2.6 光電三極管傳感器

2.6.1 光電三極管的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

△ 光電三極管，也稱為光電晶體管。與光電二極管相比，光電三極管的光響應(yīng)速度比較慢，但靈敏度卻非常高。光電三極管利用了晶體管的放大作用，產(chǎn)生了光電流增益，也因此光電三極管的響應(yīng)速度就不可能很高。

△ 如圖2-70所示，光電晶體管與普通的結(jié)型晶體管的結(jié)構(gòu)基本相同，有兩個(gè)PN結(jié)，三層的結(jié)構(gòu)。基區(qū)面積比較大，用于接受光能照射；基極引線通常是懸空不用或是根本就不引出來；基極引線如果與外部電路連接，一般是用于減小暗電流。

△ 使用時(shí)，在發(fā)射極-集電極之間要加上與普通晶體管相同方向的外電壓（Vce），如圖2-71所示。有光照射時(shí)，基極（B）與集電極（C）的PN結(jié)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生光生“電子-空穴”對(duì)，在外加電壓E作用下，光生電流IP流出集電極，成為集電極電流的一個(gè)部分；另一方面，由于光照，基區(qū)內(nèi)新生了光生空穴，基區(qū)內(nèi)的空穴載流子濃度增大，基極與發(fā)射極間電位差Vbe升高，引起發(fā)射區(qū)電子進(jìn)入基區(qū)，并穿過較薄的基區(qū)到達(dá)集電區(qū)，增加了集電極光電流輸出，這就是放大了的光電流IC輸出。

△ 由光生電流IP到集電極輸出的光電流IC整個(gè)形成過程，與發(fā)射極接地的普通晶體管的工作過程相似，只是基極電流由光子注入，集電極輸出的是被放大了的光電流。由于有了晶體管的放大作用，光電三極管的靈敏度大為提高。與光電二極管相比，靈敏度提高了百余倍。但是暗電流相應(yīng)變大，響應(yīng)速度也大為下降。因而光電晶體管多用于低速度、高增益的光電傳感器。

2.6.2 光電三極管的主要特性

△ 光敏三極管的等效電路如圖2-72所示。它類似一種NPN（或PNP）的三極管。用光照射它的“基極-集電極”的PN結(jié)時(shí)，就可以得到與光量成正比的集電極輸出電流。

2.6.2.1 光敏三極管的靈敏度

△ 設(shè)：IP為集電極-基極間構(gòu)成的等效光敏二極管Dj的光生電流；IC為光敏三極管的響應(yīng)輸出電流（集電極電流）；hFE為光敏三極管的直流放大倍數(shù)；則光敏三極管的響應(yīng)輸出電流為

△ 由式（2-78）可以看出：

●光敏三極管的靈敏度比光敏二極管提高了hFE倍。

●光敏三極管的靈敏度，是一個(gè)隨著三極管的hFE變化而不同的量值。光敏三極管的hFE有個(gè)體差異，不同hFE的光敏三極管其靈敏度也不同。這一點(diǎn)與普通光敏二極管不一樣。

●光敏三極管的輸出電流IC與光電流IP保持線性關(guān)系；這亦代表了輸出電流IC與入射光量之間，基本保持線性關(guān)系。

2.6.2.2 光敏三極管的響應(yīng)速度

△ 光敏三極管的響應(yīng)速度主要由基區(qū)與集電區(qū)之間的PN結(jié)電容Cj的大小決定。由于晶體管的集電極電流IC是其基極電流的hFE倍，所以光敏三極管對(duì)光脈沖信號(hào)輸出響應(yīng)的上升時(shí)間也比光敏二極管增加了hFE倍。

設(shè)：光敏三極管對(duì)光脈沖信號(hào)輸出響應(yīng)的上升時(shí)間為tR，則

將式（2-79）與式（2-32）相比較可以看出，光敏三極管的響應(yīng)速度比光敏二極管慢hFE倍。因?yàn)楣饷羧龢O管的hFE不是定數(shù)，是隨光敏三極管個(gè)體而有差異的，所以光敏三極管的響應(yīng)速度也不固定，hFE越大的光敏三極管其響應(yīng)速度就越慢。

