什么是光子晶体管（Phototransistor）？

光电晶体管是一种对光敏感的晶体管。它由一个光电二极管和一个晶体管组成，用于检测光并将其转换成电信号。光电晶体管是由约翰-诺瑟普-希夫于1950年在贝尔电话实验室发明的。它的操作是基于光电效应的概念。也就是说，当光入射到一个表面上时，光能被转化为电能。光电晶体管通常由半导体材料组成，如硅或锗，以及用于形成器件内各层和结点的其他材料。


图1：光敏电阻的符号

光电晶体管的符号如图1所示。它与普通晶体管的符号相似，唯一不同的是有两个指向基区的箭头。这些箭头表示光线落在光电晶体管的基座上。

光电晶体管的结构


图2：光敏三极管的结构

光电晶体管是一个普通的双极晶体管，包含三个区域：发射器、集电极和基极。基极和集电极区域是用扩散或离子植入法制造的。这些区域有较大的宽度，因为它是光敏感区。也就是说，当光线落在这些区域时，将产生更多的电流。图2显示了光电晶体管的结构。光线主要被允许落在集电极-基极交界处。光电晶体管的基区没有外部连接。集电极-基极（CB）结沿正向偏置，而基极-发射极（BE）结则沿反向偏置。光线在基区被检测到，流经基极的电流使晶体管导通。

光电晶体管的工作原理

光电晶体管的整体输入是落在基区的光能。当光入射到基区时，会产生电子-空穴对。它们被底层半导体材料所收集。这些收集的电荷然后调制或放大流经晶体管的电流，使光电晶体管能够检测并将光转化为电信号。像普通的晶体管一样，基极电流被乘以得到光电晶体管的集电极电流。

 

对于一个传统的晶体管，其开路终端基极被绕过，集电极基极漏电流将作为基极电流ICBO。

当基极电流IB=0时，晶体管是开环的。那么集电极电流由。

因此，从上述公式可以看出，集电极电流随着基极漏电流或集电极基区而增加。

图3：光电晶体管的电路图

光电晶体管的电路图如图3所示。如果没有入射光线，由于热产生的电子-空穴对，会有一个小电流流动。此外，由于负载电阻R上的压降，输出电压将略低于输入电压。当光线落在集电极-基极结上时，电流会增加。

基极电流的大小与光照强度之间的关系如图4所示。


图4：基极电流和光照强度之间的图表

基极电流的大小随着入射光线的照度增加。

光电晶体管的特性

工作模式。光电晶体管与普通晶体管一样，有三种工作模式，如截止、激活和饱和。也就是说，光敏电阻既可用于截止和饱和模式的开关应用，也可用于使用主动模式操作的放大。

暗电流：即使没有光入射到光电晶体管上，也会有暗电流或小的反向饱和电流通过。暗电流随着温度的升高而增加。如果施加在集电极-发射极结上的电压增加到超过击穿电压，就会对光电晶体管造成永久性损害。

光谱响应。光电晶体管的输出取决于入射波段。从光谱的近紫外区到近红外区，这些器件对广泛的波长范围内的光有反应。

敏感度。光电晶体管的输出由集电极-基极结的面积和晶体管的直流电流增益决定。基座的光电流通过基座的尺寸翻倍而得到加倍。由此产生的光电流（IP）被晶体管的直流电流增益放大。当没有施加外部基极驱动电流时。



其中IC是集电极电流，hFE是直流电流增益。

图5：光电晶体管的电压与电流特性

光电晶体管的V-I特性在图5中表示。这里，X轴代表晶体管集电极-发射极区域的应用电压，Y轴代表整个器件的集电极电流供应，单位为mA。它给出了一个关于集电极区域的电流如何随入射光强度变化的概念。光的强度增加了集电极终端的电流。波长和光强度都会影响集电极区域的电流。从上图中，我们可以看到，当光落在基极上时，电流的强度增加。

光电晶体管的类型

主要有两种类型的光电晶体管。双极结晶体管（BJT）和场效应晶体管（FET）。


图6：双极和场效应光晶体管的符号

双极结晶体管包含三个终端，称为发射器、集电极和基极。场效应光晶体管包括两个终端，称为源极和漏极。这种晶体管的基极对光有反应，并调节两端的电流流动。图6显示了双极型光电晶体管和场效应光电晶体管的符号。

