光電二極體和光電電晶體的基礎知識及其應用

某一類型的設計問題，可以用人類的視覺輕鬆解決。例如，我們可以感覺紙張在印表機中的正確位置。我們很容易看到紙張已對齊，但對微處理器而言，則很難進行驗證。手機中的相機需要測量環境光，來確定是否需要啟動閃光燈。如何以非侵入性方式，對血液中的含氧量進行評估？

對於這些設計問題，解決方案就是使用光電二極體或光電電晶體。這些光電元件將光 (光子) 轉換成電氣訊號，這樣微處理器 (或微控制器) 便能「看見」。如此一來，微處理器能夠控制物件的定位和對齊、確定光強度，並根據材料與光的互動來測量其物理特性。

本文將說明光電二極體和光電電晶體的工作原理，並為設計人員提供有關其應用的基本知識。我們將使用 Advanced Photonix, Inc.、Vishay Semiconductor Opto Division、Excelitas Technologies、Genicom Co., Ltd、Marktech Optoelectronics 和 NTE Electronics 等公司的元件為例進行說明。

通常用於光電二極體和光電電晶體的光譜

光電二極體和光電電晶體對特定範圍的光波長有敏感性。在某些情況下，這種特性是基於設計考量，比如說，旨在讓人眼看不見工作情形。設計人員應瞭解光譜，這樣才能讓元件滿足應用的用途。

光譜的範圍從波長較長的紅外線 (IR)，延伸到波長較短的紫外線 (UV) (圖 1)。可見波長則介於兩者之間。

圖 1：光譜是電磁頻譜的一部分，其範圍從紫外線延伸至紅外線，而可見光譜則介於兩者之間。此表列出可見光波長及其相關頻率。(圖片來源：Once Lighting (上) 與 Art Pini (下))

大多數光電元件都是以工作波長 (nm) 作為規格；頻率值則很少使用。

矽 (Si) 光電二極體往往對可見光比較敏感。紅外線敏感元件使用銻化銦 (InSb)、砷化鎵銦 (InGaAs)、鍺 (Ge) 或碲化鎘汞 (HgCdTe) 等材質。紫外線敏感元件通常使用碳化矽 (SiC) 材質。

光電二極體

光電二極體是一種雙元件 P-N 或 PIN 接面，其通過透明的元件本體或蓋子而暴露於光線中。當光照射到接面時，會產生電流或電壓，實際取決於工作模式而定。光電二極體的工作模式是採用三種模式之一，實際取決於施加在其上的偏壓而定。這三種模式為光電模式、光導模式或突崩式二極體模式。

如果光電二極體無偏壓，則會在光電模式下工作，並在光源照射下，產生很小的輸出電壓。在這種模式下，光電二極體就像是一個太陽能電池。光電模式在低頻應用中 (通常在 350 kHz 以下) 很實用，而且光的強度較低。輸出電壓小，而且大多數情況下，光電二極體輸出需要使用放大器。

光導模式需要對光電二極體進行逆向偏壓，所施加的逆向偏壓將在 P-N 接面產生空乏區。偏壓越大，空乏區就越寬。與無偏壓的二極體相比，更寬的空乏區將導致電容量減小，進而加快反應時間。此模式具有較高的雜訊位準，可能需要限制頻寬以控制這些位準。

如果逆向偏壓進一步增加，光電二極體將以突崩式二極體模式工作。在此模式下，光電二極體在高逆向偏壓下工作，這會使突崩式崩潰產生的每個光生電子電洞對，以倍數增加。這會在光電二極體內產生內部增益，並且靈敏度更高。此模式的功能類似於光電倍增管。

在大多數應用中，光電二極體是在逆向偏壓下以光導模式工作 (圖2)。

圖 2：由於空乏區內產生電子電洞對，逆向偏壓光電二極體產生與光强度成正比的電流。填滿藍色的圓圈代表電子，白色圓圈則代表電洞。(圖片來源：Art Pini)

經逆向偏壓的不發光光電二極體接面有一個空乏區，裡面的自由載子很少，看起來像是已充電的電容。有一個由熱激發之電離所產生的小電流，稱為「暗」電流。對於理想的光電二極體，其暗電流應為零。暗電流和熱雜訊位準與二極體的溫度成正比。由於照度極低，暗電流可以隱藏光電流，因此應選擇具有低暗電流的元件。

當光以足夠的能量照射到空乏層時，會使晶體結構中的原子發生電離作用，並產生電子電洞對。由於偏壓的緣故，現有的電場將使電子向陰極移動，電洞則向陽極移動，進而產生光電流。光強度越大，光電流就越大。逆向偏壓光電二極體的電流-電壓特性如圖 3 所示。

圖 3：逆向偏壓光電二極體的 V-I 特性示意圖顯示，二極體電流的增量變化是照度的函數。(圖片來源：Art Pini)

此圖表所繪製的二極體逆電流，是所施加之逆向偏壓的函數，並以光強度作為參數。請注意，照度增加時，逆電流位準會成正比增加。這是使用光電二極體測量光強度的基本知識。當偏壓大於 0.5 V 時，對光電流幾乎沒有影響。若將逆電流施加在轉阻放大器上，可將其轉換為電壓。

光電二極體的類型

光線偵測和量測應用的多樣性，亦產生各種獨特類型的光電二極體。基本的光電二極體屬於平面 P-N 接面。這些元件在無偏壓的光電模式下可提供最佳效能，也是最經濟實惠的元件。

Advanced Photonix, Inc. 的 002-151-001 是平面擴散 InGaAs 光電二極體／光電偵測器的範例 (圖 4)。本產品採用尺寸為 1.6 x 3.2 x 1.1 mm 的表面黏著元件 (SMD) 封裝，具有直徑為 0.05 mm 的有效光學孔徑。