△ 圖2-73示出了典型光敏三極管在負(fù)載電阻RL=100 Ω時(shí)的頻率響應(yīng)特性。這條頻響特性曲線代表了硅光電三極管的典型特征。

△ 光敏三極管的頻率響應(yīng)特性，是指用調(diào)制頻率按一定規(guī)律變化的等幅調(diào)制光照射光敏三極管時(shí)，光敏三極管輸出的響應(yīng)光電流的幅度，隨入射的調(diào)制光頻率變化的情況。硅光電三極管的上限頻率一般在10kHz左右，這個(gè)值遠(yuǎn)低于普通光敏二極管的工作頻率。

△ 光敏三極管的頻率響應(yīng)特性與負(fù)載電阻RL有直接的關(guān)系。RL減小，則上限頻率提高。因此，在輸出電壓能滿足要求的限度內(nèi)，負(fù)載電阻值選得低一些，有利于改善頻率特性。

2.6.2.3 光敏三極管的暗電流

△ 光敏三極管的暗電流就是無光照射時(shí)集電極-發(fā)射極間（C-E間）的漏電流。在基極開放狀態(tài)下使用時(shí)，光敏三極管的暗電流就是在VCE作用下的集電極-發(fā)射極間（C-E間）的反向飽和電流ICE0；與普通晶體管一樣，即

式中，ICB0為集電極-基極間（C-B結(jié)）的反向飽和電流。亦可類比為等效光敏二極管Dj上的暗電流。

△ 由式（2-80）可見：光敏三極管的暗電流也比光敏二極管增大了hFE倍。并且不同hFE的光敏三極管暗電流也不一樣，沒有一個(gè)統(tǒng)一的參數(shù)值。

2.6.2.4 光敏三極管的輸入光功率與VCE關(guān)系特性

△ 圖2-74為典型光敏三極管受光區(qū)單位面積上的輸入光功率Ee與光電流IC和VCE的關(guān)系特性（光響應(yīng)特性）曲線。由圖中的Ee與VCE與IC之間關(guān)系特征可以看出，光電三極管的光響應(yīng)特性與普通晶體管的輸出特性曲線類似，但輸入量由電流Ib換成了單位面積上的輸入光功率Ee；光電流IC的變化取決于入射光功率的變化。并且輸出光電流IC和光電三極管E、C之間所加的實(shí)際電壓VCE的乘積不可以超出這個(gè)光電晶體管的最大耗散功率線。因此，使用光電晶體管時(shí)應(yīng)考慮到入射光功率的動(dòng)態(tài)變化范圍和最大照射功率因素，來選擇確定光電三極管的型號(hào)和所使用的電源電壓值。

△ 由圖2-74還可以看出，在一定的輸入光功率范圍里，輸出光電流IC與輸入光功率之間，基本保持線性關(guān)系。但是，光電晶體管的輸出特性受晶體管hFE變化的影響較大；而hFE又受到光電流IC變化的影響，會(huì)隨著IC的增長(zhǎng)而變化。因此在要求寬范圍保持線性良好的照度計(jì)中，不宜使用光電晶體管。

2.6.2.5 光敏三極管的溫度特性

△ 圖2-75示出了典型硅光電三極管的相對(duì)光響應(yīng)靈敏度與環(huán)境溫度之間的關(guān)系特性。

由圖2-75可以看出，環(huán)境溫度Ta對(duì)光電三極管的靈敏度有很大影響。由于光電三極管的hFE受環(huán)境溫度的影響比較大，所以光電三極管的靈敏度也會(huì)隨環(huán)境溫度變化而改變。同樣道理，光電三極管的暗電流受溫度變化的影響也很嚴(yán)重。溫度特性方面光電三極管與光電二極管有很大不同。

△ 圖2-76（b）示出了環(huán)境溫度對(duì)普通光電三極管以及對(duì)達(dá)林頓型光電三極管暗電流的影響。可以看出：溫度升高，光電三極管的暗電流就以指數(shù)規(guī)律增大。達(dá)林頓光電三極管的暗電流的隨溫度升高而增大的情況比普通光電三極管高一個(gè)數(shù)量級(jí)。由此可知，光電三極管的溫度穩(wěn)定性比普通光電二極管差很多。對(duì)于溫度穩(wěn)定性要求高的場(chǎng)合不宜使用光電三極管。

