【導(dǎo)讀】根據(jù)我的經(jīng)驗(yàn)，光檢測(cè)和光測(cè)量應(yīng)用常使用光電二極管。但是光電二極管產(chǎn)生非常小的輸出電流這一事實(shí)是無(wú)法回避的，這可能會(huì)導(dǎo)致您在某些情況下可能希望避免的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。
根據(jù)我的經(jīng)驗(yàn)，光檢測(cè)和光測(cè)量應(yīng)用常使用光電二極管。但是光電二極管產(chǎn)生非常小的輸出電流這一事實(shí)是無(wú)法回避的，這可能會(huì)導(dǎo)致您在某些情況下可能希望避免的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。
本文和下一篇文章提供了兩種產(chǎn)生比光電二極管更高輸出電流的光敏器件的一些基本信息：光電晶體管和光敏 IC。后一個(gè)術(shù)語(yǔ)指的是本質(zhì)上是集成在同一封裝中的光電二極管和放大器的設(shè)備。
什么是光電晶體管？
光電二極管可以產(chǎn)生光電流，因?yàn)樗慕Y(jié)暴露在入射光下。光電晶體管以類(lèi)似的方式工作，只是暴露的半導(dǎo)體材料是雙極結(jié)型晶體管 (BJT)的基極。
光電晶體管被描述為移除了基極端子的 BJT，箭頭表示基極對(duì)光敏感。本文中的其他圖表僅描繪了 NPN 光電晶體管。
有兩種方法可以考慮光電晶體管的行為。
首先，您可以在心里用入射光強(qiáng)度代替流入普通晶體管基極的電流量。在有源模式 BJT 行為的基本模型中，輸出電流（即集電極電流）是輸入電流（即基極電流）乘以稱(chēng)為 beta (β) 的增益參數(shù)。對(duì)于光電晶體管，入射光就像施加到基極的微弱信號(hào)，輸出電流遠(yuǎn)高于我們對(duì)光電二極管的預(yù)期，因?yàn)榫w管能夠在內(nèi)部放大施加到基極的信號(hào)。
其次，您可以將光電晶體管想象成基極連接有光電二極管的 BJT，這樣晶體管的輸入信號(hào)就是光電二極管產(chǎn)生的光電流。在這個(gè)概念中，BJT 就像一個(gè)附加的半導(dǎo)體器件，它將電流增益應(yīng)用于光電二極管的輸出信號(hào)。
光電晶體管在概念上等同于驅(qū)動(dòng)雙極結(jié)型晶體管基極的光電二極管。注意光電二極管的方向：光電流始終是反向電流，并且光電二極管的方向使得光電流流入基極。
光電晶體管電路
與光電二極管一樣，光電晶體管的目標(biāo)是從光生電流產(chǎn)生可用的輸出電壓。由于光電晶體管在其半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中內(nèi)置了放大功能，因此我們不需要基于運(yùn)算放大器的跨阻放大器 (TIA)。相反，我們可以使用從非光敏 BJT 應(yīng)用中已知的放大器配置。
共集電極和共發(fā)射極配置都是將光轉(zhuǎn)換為電壓的可行選擇。我更喜歡共發(fā)射極方法，因?yàn)槲野l(fā)現(xiàn)它更直觀(guān)，但如果您希望避免反相，您可能會(huì)喜歡共集電極放大器——即，如果您想要更高的照度來(lái)產(chǎn)生更高的輸出電壓。
您可以使用共集電極或共發(fā)射極放大器配置將光電晶體管變成照度電壓轉(zhuǎn)換器。
光電晶體管與光電二極管
光電晶體管似乎是對(duì)光電二極管的重大改進(jìn)，但它們并不像您想象的那么受歡迎。內(nèi)部電流放大在理論上是一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)，但有很多資源可以幫助工程師設(shè)計(jì)高性能 TIA，我個(gè)人更喜歡 TIA 方法。
此外，光電晶體管在重要方面較差。
光電晶體管在照度和輸出電流之間保持線(xiàn)性關(guān)系的能力較差。如果您只需要一個(gè)產(chǎn)生數(shù)字輸出電壓的開(kāi)/關(guān)光檢測(cè)器，那么這并不重要。我的光敏應(yīng)用往往需要模擬輸出信號(hào)，我本能地貶低光電晶體管，因?yàn)樗鼈兊木€(xiàn)性度有限。
光電二極管實(shí)現(xiàn)比光電晶體管更快的響應(yīng)。寬帶寬的重要性取決于應(yīng)用的要求，在許多情況下，光電晶體管就足夠了。同時(shí)，您不希望圍繞光電晶體管設(shè)計(jì)系統(tǒng)，然后在一年后有人想要將工作頻率提高一個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)被迫對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行大修。
重要的性能規(guī)格對(duì)光電晶體管的溫度比光電二極管更敏感。如果您的產(chǎn)品始終在室溫下運(yùn)行，這不是問(wèn)題。如果您使用汽車(chē)或軍事系統(tǒng)，光電晶體管的溫度引起的性能變化可能會(huì)令人頭疼。
結(jié)論
光電晶體管提供更高的光生輸出電流，同時(shí)施加一些性能限制。我喜歡光電二極管；盡管如此，必須有相當(dāng)多的應(yīng)用在其中使用光電晶體管是有意義的，然后消除了 TIA 的成本和復(fù)雜性。
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