圖 4：002-151-001 是一種平面擴散 P-N SMD 光電二極體，尺寸為 1.6 x 3.2 x 1.1 mm，其光譜範圍為 800 至 1700 nm。(圖片來源：Advanced Photonix)

這種 InGaAs 光電二極體的光譜範圍為 800 至 1700 nm，其中涵蓋 IR 光譜，暗電流小於 1 nA。光譜響應度規定了特定光功率輸入產生的電流輸出，通常為 1 A/W。本產品適用於工業感測、安全和通訊等相關應用中。

PIN 二極體的形成方法是，在傳統二極體的 P 型和 N 型層之間堆疊高電阻率的本質半導體層；因此 PIN 這個名稱反映出二極體的結構。

本質層的插入會增加二極體空乏層的有效寬度，導致更低的電容量和更高的崩潰電壓。較低的電容量能有效提高光電二極體的速度。更大的空乏區會產生大量的光生電洞，量子效率也增加。

Vishay Semiconductor Opto Division 的 VBP104SR 是一種 PIN 矽光電二極體，其光譜範圍介於 430 至 1100 nm (紫外線至近紅外線)。典型暗電流為 2 nA，光學敏感面積較大，為 4.4 mm² (圖5)。

圖 5：Vishay 的 VBP104SR 是一種 PIN 光電二極體，光學感測範圍大，適用於高速的光偵測。(圖片來源：Vishay Semiconductors)

在功能上，突崩光電二極體 (APD) 類似於光電倍增管，因其利用突崩效應，在二極體中產生增益。在高逆向偏壓下，每個電子電洞對會透過突崩式崩潰，產生額外的電子對。這樣將會產生增益，而增益則是以每個光子有較大光電流的形式表示。這使得 APD 成為低光靈敏度的首選。

APD 的範例之一為 Excelitas Technologies 的 C30737LH-500-92C。光譜範圍為 500 至 1000 nm (靛光至近紅外線)，峰值響應為 905 nm (IR)。在 900 nm 下，光譜響應度為 60 A/W，暗電流小於 1 nA。此產品適用於高頻寬應用，例如車用光達 (LiDAR) 以及光學通訊 (圖 6)。

圖 6：C30737LH-500-92C 突崩光電二極體是一種高頻寬光電二極體，適用於 LiDAR 和光學通訊等應用。(圖片來源：Excelitas Technology)

肖特基光電二極體

肖特基光電二極體是以金屬對半導體接面為基礎。接面的金屬面形成陽極電極，而 N 型半導體面則是陰極。光子穿過部分透明的金屬層，並在 N 型半導體中被吸收，釋放電荷載子對。這些自由電荷載子被外加的電場掃出空乏層，形成光電流。

這些二極體的一個顯著特性，就是反應時間非常快，通常會採用能夠快速反應的小型二極體接面結構。肖特基光電二極體的頻寬在 GHz 範圍內，可在市面上購得。這種特性使其成為高頻寬光學通訊鏈路的理想選擇。

肖特基光電二極體的一個範例是 Genicom Co., Ltd. 的 GUVB-S11SD 光電感測器(圖 7)。這種光電二極體對紫外線敏感，適用於紫外線指數測定等應用中。此元件使用以氮化鋁鎵 (AlGaN) 為主的材料，在紫外線光譜中的光譜靈敏度範圍為 240 至 320 nm。元件對光譜敏感，無法探測可見光，這在明亮的環境中是一種實用功能。暗電流小於 1 nA，響應度為 0.11 A/W。

圖 7：GUVB-S11SD 是一種以 AlGaN 為主的紫外線敏感型光電感測器，有效光學面積為 0.076 mm²。(圖片來源：Genicom Co, Ltd.)

光電電晶體

光電電晶體是一種接面型半導體元件，類似於光電二極體，乃因其可以產生與光強度成正比的電流。此元件可被視為一種內建電流放大器的光電二極體。光電電晶體是一種 NPN 電晶體，其中的基極連接由光源所取代。基極-集極接面是逆向偏壓，並通過透明窗口暴露在外部光線中。基極-集極接面會刻意做到與實際一樣大，以便將光電流提升至最大。基射極接面是正向偏壓，其集極電流則取決於入射光照度。光線供應基極電流，電流則透過正常的電晶體作用而放大。在沒有光的情況下，少量暗電流會流動，就像在光電二極體內一樣。

Marktech Optoelectronics 的 MTD8600N4-T 是一種 NPN 光電電晶體，光譜靈敏度為 400 至 1100 nm (可見光至近紅外線)，峰值光響應為 880 nm (圖 8)。

圖 8：MTD8600N4-T 光電電晶體產生的集極電流，與入射光照度成正比。請注意，由於電晶體的電流放大，集極電流比光電二極體的電流高出一個數量級。(圖片來源：Marktech Optoelectronics)

此光電電晶體封裝在有透明圓頂的金屬罐中。此圖顯示集極電流是集極到射極電壓的函數，並以光照度為參數。由於電晶體中的電流放大，集極電流明顯高於光電二極體中的電流。

光電電晶體有多種封裝形式可供選擇。例如，NTE Electronics 的 NTE3034A NPN 光電電晶體使用模製環氧樹脂封裝，從側面接收光線。此外，還可以對可見光至近紅外線進行響應，峰值光響應為 880 nm。

結論

使用光電電晶體和光電二極體進行光偵測，是微處理器或微控制器理解物理世界，並相應執行控制或分析演算法的一種方式。光電電晶體同樣可用於光電二極體的相關應用中，但是兩者各有其優點。光電電晶體提供比光電二極體更高的輸出電流位準，而光電二極體在更高頻率下工作則更具優勢。