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有關(guān)光電二極管和光電晶體管的硬核科普,值得收藏!

jf_pJlTbmA9 ? 來(lái)源:得捷電子DigiKey ? 作者:得捷電子DigiKey ? 2023-12-01 16:22 ? 次閱讀

作者:Art Pini,來(lái)源:得捷電子DigiKey微信公眾號(hào)

有一類設(shè)計(jì)問(wèn)題可以很容易地通過(guò)人類視覺(jué)來(lái)解決。例如,感知打印機(jī)中紙張的位置正確與否。判斷紙張對(duì)準(zhǔn)與否對(duì)人類來(lái)講輕而易舉,但微處理器來(lái)說(shuō)則另當(dāng)別論。手機(jī)攝像頭需要測(cè)量環(huán)境光線以確定是否需要啟動(dòng)閃光燈。如何無(wú)創(chuàng)評(píng)估血液中的氧含量?

使用光電二極管或光電晶體管可以解決這些問(wèn)題。這些光電器件將光線(光子)轉(zhuǎn)換為微處理器(或微控制器)能夠“看到”的電信號(hào)。這樣,就能夠控制物體的定位和排列,確定光強(qiáng)度并根據(jù)材料與光的相互作用來(lái)測(cè)量其物理特性。

本文將介紹光電二極管和光電晶體管的工作原理及其基本應(yīng)用知識(shí),并將以Advanced Photonix, Inc.、Vishay Semiconductor Opto Division、Excelitas Technologies、Genicom Co., Ltd.和Marktech Optoelectronics等廠商提供的器件為例進(jìn)行介紹。

光電二極管和光電晶體管的常用光譜

光電二極管和光電晶體管對(duì)一系列波長(zhǎng)的光波敏感。在有些情況下,這是設(shè)計(jì)考慮事項(xiàng),例如,讓人眼看不到具體操作。設(shè)計(jì)人員應(yīng)了解光譜,以使器件與應(yīng)用相匹配。

光譜范圍為從長(zhǎng)波長(zhǎng)紅外線 (IR) 延伸到短波長(zhǎng)紫外線 (UV)(圖1)??梢?jiàn)光的波長(zhǎng)介于兩者之間。

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圖1:電磁波譜的一部分,光譜橫跨紫外線到紅外線,中間部分是可見(jiàn)光譜。該表列出了可見(jiàn)光波長(zhǎng)及其相關(guān)頻率。(圖片來(lái)源:Once Lighting(上)和 Art Pini(下))

大多數(shù)光電器件都是使用納米 (nm) 工作波長(zhǎng)來(lái)指定的;很少使用頻率值。

硅 (Si) 光電二極管往往對(duì)可見(jiàn)光敏感。紅外敏感器件使用銻化銦 (InSb)、砷化鎵銦 (InGaAs)、鍺 (Ge) 或碲化鎘汞 (HgCdTe)。紫外線敏感器件通常使用碳化硅 (SiC)。

光電二極管

光電二極管是一種雙元件P-N或PIN結(jié),通過(guò)透明體或外蓋暴露在光線下。當(dāng)光線照射到結(jié)時(shí),會(huì)根據(jù)具體工作模式產(chǎn)生電流或電壓。光電二極管有三種工作模式,具體取決于施加到該器件的偏置值。這些是光伏、光電導(dǎo)或雪崩二極管模式。

如果光電二極管未施加偏置信號(hào),則在光電模式下工作并且能在光源照射下產(chǎn)生一個(gè)小輸出電壓。這種模式下,光電二極管的作用就像太陽(yáng)能電池。光電模式在低頻應(yīng)用中很有用,一般低于350kHz且光強(qiáng)小。這種輸出電壓很低,且在大多數(shù)情況下,光電二極管的輸出需要采用放大器。

光電導(dǎo)模式要求對(duì)光電二極管進(jìn)行反向偏置。此處施加的反向偏置電壓將在P-N結(jié)產(chǎn)生一個(gè)耗盡區(qū)。偏置電壓越大,耗盡區(qū)就越寬。與無(wú)偏置電壓的二極管相比,耗盡區(qū)越寬會(huì)導(dǎo)致電容減少,從而使響應(yīng)時(shí)間更快。這種工作模式的噪音水平較高,可能需要通過(guò)帶寬限制進(jìn)行控制。

如果進(jìn)一步增大反向偏置電壓,光電二極管將在雪崩二極管模式下工作。在這種工作模式下,光電二極管在高反向偏置電壓下工作,允許由于雪崩擊穿效應(yīng)使每個(gè)由光線產(chǎn)生的電子空穴對(duì)的數(shù)量實(shí)現(xiàn)倍增。這將帶來(lái)光電二極管內(nèi)部增益和更高的靈敏度。這種工作模式的功能類似于光電倍增管。

