光電晶體管簡介

在本系列文章中，我們將探討光電二極管的高輸出電流替代方案。

根據(jù)我的經(jīng)驗，光檢測和光測量應用最常采用光電二極管.但是，光電二極管產(chǎn)生非常小的輸出電流這一事實是無法回避的，這可能會導致在某些情況下您可能希望避免的設計挑戰(zhàn)。

本文和以下文章提供了有關產(chǎn)生比光電二極管更高的輸出電流的兩種類型的光敏器件的一些基本信息：光電晶體管和光敏IC。后一個術語是指本質上是光電二極管和放大器集成到同一封裝中的器件。

什么是光電晶體管？

光電二極管可以產(chǎn)生光電流，因為它的結暴露在入射光下。光電晶體管的功能類似，只是暴露的半導體材料是雙極結型晶體管.

光電晶體管被描述為去除基極端子的BJT，箭頭表示基極對光敏感。本文中的其他圖表僅描述了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，您可以在精神上用入射光的強度代替流入正常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）乘以稱為β（β）的增益參數(shù)。使用光電晶體管時，入射光就像施加在基極上的微弱信號，并且輸出電流遠高于我們對光電二極管的預期，因為晶體管能夠在內部放大施加到基極的信號。

其次，您可以想象光電晶體管是BJT，其光電二極管連接到基極，使得晶體管的輸入信號是光電二極管產(chǎn)生的光電流。在這個概念化中，BJT就像一個額外的半導體器件，將電流增益施加到光電二極管的輸出信號上。

光電晶體管在概念上等效于驅動雙極結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，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，光電晶體管的目標是從光產(chǎn)生的電流中產(chǎn)生可用的輸出電壓。由于光電晶體管在其半導體結構中內置了放大功能，因此我們不需要基于運算放大器的跨阻放大器 （TIA）.相反，我們可以使用我們已經(jīng)從非光敏BJT應用中了解到的放大器配置。

這公共收集器和共發(fā)射極配置都是將光轉換為電壓的可行選擇。我更喜歡共發(fā)射極方法，因為我發(fā)現(xiàn)它更直觀，但如果您希望避免反轉，即如果您希望更高的照度產(chǎn)生更高的輸出電壓，您可能會喜歡共集電極放大器。

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轉換為照度電壓轉換器。

光電晶體管與光電二極管

光電晶體管似乎是對光電二極管的重大改進，但它們并不像您想象的那么受歡迎。從理論上講，內部電流放大是一個重要的優(yōu)勢，但有很多資源可以幫助工程師設計高性能TIA，我更喜歡TIA方法。

此外，光電晶體管在一些重要方面較差。

光電晶體管在照度和輸出電流之間保持線性關系的能力較差。如果您只需要一個產(chǎn)生數(shù)字輸出電壓的開/關光檢測器，這并不重要。我的光敏應用往往需要模擬輸出信號，我本能地貶低光電晶體管的線性度有限。

光電二極管的響應速度比光電晶體管快。寬帶寬的重要性取決于應用的要求，在許多情況下，光電晶體管就足夠了。同時，您不希望圍繞光電晶體管設計系統(tǒng)，然后在一年后當有人想要將最大工作頻率提高一個數(shù)量級時被迫對設計進行大修。

重要的性能規(guī)格對光電晶體管的溫度比光電二極管更敏感。如果您的產(chǎn)品始終在室溫下運行，則這不是問題。如果您使用汽車或軍事系統(tǒng)，光電晶體管的溫度引起的性能變化可能會引起頭痛。

結論

光電晶體管提供更高的光產(chǎn)生輸出電流，同時施加一些性能限制。我贊成光電二極管;然而，在相當多的應用中，使用光電晶體管然后消除TIA的成本和復雜性是有意義的。