2.6.2.6 光敏三極管的光譜靈敏度

△ 由圖2-77示出了典型的硅光電三極管的相對(duì)光譜靈敏度曲線。可以看出光電三極管的光譜靈敏度特性與光電二極管相似，在可見光區(qū)和近紅外光區(qū)都有較好的響應(yīng)。光電三極管的光譜響應(yīng)特性主要取決于構(gòu)成光敏器件的半導(dǎo)體材料的光譜響應(yīng)特性；只是在光譜響應(yīng)的增益值方面，受光電三極管hFE個(gè)體差異的影響而有較大的個(gè)體差異，在這一點(diǎn)上與光電二極管有所不同。

△ 光敏三極管的光譜靈敏度特性，在選擇傳感器中具有重要意義。可參考圖2-11，選擇光譜特性相適合的發(fā)光元件與之配合使用，以獲得較高的通信效率。由圖2-11可以看出，較為適于硅光敏三極管的光源的有GaP紅色發(fā)光二極管（P700nm左右）、GaAs紅外發(fā)光二極管（P950nm 左右）、GaAsP黃色發(fā)光二極管（P650nm左右），以及鎢燈等。另外，硅光敏三極管對(duì)太陽光也有很好的光譜響應(yīng)特性。

2.6.3 光電三極管的使用方法

2.6.3.1 關(guān)于光電三極管的基極

△ 實(shí)際的光電三極管元件中，一般分為無基極引線（二端子）光電三極管和有基極引線（三端子）光電三極管兩種類型。無基極引線的光電三極管可在其C-E間加外電壓EC，而直接使用。如圖2-78所示。

△ 有基極引線的光電三極管（如圖2-79所示），可在其基極-發(fā)射極間串接電阻RB，以抑制暗電流；或利用基極設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)，也可使基極懸空不用。

△ 有基極引線的光電三極管，基極-發(fā)射極間串接電阻RB后可以使暗電流分流，從而有效減小暗電流（如圖2-80所示）。但接入RB后光電流輸出也會(huì)同時(shí)下降（如圖2-81所示）。

△ 圖2-80顯示出接入不同基極電阻RB（1MΩ、10MΩ、無窮大）時(shí)，暗電流IS與環(huán)境溫度之間的關(guān)系。由圖可見：基極接入電阻RB越小，暗電流也越小。但若RB過小，則對(duì)入射光電流分流過大，會(huì)降低光電流輸出值。一般RB為MΩ級(jí)電阻。

△ 圖2-81示出了接入不同阻值的基極電阻RB時(shí)，對(duì)輸出光電流的影響。由圖可見：隨著基極接入電阻RB的減小，光電流輸出向下降的方向平移。并且隨著基極電阻RB的接入和減小，光電三極管會(huì)出現(xiàn)在低照度區(qū)失去響應(yīng)的現(xiàn)象，出現(xiàn)光電傳感器的量程下限值上移現(xiàn)象。

△ 特例：當(dāng)光電三極管的基極與發(fā)射極短接時(shí)，如圖2-82（a）所示，光電三極管就相當(dāng)于一個(gè)光電二極管，可當(dāng)做光電二極管使用，如圖2-82（b）所示。

2.6.3.2 光電三極管的應(yīng)用電路分析

（1）光電晶體管的兩種基本用法（無基極用法）

△ 圖2-83（a）為發(fā)射極輸出形式。由于基極電位不定，所以嚴(yán)格地講，不能稱為射極輸出電路。圖2-83（a）電路的輸出電壓Uo可表示為

Uo=IC·RE

這種發(fā)射極輸出形式的受光電路其輸出阻抗比較低，有一定的光電流放大倍數(shù)，輸出電壓與入射光信號(hào)同相位。由于沒有暗電流抑制和溫度的補(bǔ)償措施，溫度穩(wěn)定性較差。可以用于接收低速率的模擬光信號(hào)和脈沖光信號(hào)。

△ 圖2-83（b）為集電極輸出形式，其輸出電壓Uo=-IC·RL。這種集電極輸出形式的受光電路有一定的光電流放大倍數(shù)，輸出電壓與入射光信號(hào)相位相反。也由于沒有暗電流抑制和溫度的補(bǔ)償措施，所以溫度穩(wěn)定性較差。也可以用于接收低速率的模擬光信號(hào)和脈沖光信號(hào)。