在大多數(shù)應(yīng)用中,光電二極管在具有反向偏置電壓的光電導(dǎo)模式下工作(圖2)。

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圖2:由于在耗盡區(qū)產(chǎn)生了電子空穴對(duì),施加了反向偏置電壓的光電二極管產(chǎn)生的電流與光強(qiáng)度成正比。藍(lán)色圓表示電子,白色圓表示空穴。(圖片來(lái)源:Art Pini)

施加了反向偏置電壓的未發(fā)光光電二極管結(jié)中有一個(gè)自由載流子很少的耗盡區(qū)。它看起來(lái)像一個(gè)帶電的電容器。有一個(gè)由熱激發(fā)電離引起的小電流,稱為“暗”電流。理想光電二極管的暗電流為零。暗電流、熱噪聲水平與二極管的溫度成正比。由于光照度極低,暗電流會(huì)掩蓋光電流,所以應(yīng)選擇小暗電流器件。

當(dāng)具有足夠能量的光線照射在耗盡層時(shí),會(huì)電離晶體結(jié)構(gòu)中的原子并產(chǎn)生電子空穴對(duì)。由于施加了偏置電壓,現(xiàn)有的電場(chǎng)會(huì)把電子移動(dòng)到陰極,空穴移動(dòng)到陽(yáng)極,從而產(chǎn)生光電流。光強(qiáng)度越大,光電流就越大。圖3所示的反向偏置光電二極管的電流電壓特性說(shuō)明了這一點(diǎn)。

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圖3:反向偏置光電二極管的VI特征說(shuō)明二極管電流的遞增量是光照強(qiáng)度的函數(shù)。(圖片來(lái)源:Art Pini)

該圖顯示二極管反向電流是所施加反向偏置電壓的函數(shù),且以光強(qiáng)度為參數(shù)。請(qǐng)注意,光照強(qiáng)度增大會(huì)使反向電流水平成比例增大。這就是使用光電二極管測(cè)量光強(qiáng)度的基本原理。當(dāng)偏置電壓大于0.5伏時(shí),幾乎不會(huì)影響光電流。將反向電流施加到跨阻放大器上,可將其轉(zhuǎn)換為電壓。

光電二極管的類型

光檢測(cè)和測(cè)量應(yīng)用的多樣性催生了各種不同的光電二極管類型。基本的光電二極管是平面P-N結(jié)型二極管。這種器件在無(wú)偏置光電模式下的性能最佳。這種器件也最具成本效益。
例如,Advanced Photonix的002-151-001就是一款平面擴(kuò)散InGaAs光電二極管/光電探測(cè)器(圖4)。該器件采用表面貼裝器件 (SMD) 封裝,尺寸為1.6 x 3.2 x 1.1mm,有源光孔直徑為0.05mm。

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圖4:002-151-001是一款平面擴(kuò)散P-N SMD光電二極管,尺寸為1.6 x 3.2 x 1.1 mm。該器件的光譜范圍為800nm至1700nm。(圖片源:Advanced Photonix)

這種InGaAs光電二極管的光譜范圍為800nm至1700nm,涵蓋了紅外光譜。該器件的暗電流小于1nA。該器件的光譜響應(yīng)率規(guī)定了比光功率輸入下的電流輸出,通常為1A/W。該器件的應(yīng)用范圍包括工業(yè)檢測(cè)、安全和通信。

PIN二極管通過(guò)在傳統(tǒng)二極管的P型層和N型層之間層疊高電阻率本征半導(dǎo)體層而形成,因此名稱PIN反映了該二極管的結(jié)構(gòu)。

插入本征層可以增加二極管耗盡層的有效寬度,從而產(chǎn)生很小的電容并提高擊穿電壓。較小的電容有效地提高了光電二極管的速度。較大的耗盡區(qū)可產(chǎn)生更多的光子誘導(dǎo)電子空穴,實(shí)現(xiàn)更高的量子效率。

Vishay Semiconductor Opto Division的VBP104SR是一款硅PIN光電二極管,涵蓋430nm至1100nm的光譜范圍(紫光至近紅外)。該器件的典型暗電流為2nA,并有一個(gè)4.4mm2的大光學(xué)敏感區(qū)(圖5)。

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圖5:Vishay VBP104SR是一款具有大光學(xué)感測(cè)窗口的PIN光電二極管,用于高速光檢測(cè)。(圖片來(lái)源:Vishay Semiconductors)

雪崩光電二極管 (APD) 在功能上類似于光電倍增管,利用雪崩效應(yīng)在二極管中產(chǎn)生增益。在高反向偏壓的情況下,每個(gè)空穴電子對(duì)通過(guò)雪崩擊穿方式產(chǎn)生更多的空穴電子對(duì)。這樣會(huì)產(chǎn)生以更大的“光電流每光子”表示的增益。這使得APD成為低光靈敏度的理想選擇。

