2.6 光電三極管傳感器

2.6.1 光電三極管的結構和特點

△ 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，產生了光電流增益，也因此光電三極管的響應速度就不可能很高。

△ 如圖2-70所示，光電晶體管與普通的結型晶體管的結構基本相同，有兩個PN結，三層的結構。基區面積比較大，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，在發射極-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，基極（B）與集電極（C）的PN結內部會產生光生“電子-空穴”對，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部分；另一方面，由于光照，基區內新生了光生空穴，基區內的空穴載流子濃度增大，基極與發射極間電位差Vbe升高，引起發射區電子進入基區，并穿過較薄的基區到達集電區，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整個形成過程，與發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。但是暗電流相應變大，響應速度也大為下降。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結時，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：IP為集電極-基極間構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輸出電流（集電極電流）；hFE為光敏三極管的直流放大倍數；則光敏三極管的響應輸出電流為

△ 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，是一個隨著三極管的hFE變化而不同的量值。光敏三極管的hFE有個體差異，不同hFE的光敏三極管其靈敏度也不同。這一點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，基本保持線性關系。

2.6.2.2 光敏三極管的響應速度

△ 光敏三極管的響應速度主要由基區與集電區之間的PN結電容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，所以光敏三極管對光脈沖信號輸出響應的上升時間也比光敏二極管增加了hFE倍。

設：光敏三極管對光脈沖信號輸出響應的上升時間為tR，則

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

△ 圖2-73示出了典型光敏三極管在負載電阻RL=100 Ω時的頻率響應特性。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特性，是指用調制頻率按一定規律變化的等幅調制光照射光敏三極管時，光敏三極管輸出的響應光電流的幅度，隨入射的調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，這個值遠低于普通光敏二極管的工作頻率。

△ 光敏三極管的頻率響應特性與負載電阻RL有直接的關系。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，負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集電極-發射極間（C-E間）的漏電流。在基極開放狀態下使用時，光敏三極管的暗電流就是在VCE作用下的集電極-發射極間（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）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，沒有一個統一的參數值。

2.6.2.4 光敏三極管的輸入光功率與VCE關系特性

△ 圖2-74為典型光敏三極管受光區單位面積上的輸入光功率Ee與光電流IC和VCE的關系特性（光響應特性）曲線。由圖中的Ee與VCE與IC之間關系特征可以看出，光電三極管的光響應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之間所加的實際電壓VCE的乘積不可以超出這個光電晶體管的最大耗散功率線。因此，使用光電晶體管時應考慮到入射光功率的動態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，會隨著IC的增長而變化。因此在要求寬范圍保持線性良好的照度計中，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光響應靈敏度與環境溫度之間的關系特性。

由圖2-75可以看出，環境溫度Ta對光電三極管的靈敏度有很大影響。由于光電三極管的hFE受環境溫度的影響比較大，所以光電三極管的靈敏度也會隨環境溫度變化而改變。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）示出了環境溫度對普通光電三極管以及對達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規律增大。達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數量級。由此可知，光電三極管的溫度穩定性比普通光電二極管差很多。對于溫度穩定性要求高的場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，在可見光區和近紅外光區都有較好的響應。光電三極管的光譜響應特性主要取決于構成光敏器件的半導體材料的光譜響應特性；只是在光譜響應的增益值方面，受光電三極管hFE個體差異的影響而有較大的個體差異，在這一點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紅色發光二極管（P700nm左右）、GaAs紅外發光二極管（P950nm 左右）、GaAsP黃色發光二極管（P650nm左右），以及鎢燈等。另外，硅光敏三極管對太陽光也有很好的光譜響應特性。

2.6.3 光電三極管的使用方法

2.6.3.1 關于光電三極管的基極

△ 實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-發射極間串接電阻RB，以抑制暗電流；或利用基極設置靜態工作點，也可使基極懸空不用。

△ 有基極引線的光電三極管，基極-發射極間串接電阻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后光電流輸出也會同時下降（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，暗電流IS與環境溫度之間的關系。由圖可見：基極接入電阻RB越小，暗電流也越小。但若RB過小，則對入射光電流分流過大，會降低光電流輸出值。一般RB為MΩ級電阻。