光电晶体管的配置


图7：NPN和PNP光晶体管的符号


双极结晶体管有两种不同的配置。NPN和PNP。两者之间的主要区别在于电流流动的方向。在NPN光电晶体管中，电流从集电极流向发射器，而在PNP光电晶体管中，电流从发射器流向集电极。对这两种类型的选择取决于具体的应用和电路的要求。图7显示了NPN和PNP光电晶体管的符号。根据输入端和输出端之间共用的终端，它们可以是共发射极配置或共集电极配置。这两种不同的配置如图8所示。


图8：光敏电阻的共发射器和共集电极配置

光电晶体管的共发射器配置是一种电路安排，其中光电晶体管的发射器连接到一个公共点（如地），基极通过一个电阻器进行偏置，集电极连接到一个负载电阻器和电源电压。在这种配置中，落在光电晶体管基区上的入射光线导致基极电流按比例增加，这反过来又会增加集电极电流。集电极电流流经负载电阻并在其上产生一个电压降。这个压降可以用来驱动其他电路或设备。共射极配置提供了高电压增益，这使得它适用于输入电流的微小变化可以在输出电压中产生巨大变化的应用。然而，它具有低输入阻抗和高输出阻抗，这可能限制它在某些应用中的使用。

在共集电极配置中，光电晶体管的集电极连接到一个公共点，发射器连接到一个负载电阻，基极通过一个电阻偏置。当光电晶体管的基区暴露在入射光线下时，会导致基极电流的增加，该电流与光量成正比。因此，发射器电流也与基极电流成比例增加。发射器电流流经负载电阻，并在其上产生一个电压降。其他电路或设备可以利用这个压降来驱动。共集电极配置也被称为射极跟随器，因为输出电压跟随输入电压有轻微的电压降。它具有较高的输入阻抗和较低的输出阻抗，这使得它适用于需要大输入信号而输出信号需要驱动低阻抗负载的应用。共集电极配置具有较低的电压增益，这可能会限制其在某些应用中的使用，在这些应用中，输入电流的微小变化需要在输出电压中产生较大的变化。

作为电流放大器的光电晶体管

光电晶体管的工作范围是由施加的光的强度决定的，因为基极输入决定了它的工作范围。晶体管的增益产生的电流增益范围为100至1000，可用于放大由于输入的光子而流经基极的电流。由于基极和集电极区域的尺寸较高，这提供了更好的结电容，它们的增益也较大。

优势

高度的光敏感性。它们甚至可以检测到非常小的光量。
它们具有高增益。
它可以作为放大器使用。由于它们是由半导体材料制成的，它们可以充当开关或放大器。这意味着光电二极管产生的小电流可以被放大为更大的电流，可以很容易地测量或处理。
非常便宜，容易获得。
产生的电流比光电二极管大
简单而小巧：它们的尺寸非常小，可以装在一个集成计算机芯片上。
可以获得非常快的和瞬时的输出。
缺点

硅制光电晶体管不能处理超过1000V的电压。
对电涌、电尖峰和电磁能量敏感。
不允许电子像其他设备那样自由移动。
低频响应。
应用

光电晶体管通常用作光学传感器，检测电路中是否有光。它们经常被用于光电干扰器中，光电干扰器是能够检测落在光电晶体管上的光量变化的器件。光电干扰器被广泛用于机器人、工业自动化和其他需要精确检测物体或运动的应用中。

它们被用于遥控系统，以检测来自遥控器的信号，如电视、DVD播放器和其他电子设备中使用的遥控器。在这种应用中，光敏电阻被用来检测由遥控器发出的红外光，使设备能够从远处操作。

光电晶体管被用来测量环境中的光强度。它们经常被用于摄影测光表，用来确定相机的正确曝光设置。在这种应用中，光敏电阻被用来测量落在它身上的光量，然后将该信息转换成电信号，可用于确定最佳曝光设置。

它们被广泛用于光纤通信，以检测远距离传输的光信号。在这种应用中，光敏电阻被用来检测通过光纤电缆传输的光信号，然后将这些信号转换成可由其他电子元件处理和放大的电信号。

光电晶体管被用于各种汽车系统，如自动头灯、雨量传感器和防抱死制动系统。在这些应用中，光敏电阻被用来检测光线水平或其他环境因素的变化，使系统能够自动调整其设置以提供最佳性能。

它们还被用于光探测和测距（LIDAR）、光电干扰器、安全系统、计数系统、水平指示、计算机逻辑电路、打卡器、各种行业，包括电信、汽车和工业自动化，并且是许多现代技术所必需的。