例如,Excelitas Technologies的C30737LH-500-92C就是一種APD。該器件的光譜范圍為500nm至1000nm(藍(lán)綠色至近紅外),峰值響應(yīng)為905nm(紅外)。該器件的光譜響應(yīng)率為900nm時(shí)60A/W,暗電流小于1nA。該器件適合高帶寬應(yīng)用,如汽車光探測(cè)和測(cè)距 (LiDAR) 和光通信(圖6)。

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圖6:C30737LH-500-92C雪崩光電二極管是一種高帶寬光電二極管,針對(duì)LiDAR和光通信等應(yīng)用。(圖片來(lái)源:Excelitas Technology)

肖特基光電二極管
肖特基光電二極管是基于金屬半導(dǎo)體結(jié)的器件。這種結(jié)的金屬側(cè)形成陽(yáng)極電極,而N型半導(dǎo)體側(cè)則是陰極。光子穿過(guò)部分透明的金屬層,在N型半導(dǎo)體中被吸收,從而釋放出帶電載流子對(duì)。這些自由帶電的載流子在所施加電場(chǎng)的作用下脫離耗盡層,形成光電流。

這種二極管的另外一個(gè)重要特性是其非常快的響應(yīng)時(shí)間。這種器件一般采用能夠快速反應(yīng)的小型二極管結(jié)結(jié)構(gòu)。目前市場(chǎng)上已有帶寬在千兆赫茲 (GHz) 范圍內(nèi)的肖特基光電二極管。這使其成為高帶寬光通信鏈路的理想之選。

例如,來(lái)自Genicom Co., Ltd的GUVB-S11SD傳感器就是一種肖特基光電二極管(圖7)。這種對(duì)紫外線敏感的光電二極管用于諸如紫外線指數(shù)等應(yīng)用。該器件使用一種基于氮化鋁(AlGaN) 的材料,在紫外光譜中的光譜靈敏度范圍為240nm至320nm。該器件具有光譜敏感性,但對(duì)可見(jiàn)光不敏感,這在光線明亮的環(huán)境中是一種有用的功能。該器件的暗電流小于1nA,響應(yīng)率為0.11A/W。

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圖7:GUVB-S11SD是一款基于AlGaN的UV敏感性光傳感器,其有源光學(xué)面積為0.076mm2。(圖片來(lái)源:Genicom Co, Ltd.)

光電晶體管
光電晶體管是一種與光電二極管相似的結(jié)半導(dǎo)體器件,其產(chǎn)生的電流與光強(qiáng)度成正比。這種器件可以認(rèn)為是一種內(nèi)置電流放大器的光電二極管。光電晶體管是一種NPN晶體管,其基極連接部分被光源所取代。基極集電極結(jié)采用反向偏置,通過(guò)透明窗口暴露在外部光線下。該器件的基極集電極結(jié)會(huì)特意做得盡可能大,以使光電流達(dá)到最大。基極發(fā)射極結(jié)采用正向偏置,其集電極電流是入射光照度的函數(shù)。光線提供基極電流,通過(guò)正常的晶體管作用將其放大。在沒(méi)有光照的情況下與光電二極管類似,會(huì)有小的暗電流流過(guò)。

Marktech Optoelectronics的MTD8600N4-T是一種NPN光電晶體管,其光譜靈敏度為400nm至1100nm(可見(jiàn)光至近紅外),光響應(yīng)峰值為880nm(圖8)。

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圖8:MTD8600N4-T光電晶體管產(chǎn)生的集電極電流與入射光照度成正比。請(qǐng)注意,由于晶體管的電流放大作用,集電極電流會(huì)比光電二極管電流高一個(gè)數(shù)量級(jí)。(圖片來(lái)源:Marktech Optoelectronics)

這種光電晶體管采用帶有透明圓頂?shù)慕饘俜庋b罐。該圖說(shuō)明集電極電流是以光輻照度為參數(shù)的集電極至發(fā)射極電壓的函數(shù)。由于晶體管的電流放大作用,集電極電流明顯高于光電二極管中的電流。

本文小結(jié)

使用光電晶體管和光電二極管的光檢測(cè)功能,是微處理器或微控制器了解物理世界并相應(yīng)地進(jìn)行控制或分析算法的一種手段。光電晶體管的應(yīng)用與光電二極管相同,但各有優(yōu)勢(shì)。光電晶體管比光電二極管具有更高的輸出電流水平,而光電二極管在較高頻率下工作時(shí)優(yōu)勢(shì)明顯。

審核編輯 黃宇

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