△ 圖2-81示出了接入不同阻值的基極電阻RB時，對輸出光電流的影響。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，光電三極管會出現在低照度區失去響應的現象，出現光電傳感器的量程下限值上移現象。

△ 特例：當光電三極管的基極與發射極短接時，如圖2-82（a）所示，光電三極管就相當于一個光電二極管，可當做光電二極管使用，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）為發射極輸出形式。由于基極電位不定，所以嚴格地講，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，輸出電壓與入射光信號同相位。由于沒有暗電流抑制和溫度的補償措施，溫度穩定性較差。可以用于接收低速率的模擬光信號和脈沖光信號。

△ 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，輸出電壓與入射光信號相位相反。也由于沒有暗電流抑制和溫度的補償措施，所以溫度穩定性較差。也可以用于接收低速率的模擬光信號和脈沖光信號。

（2）有溫度補償的光電三極管用法（有基極用法）

△ 光電三極管的暗電流比光電二極管高幾十倍，在溫度有升高時候的影響尤為嚴重。實際應用光電三極管時有必要設置溫度補償環節，提高傳感器的溫度穩定性。

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

△ 圖2-84電路對光敏三極管溫度穩定性的補償過程：

●在遮光情況下，溫度T上升，使CB結反向電流ICB上升；同時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，若環境溫度T升高使IE上升，將會導致光電三極管Q的VBE下降；并且RE阻值越大，VBE下降就越多。VBE下降就會導致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，實現了溫度補償。并且射極電阻RE的越大，溫度補償作用就越強。

（3）溫度補償方式的光電三極管用法（有基極用法）

△ 在圖2-85溫度補償電路中，在基極回路中串聯RB和二極管D，利用二極管的負溫度系數進行溫度補償。當環境溫度T升高時，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，導致VBE減小，從而減小輸出電流IE；由此來達到溫度補償的目的。這個電路中仍采用射極輸出形式，輸出電壓Uo與入射光信號同相位。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溫度系數，對無基極光電三極管作溫度補償的用法。在發射極回路中接入普通二極管D1和D2以及負溫度系數的熱敏電阻元件Rt，由二極管的負溫度系數和熱敏電阻負溫度系數的雙重作用，對輸出電壓Uo進行溫度補償。

△ 當溫度T升高時，發射極電流IE上升，導致輸出電壓Uo上升；這時二極管D1和D2兩端的壓降會隨溫度上升而下降（負溫度系數），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，從而達到使輸出電壓Uo下降，實現溫度補償的目的。若只用二極管D1和D2或只用負溫度系數的熱敏電阻Rt，也可以實現溫度補償的目的。

（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管的光電達林頓接法。電流放大倍數極高（β1·β2）。屬于發射極輸出形式。

●圖（b）為兩只NPN管的光電達林頓接法。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，不屬于達林頓電路。在NPN光電三極管輸出電壓的基礎上，又加了一級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管組合的光電達林頓接法。屬于電流放大（β1·β2）組合輸出形式。

△ 關于光電達林頓接法的特點：

●電流放大倍數高（β1·β2）。對微弱的入射光，也可輸出較大光電流。

●響應速度極慢。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。

●溫度穩定性差。不宜用在溫度高的場合里。

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

（6）光電三極管與運算放大器組合使用

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

●設k點為虛地，則有

所以

并且，當光電三極管輸出的光電流為IP，則運算放大器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電流IP與接口電路輸出電壓Uo之間的關系。

（7）光電傳感器應用實例

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

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

●有光照時：Q1管導通；Q1集電極為低電位，使二極管DV截止，導致Q2基極低電位，使Q2管截止，Uo輸出高電平。

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

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

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

●有光照時：光電晶體管Q1導通，PNP管Q2基極低電位，使Q2管導通。導致NPN開關管Q3基極高電位，這使Q3導通，電機M通電運轉。二極管D是為了減輕電機啟動時自感電動勢對電路的影響而加入的。

●無光照時：光電晶體管Q1截止，PNP管Q2基極高電位，這使Q2管截止。導致NPN開關管Q3基極低電位，這使Q3截止，電機M斷電停轉。