光电晶体管简介

根据我的经验，光检测和光测量应用常使用光电二极管。但是光电二极管产生非常小的输出电流这一事实是无法回避的，这可能会导致您在某些情况下可能希望避免的设计挑战。

本文和下一篇文章提供了两种产生比光电二极管更高输出电流的光敏器件的一些基本信息：光电晶体管和光敏 IC。后一个术语指的是本质上是集成在同一封装中的光电二极管和放大器的设备。

什么是光电晶体管？

光电二极管可以产生光电流，因为它的结暴露在入射光下。光电晶体管以类似的方式工作，只是暴露的半导体材料是双极结型晶体管 (BJT)的基极。

光电晶体管被描述为移除了基极端子的 BJT，箭头表示基极对光敏感。本文中的其他图表仅描绘了 NPN 光电晶体管。

有两种方法可以考虑光电晶体管的行为。

首先，您可以在心里用入射光强度代替流入普通晶体管基极的电流量。在有源模式 BJT 行为的基本模型中，输出电流（即集电极电流）是输入电流（即基极电流）乘以称为 beta (β) 的增益参数。对于光电晶体管，入射光就像施加到基极的微弱信号，输出电流远高于我们对光电二极管的预期，因为晶体管能够在内部放大施加到基极的信号。

其次，您可以将光电晶体管想象成基极连接有光电二极管的 BJT，这样晶体管的输入信号就是光电二极管产生的光电流。在这个概念中，BJT 就像一个附加的半导体器件，它将电流增益应用于光电二极管的输出信号。

光电晶体管在概念上等同于驱动双极结型晶体管基极的光电二极管。注意光电二极管的方向：光电流始终是反向电流，并且光电二极管的方向使得光电流流入基极。

光电晶体管电路

与光电二极管一样，光电晶体管的目标是从光生电流产生可用的输出电压。由于光电晶体管在其半导体结构中内置了放大功能，因此我们不需要基于运算放大器的跨阻放大器 (TIA)。相反，我们可以使用从非光敏 BJT 应用中已知的放大器配置。

共集电极和共发射极配置都是将光转换为电压的可行选择。我更喜欢共发射极方法，因为我发现它更直观，但如果您希望避免反相，您可能会喜欢共集电极放大器——即，如果您想要更高的照度来产生更高的输出电压。

您可以使用共集电极或共发射极放大器配置将光电晶体管变成照度电压转换器。

光电晶体管与光电二极管

光电晶体管似乎是对光电二极管的重大改进，但它们并不像您想象的那么受欢迎。内部电流放大在理论上是一个重要优势，但有很多资源可以帮助工程师设计高性能 TIA，我个人更喜欢 TIA 方法。 

此外，光电晶体管在重要方面较差。

• 光电晶体管在照度和输出电流之间保持线性关系的能力较差。如果您只需要一个产生数字输出电压的开/关光检测器，那么这并不重要。我的光敏应用往往需要模拟输出信号，我本能地贬低光电晶体管，因为它们的线性度有限。
• 光电二极管实现比光电晶体管更快的响应。宽带宽的重要性取决于应用的要求，在许多情况下，光电晶体管就足够了。同时，您不希望围绕光电晶体管设计系统，然后在一年后有人想要将工作频率提高一个数量级时被迫对设计进行大修。
• 重要的性能规格对光电晶体管的温度比光电二极管更敏感。如果您的产品始终在室温下运行，这不是问题。如果您使用汽车或军事系统，光电晶体管的温度引起的性能变化可能会令人头疼。

结论

光电晶体管提供更高的光生输出电流，同时施加一些性能限制。我喜欢光电二极管；尽管如此，必须有相当多的应用在其中使用光电晶体管是有意义的，然后消除了 TIA 的成本和复杂性。