光电晶体管结构符号、工作原理、类型及其作用
光电晶体管的概念在过去几十年中被人熟知。第一个想法是威廉·肖克利（William Shockley）在发现普通双极晶体管后于1951年提出的。两年后，他展示了光电晶体管，而在接下来的几年，它被用于不同的应用程序，并且一天天地继续着它的发展。
光电晶体管可从电子元件经销商处以低成本广泛获得，以用于不同的电子电路。像光电晶体管这样的半导体器件用于检测光照水平并根据其获得的光照水平改变发射极和集电极端子之间的电流流动。
基本概念
光电晶体管是一种电子开关和电流放大元件，它依赖于光亮来操作。当光落在结上时，与亮度成正比的反向电流流动，已经广泛用于检测光脉冲并将其转换为数字电信号。这些是由光而不是电流操作的，提供大量增益、并且是低成本的。光电晶体管符号如下图所示：
光电晶体管能够将光能转化为电能，其工作方式与通常称为LDR的光敏电阻类似，但能够同时产生电流和电压，而光敏电阻仅能因电阻变化而产生电流。
光电晶体管是基极端子暴露的晶体管，来自撞击光的光子不会向基极发送电流，而是激活晶体管。这是因为光电晶体管由双极半导体制成，并集中在通过它的能量上。它们由光粒子激活，并用于几乎所有以某种方式依赖光的电子设备。所有硅光传感器（光电晶体管）都响应整个可见辐射范围以及红外线。事实上，所有的二极管、晶体管、达林顿管、可控硅等都具有相同的基本辐射频率响应。
结构特点
光电晶体管的结构专门针对照片应用进行了优化。与普通晶体管相比，光电晶体管具有更大的基极和集电极宽度，并使用扩散或离子注入制成。
其实，光电晶体管只不过是一个普通的双极晶体管，其中基区暴露在光照下。它可用于PNP和NPN类型，具有不同的配置，如共发射极、共集电极和共基极，但通常使用共发射极配置。它也可以在底座打开时工作。与传统晶体管相比，它具有更多的基极和集电极区域。
很早以前的光电晶体管使用硅和锗等单一半导体材料，但现在的现代组件使用镓和砷化物等材料来实现高效率水平。基极是负责激活晶体管的引线，它是用于较大电力供应的门控设备。集电极是正极引线和较大的电源。发射器是负极引线和较大电源的出口。
当器件上没有光照时，由于热生成的空穴-电子对，电流会很小，并且由于负载电阻R两端的电压降，电路的输出电压将略低于电源值，落在集电极 - 基极结上的电流增加。在基极连接开路的情况下，集电极-基极电流必须在基极-发射极电路中流动，因此流动的电流被正常的晶体管动作放大。
集电极-基极结对光非常敏感，它的工作状态取决于光的强度。来自入射光子的基极电流被晶体管的增益放大，导致电流增益从数百到数千不等。光电晶体管的灵敏度是噪声水平较低的光电二极管的50到100 倍。
工作原理
普通光电晶体管包括发射极、基极和集电极端子。集电极端子与发射极端子正相关，BE结反向偏置。
一旦光照射到基极端，光电晶体管就会激活，并且光通过允许空穴-电子对的配置以及流过发射极或集电极的电流来触发光电晶体管。当电流增加时，它会集中并变成电压。
通常情况下，光电晶体管不包括基极连接。当光被用来允许电流流过整个光电晶体管时，基极端子被断开。
光电晶体管的类型
1、BJT光电晶体管
在光线不足的情况下，BJT光电晶体管允许集电极之间以及100毫安的发射极之间发生泄漏，否则会很低。一旦这个晶体管暴露在光束中，它的电流就高达50mA。这将它与不允许大量电流的光电二极管区分开来。
2、FET光电晶体管
这种光电晶体管包括两个端子，它们通过其集电极和发射极内部连接，或者通过场效应管内的源极和漏极内部连接。晶体管的基极端子对光起反应并控制端子之间的电流。
电路图示例原理
光电晶体管的工作原理与普通晶体管一样，基极电流乘以集电极电流，但在光电晶体管中，基极电流由可见光或红外光的量控制，而该器件只需要2个管脚。
在简单的电路中，假设没有任何东西连接到Vout，由光量控制的基极电流将决定集电极电流，也就是流过电阻的电流。因此，Vout处的电压将根据光量上下移动。这里可以将它连接到运算放大器以增强信号或直接连接到微控制器的输入。
光电晶体管的输出取决于入射光的波长，这些设备对从近紫外到可见光到光谱的近红外部分的广泛波长范围内的光作出响应。对于给定的光源照明水平，光电晶体管的输出由暴露的集电极 - 基极结的面积和晶体管的直流电流增益来定义。
光电晶体管有不同的配置，如光隔离器、光开关、回归反射传感器。光隔离器类似于变压器，因为输出与输入是电隔离的。当物体进入光开关的间隙并阻挡发射器和检测器之间的光路时，它就会被检测到。回归反射传感器通过产生光然后寻找其从被感测物体的反射率来检测物体的存在。
