出（光电二极管在零偏置时有电流输出）。虽然光电三极管与光电二极管一样能产生光生电动势，但光电三极管的集电结在无反向偏压时没有放大作用，所以没有电流输出（或仅有很小的漏电流）。另外，光电三极管还具有两个明显特点：一是随入射光照度的增加，光电流Ic趋向饱和；二是在工作电压较低时，输出光电流与入射光照度具有非线性关系。这都是因为电流放大倍数β与工作电压有关。因此，光电三极管必须加上较高的工作电压，以尽可能减小电压对输出光电流与入射光照度线性关系的影响。光电三极管常用于电压较高或入射光照度较大的场合，作为控制系统的开关元件使用。

    3）频率特性

    光电三极管在开关状态下工作，其频率响应与结的结构、负载及时间常数有关。频率响应用上升时间及下降时间来表示。光照度越小（Ic越小），上升及下降时间就越大；负载电阻越大，上升及下降时间也越大。因此，从频率响应方面考虑，常常在其外电路上采用高增益、低输入阻抗的运算放大器，以改善其动态性能。

    图2－30 光电三极管的光谱响应特性

    4）温度特性

    由于电流放大系数β随温度升高而变大，光电三极管的光电流也随温度的上升而变大，其变化较光电二极管快。根据这一特性，小信号下温度升高时反向电流急剧上升，从而导致检测器件性能的极大下降，甚至失效。这也说明光电三极管不适合小信号工作状态。

    5）光谱响应

    与光电池、光电二极管等光电器件一样，光电三极管的光谱响应取决于材料的禁带宽度、器件几何结构和制作工艺。光电三极管的光谱响应曲线如图2－30所示，它的峰值在800nm～900nm之间。

    2.5.3 光电二极管和光电三极管的应用

    光电二极管和光电三极管是常用的光电检测器件，其应用范围非常广泛。

    光电二极管由于体积小、响应快、可靠性高，而且在可见光与近红外波段内有较高的量子效率，因而在各种工业控制，例如火警探测、光电控制等场合获得广泛应用。光电二极管和光电池都是结型光伏效应器件，但光电二极管工作时需加反向偏置电压，且更适用于高频响应场合。

    随着数字通信技术的迅速发展以及光隔离器和固体继电器等自动控制部件在机械工业中应用的不断扩大，特别是微处理器在各个领域中的应用推广和产品性能的逐步提高，光电三极管的应用市场将日益扩大。今后，光电三极管将向高速化、高性能、小体积、轻重量的方向发展。

    在使用光电二极管和光电三极管时还需要注意以下几个方面。

    1.热稳定性及温度补偿

    由于硅光电二极管的反向饱和电流随温度升高并呈指数规律上升，且长波长产生的光电流随温度升高而增加，而三极管放大系数随着温度的变化会发生很大变化，因此造成了光电二极管和三极管的温度稳定性问题。具体应用时，需要对此加以分析。例如，检测恒定弱光时要特别注意反向饱和电流，应选用反向饱和电流小的光电二极管，而检测强光时，则不需考虑反向饱和电流的影响。若采用电容耦合方式输出调制光，也不用考虑反向饱和电流，只要选择放大系数随温度变化很小的光电三极管。

    对光电二极管和光电三极管的温度效应进行补偿时，一般只能解决反向饱和电流的问题。可采用热敏电阻进行补偿，其电路如图2－31所示。最好的补偿反向电流的方法是使用对管，其典型电路如图2－32所示。由于两管具有大致相同的暗电流温度特性，故当温度升高时，光电管所增加的暗电流几乎可以被补偿管增加的暗电流抵消，使输出基本保持不变。

    图2－31 热敏电阻温度补偿电路

    图2－32 对管温度补偿电路

    2.视角及光路

    光入射到光电二极管和光电三极管上首先需通过一个窗口，这就涉及视角的问题。视角是指光电管管芯透过窗口所能接收到光的最大张角。不同类型的光电管，其视角大小相差很大。例如，直径为5mm的玻璃凸镜金属外壳光电管的视角大约为±10°，平面石英窗口光电管的视角约为±35°，而塑料封装的上述尺寸光电管的视角比同类型的视角稍大些。因此，为使光电管接收到尽可能多的光，必须考虑光源及光路的设置。例如在检测微弱光时，可在光路上加一凸透镜，调整光源、透镜和探测器件之间的位置，以获得最佳检测效果。当直接以透镜作为光电管的入射窗时，要把透镜的焦点与光电管的PN结感光灵敏点对准。另外，要保证入射光源的频率变化中心处于检测器件光电特性的线性范围内，以确保获得良好的线性输出。

    3.光信号匹配

    光电管的特性必须和光信号的调制形式、信号频率及波形相匹配，以保证得到没有频率失真的输出波形和良好的时间响应。相应的解决办法主要是选择响应时间短或上限频率高的光电管，但在电路上也要注意匹配好动态参数。