（2）有溫度補(bǔ)償?shù)墓怆娙龢O管用法（有基極用法）

△ 光電三極管的暗電流比光電二極管高幾十倍，在溫度有升高時(shí)候的影響尤為嚴(yán)重。實(shí)際應(yīng)用光電三極管時(shí)有必要設(shè)置溫度補(bǔ)償環(huán)節(jié)，提高傳感器的溫度穩(wěn)定性。

△ 圖2-84電路為分壓式偏置電路，具有溫度補(bǔ)償作用。由于電路中設(shè)置了穩(wěn)定的工作點(diǎn)，并有分流暗電流的支路，調(diào)整基極電阻RB可以減低暗電流，所以適用于接收模擬光信號(hào)。電路采用射極輸出形式，輸出電壓與入射光信號(hào)同相位。

△ 圖2-84電路對(duì)光敏三極管溫度穩(wěn)定性的補(bǔ)償過程：

●在遮光情況下，溫度T上升，使CB結(jié)反向電流ICB上升；同時(shí)IB也上升；而增量ΔICB和ΔIB相互平衡，疊加之后使電阻RB上的電流基本不變。因此，電阻RB上的壓降VRB基本保持一定。

●由于IB很小，所以：IR1≈IR2?IB；因此，VA電壓保持一定，基本不隨溫度變化，即

并且

所以

并且

●將式（2-81）和式（2-85）代入式（2-84）則有

即

△ 由式（2-87）可見，若環(huán)境溫度T升高使IE上升，將會(huì)導(dǎo)致光電三極管Q的VBE下降；并且RE阻值越大，VBE下降就越多。VBE下降就會(huì)導(dǎo)致IB下降，從而又引起IC和IE下降，使接口電路的輸出電壓Uo下降。這樣就抑制了輸出電壓Uo隨溫度升高而上升的情況，實(shí)現(xiàn)了溫度補(bǔ)償。并且射極電阻RE的越大，溫度補(bǔ)償作用就越強(qiáng)。

（3）溫度補(bǔ)償方式的光電三極管用法（有基極用法）

△ 在圖2-85溫度補(bǔ)償電路中，在基極回路中串聯(lián)RB和二極管D，利用二極管的負(fù)溫度系數(shù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。當(dāng)環(huán)境溫度T升高時(shí)，二極管D的正向壓降降低（約-2mV/℃），從而使光電三極管Q的基極電位VB降低，導(dǎo)致VBE減小，從而減小輸出電流IE；由此來達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)哪康摹＿@個(gè)電路中仍采用射極輸出形式，輸出電壓Uo與入射光信號(hào)同相位。并且基極回路具有分流作用，可以減低暗電流。

（4）無基極的光電晶體管的溫度補(bǔ)償電路（無基極用法）

△ 圖2-86是用熱敏電阻及普通二極管的負(fù)溫度系數(shù)，對(duì)無基極光電三極管作溫度補(bǔ)償?shù)挠梅āＴ诎l(fā)射極回路中接入普通二極管D1和D2以及負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻元件Rt，由二極管的負(fù)溫度系數(shù)和熱敏電阻負(fù)溫度系數(shù)的雙重作用，對(duì)輸出電壓Uo進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

△ 當(dāng)溫度T升高時(shí)，發(fā)射極電流IE上升，導(dǎo)致輸出電壓Uo上升；這時(shí)二極管D1和D2兩端的壓降會(huì)隨溫度上升而下降（負(fù)溫度系數(shù)），并且熱敏電阻Rt的阻值也下降，這就使電阻RE2兩端電壓降低，從而達(dá)到使輸出電壓Uo下降，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)哪康摹Ｈ糁挥枚O管D1和D2或只用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻Rt，也可以實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

（5）光電三極管與普通晶體管組合使用方法

△ 圖2-87各組合電路中：

●圖（a）為兩只NPN管的光電達(dá)林頓接法。電流放大倍數(shù)極高（β1·β2）。屬于發(fā)射極輸出形式。

●圖（b）為兩只NPN管的光電達(dá)林頓接法。電流增倍極高（β1·β2）。屬于集電極輸出的形式。

●圖（c）為NPN光電三極管與PNP管組合的光電達(dá)林頓接法。屬于電流放大（β1·β2）組合輸出形式。

●圖（d）為NPN光電三極管與PNP管組成的電壓放大器，不屬于達(dá)林頓電路。在NPN光電三極管輸出電壓的基礎(chǔ)上，又加了一級(jí)PNP管電壓放大電路。兩管都是集電極輸出的形式。