运作模式
在光电晶体管电路中，基本的工作模式包括有源和开关两种，其中常用的工作模式是开关型。它解释了对光的非线性响应；一旦没有光，就没有电流流入晶体管。一旦有光源，电流就开始供应。开关模式在 ON/OFF系统中工作。主动模式也称为线性模式，其反应方式与光亮度成正比。
规格参数
光电晶体管的选择可以根据不同的参数和规格来完成，主要包括：
- 集电极电流 (IC)
- 基极电流 (Iλ)
- 峰值波长
- 集电极到发射极击穿电压 (VCE)
- 集射击穿电压 (VBRCEO)
- 发射极-集电极击穿电压 (VBRECO)
- 暗电流 (ID)
- 功耗（PD或Ptot）
- 上升时间 (tR)
- 下降时间 (tF)
设计技术参数
所选材料以及成分对光电晶体管的灵敏度起着至关重要的作用。同质结构或单一材料器件的增益水平从50到数百不等。这些是通常用硅设计的普通光电晶体管。异质结构或几种材料配置器件可能包括高达 10k的增益水平，但由于生产成本高，它们不太常见。
不同材料的电磁波长范围如下：
- 对于硅 (Si) 材料，电磁波长范围为190至1100nm
- 对于锗 (Ge) 材料，电磁波长范围为400至1700nm
- 对于砷化铟镓 (InGaAs) 材料，电磁波长范围为800至2600nm
- 对于硫化铅材料，电磁波长范围为<1000至3500nm
- SMT（表面贴装）技术通过焊接将组件端子连接到PCB（印刷电路板），否则将组件端子连接到电路板的顶面。通常情况下，印刷电路板焊盘可以使用诸如焊料和助焊剂配方的糊剂进行涂覆。通常来自红外线烤箱的高温会溶解焊膏，将元件的端子焊接到PCB焊盘上。
- THT（通孔）技术是一种常用的安装方式。可以通过在PCB内使用孔放置元件端子来完成元件的排列，这些元件可以焊接在PCB的另一面。光电晶体管的特性主要包括截止滤光片，用于阻挡可观察到的光。通过抗反射涂层可以改善其他人的光检测，也可以获得包括代替平面透镜的圆顶透镜的装置。
光电二极管与光电晶体管的区别
光电二极管和光电晶体管之间的区别包括以下几点内容。
| 光电二极管 | 光电晶体管 |
| 它是一个PN结二极管，用于在光子撞击其表面时产生电流 | 用于将光的能量转换为电能 |
| 不那么敏感 | 比较敏感 |
| 输出响应快 | 输出响应慢 |
| 产生电流 | 产生电压和电流 |
| 用于太阳能发电，检测紫外线或红外线以及光测量等 | 用于光盘播放器、烟雾探测器、激光器、不可见光接收器等 |
| 对入射光更具反应性 | 反应性较小 |
| 暗电流较小 | 具有高暗电流 |
| 偏置都像正向和反向一样使用 | 使用前向偏置 |
| 线性响应范围更宽 | 线性响应范围要低得多 |
| 与光电晶体管相比，光电二极管允许低电流 | 与光电二极管相比，光电晶体管允许高电流 |
| 用于功耗较低的电池供电设备 | 用作固态开关，不像光电二极管 |
主要特征
光电晶体管的特性包括以下几点内容：
- 低成本可见光和近红外光探测。
- 可提供从100到超过1500的增益。
- 中等快速的响应时间。
- 提供多种封装，包括环氧树脂涂层、转移成型和表面贴装技术。
- 电气特性与信号晶体管相似。
主要优缺点
光电晶体管有几个重要的优点，这将它们与光传感器区分开来，主要包括：
- 比光电二极管更高的电流。
- 相对便宜、简单且足够小，可以将它们中的几个安装到单个集成计算机芯片上。
- 速度非常快，能够提供几乎瞬时的输出。
- 可以产生电压。
光电晶体管的缺点包括以下几点内容：
- 由硅制成的光电晶体管不能处理超过1,000伏的电压。
- 光电晶体管更容易受到电涌和尖峰以及电磁能的影响。
- 不允许电子像其他设备（例如电子管）那样自由移动。
主要应用
光电晶体管的应用领域非常广泛，下面简单列举一些比较常见的应用：- 安全系统
- 编码器——测量速度和方向
- 红外探测器照片
- 电气控制
- 计算机逻辑电路
- 继电器
- 照明控制（高速公路等）
- 电平指示
- 计数系统
总结
以上就是关于光电晶体管结构符号、工作原理、类型及其作用等相关内容介绍。最后从上述内容可以得出结论，光电晶体管广泛用于不同的电子设备中用于检测光，例如红外接收器，烟雾探测器，激光，CD播放器等。
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