光電二極體和光電電晶體的工作原理
現代電子技術的發展高度依賴於能夠「感知」光線並將其轉換為電訊號的感測器件。用於此目的最常用的兩種元件是光電二極體和光電電晶體。它們都屬於光敏半導體家族，廣泛應用於自動化系統、光通訊、測量儀器以及遙控器、印表機和手機光感測器等消費性電子產品。儘管兩者都對光有響應，但光電二極體和光電電晶體的工作原理、特性和應用卻有所不同。本文將深入探討它們的工作原理，進行比較，並舉例說明它們的應用。
1. 半導體光感基礎知識
要理解光電二極體和光電晶體管，我們需要記住半導體的關鍵概念：載子，也就是電子和電洞。當光（光子）照射到半導體材料時，會激發電子，使其從價帶躍遷到導帶。這個過程會產生電子-電洞對。吸收的光子越多，形成的載子對就越多，進而增加電流。
關鍵在於：光會引發元件電特性的改變。這些變化可能表現為電流增大、電阻減小或電壓出現。在光電二極體和光電電晶體中，最主要的變化是電流的變化。
2. 光電二極體的工作原理
a. 結構和運作方式
光電二極體本質上是一種PN二極體（或其變體，例如PIN二極體和雪崩光電二極體），其設計目的是對光敏感。 PN結構形成一個耗盡區，即一個沒有自由電荷載子的區域，它就像一個帶電的「分離區」。
光電二極體可以以多種模式工作，但最常用的模式有：
1. 光電導模式（反向偏壓）
光電二極體反向偏壓。耗盡區變寬，反應速度加快，電容減小，線性度通常良好。這種模式在感測器和光通訊領域非常常見。
2. 光伏模式（無偏置/零偏壓）
光電二極體無需外部偏壓。入射光會產生類似太陽能電池的電壓，但電壓較小。這使其雜訊更低，適用於某些測量，但響應速度可能比反向偏壓慢。
b. 光能轉換為電流的機制
當光電二極體暴露在光線下時：
1. 光子在耗盡區或接面附近被吸收。
2. 形成電子-電洞對。
3. 電場 連接處的內部結構將這對結構分隔開：
電子推向N側
– 孔被推向 P 側
4. 這種電荷分離會產生光電流。
總流出量通常是下列各項的組合：
– 暗電流：即使沒有光照也會流動的小電流（因為熱效應）。
光電流：與光照強度成正比的電流。
簡單來說，光線越強→光電流越大。
c. 光電二極體的特性
光電二極體的一些重要特性包括：
– 反應速度快（適用於高頻訊號）
在一定範圍內，與光強度呈線性關係
– 與光電電晶體相比，其輸出電流相對較小，因此通常需要放大器（運算放大器/跨電阻放大器）。
– 噪音和暗電流是精密應用中的重要因素。
3. 光電電晶體的工作原理
a. 光電電晶體的基本結構
光電電晶體本質上是一種基極對光敏感的雙極型電晶體（通常為NPN型）。在光電晶體管中，光充當“基極電流”，從而控制集電極-射極電流。
與直接利用光子效應產生電流的光電二極體不同，光電電晶體利用電晶體的增益。由於增益的存在，光電電晶體的輸出電流可以更大。
b. 作用原理：以光代替基準電流
其工作原理可解釋如下：
1. 光線照射到基極-集極區域（通常是基極-集極連接處）。
2. 由於光子吸收而形成電子-電洞對。
3. 這種效應會產生一個與光基極電流相當的小電流。
4. 在雙極型電晶體（BJT）中，集極電流約為：
\[
I_C ≈ β · I_B
\]
由於 \( I_B \) 是由光「產生」的，因此光將控制 \( I_C \)。
因此，由於增益因子 \(\beta\)，光強度的微小變化會導致集電極電流比光電二極體產生更大的變化。
c. 電路模式與實現
光電晶體管通常用於以下幾種模式：
共射極：集極電壓經由電阻連接到集極，輸出電壓從集極輸出。當受到光照時，電晶體導通程度增加，輸出電壓會改變。
– 公共集電極（射極跟隨器）：輸出位於發射極，對於某些情況很有用，但在簡單的感測器中不太常見。
有時光電晶體管的基極引腳會被移除（3 引腳），但也有很多光電電晶體只有 2 引腳（內部基極無法觸及）。
d. 光電電晶體的特性
– 更靈敏（輸出電流更大）
– 由於電荷儲存過程和電晶體動力學，其速度比光電二極體慢。
– 在某些情況下，尤其是在接近飽和狀態時，線性關係會變得不那麼明顯。
– 適用於光/暗偵測、物體感應、光耦合器、轉速計數器和簡單的控制應用。
4. 光電二極體與光電電晶體的比較
以下是主要差異的總結：
1. 反應速度
光電二極體：速度非常快（適用於光通訊、快速調變）
光電電晶體：速度較慢（足以滿足一般感測器的需求）
2. 靈敏度/放大倍率
光電二極體：電流小，通常需要放大。
光電晶體管：由於電晶體增益，電流更大
3. 線性度
光電二極體：通常更線性
光電晶體管：可能有非線性特性，且容易飽和。
4. 系列
光電二極體：通常需要電流-電壓放大電路
光電電晶體：可直接與簡單的負載電阻器一起使用
5. 應用
光電二極體：光纖通訊、精密感測器、校準光測量
光電電晶體：物體偵測器、線路感測器、光耦合器、光開關
5.現實生活中的應用實例
1. 光耦合器
許多光耦合器使用光電晶體管，因為輸出訊號需要足夠大才能驅動數位電路或開關電路。
2. 紅外線接收器
在紅外線接收器（遙控器）中，通常使用光電二極體或具有內部放大器的基於光電二極體的紅外線接收器模組，因為它們需要對調製（例如 38 kHz）有快速響應。
3. 機器人上的線條感測器
光電晶體管通常與紅外線 LED 一起使用，作為發射器來讀取黑色/白色表面的光反射。
4. 光照強度計
光電二極體更適合對強度精度和線性度要求較高的設備。
6. 克辛普蘭
光電二極體和光電電晶體都能將光訊號轉換為電訊號，但它們的工作原理不同。光電二極體利用PN接面電子-電洞對的形成來產生快速且相對線性的光電流，因此非常適合高速應用和精密測量。而光電晶體管則利用光效應「取代」基極電流，然後透過電晶體的增益將其放大，這使得它們靈敏度更高，更易於在簡單電路中使用，但通常速度較慢且線性度較差。
透過了解光電二極體和光電電晶體的工作原理，我們可以根據自身需求選擇合適的組件：無論是追求速度和精度（光電二極體），還是靈敏度和簡易性（光電電晶體）。正確使用時，兩者都是現代光學感測器系統不可或缺的基礎。