●圖（e）為NPN光電三極管與PNP管組合的光電達(dá)林頓接法。屬于電流放大（β1·β2）組合輸出形式。

△ 關(guān)于光電達(dá)林頓接法的特點(diǎn)：

●電流放大倍數(shù)高（β1·β2）。對(duì)微弱的入射光，也可輸出較大光電流。

●響應(yīng)速度極慢。比單只光電晶體管還慢β2倍。

●暗電流也非常大。比單只光電晶體管還大β2倍。

●溫度穩(wěn)定性差。不宜用在溫度高的場(chǎng)合里。

●光電達(dá)林頓接法，一般僅用于需要低速度、高靈敏度、大電流輸出的光電開關(guān)等裝置中。

（6）光電三極管與運(yùn)算放大器組合使用

△ 圖2-88為光電三極管連接運(yùn)算放大器的使用方法之一。光電三極管射極輸出信號(hào)Ui，饋入運(yùn)算放大器A的反向輸入端，Uo輸出放大后的光電壓信號(hào)。光電三極管與運(yùn)算放大器組合應(yīng)用的接口增益計(jì)算如下。

●設(shè)k點(diǎn)為虛地，則有

所以

并且，當(dāng)光電三極管輸出的光電流為IP，則運(yùn)算放大器A的輸入電壓為

●由式（2-89）有

將式（2-90）代入式（2-91）有

式（2-92）表明了光電傳感器光信號(hào)電流IP與接口電路輸出電壓Uo之間的關(guān)系。

（7）光電傳感器應(yīng)用實(shí)例

△ 光電三極管的重要用途之一是制作各種光電開關(guān)。圖2-89的（a）和（b）給出了兩種用光電三極管傳感器TPS602制作的實(shí)用光電開關(guān)電路，可用于各種光電控制裝置中。

△ 圖2-89（a）是在有光照時(shí)輸出高電平（輸出管截止）型光電開關(guān)，其動(dòng)作過程為：

●有光照時(shí)：Q1管導(dǎo)通；Q1集電極為低電位，使二極管DV截止，導(dǎo)致Q2基極低電位，使Q2管截止，Uo輸出高電平。

●無光照時(shí)：Q1管截止；Q1集電極為高電位，這使二極管DV導(dǎo)通，Q2管基極高電位，則Q2管導(dǎo)通，Uo輸出低電平。在圖2-89（a）電路中，Q2管對(duì)光電流無放大作用，只起開關(guān)作用。

●由于插入了二極管DV，這是為了提高0.7V的動(dòng)作門限電壓。要求必須完全無光照（全黑），光電晶體管Q1完全截止時(shí)，二極管DV才能導(dǎo)通，才能使Q2導(dǎo)通，Uo輸出低電平。這樣便降低了在尚未全黑時(shí)發(fā)生誤翻轉(zhuǎn)的可能性，提高了控制可靠性。

△ 圖2-89（b）是在有光照時(shí)，接通電路（輸出管導(dǎo)通）型光電開關(guān)。光電開關(guān)電路由光電晶體管Q1、中間級(jí)PNP放大管Q2及大功率NPN開關(guān)管Q3，三級(jí)電路組成。

●有光照時(shí)：光電晶體管Q1導(dǎo)通，PNP管Q2基極低電位，使Q2管導(dǎo)通。導(dǎo)致NPN開關(guān)管Q3基極高電位，這使Q3導(dǎo)通，電機(jī)M通電運(yùn)轉(zhuǎn)。二極管D是為了減輕電機(jī)啟動(dòng)時(shí)自感電動(dòng)勢(shì)對(duì)電路的影響而加入的。

●無光照時(shí)：光電晶體管Q1截止，PNP管Q2基極高電位，這使Q2管截止。導(dǎo)致NPN開關(guān)管Q3基極低電位，這使Q3截止，電機(jī)M斷電停轉(zhuǎn)。