光传感器中的光电二极管和光电晶体管介绍

关键要点:

・光传感器本质上是将感光器件接收到的光转换为电能，并利用其电流的传感器的总称。

・光电二极管是比较简单的光电转换元件。

・光电晶体管采用光电二极管与晶体管的一体化结构，是通过晶体管将光电二极管的输出电流（光电流）放大后再输出的元件。

利用光检测的传感器种类繁多。此前介绍过的照度传感器和接近传感器以及利用光电容积脉搏波法的脉搏传感器也属于光传感器的范畴。本文将介绍光传感器中比较基础的光电二极管和光电晶体管。

什么是光传感器

光传感器本质上是将感光元件接收到的光转换为电能，并利用其电流的传感器的总称。其功能多样，既可简单地检测光的有无与强弱，也能识别颜色等，并且可以适配自然光和发光二极管等多种光源。光传感器的核心是感光元件，其中比较基础的元件是光电二极管和光电晶体管。它们的应用场景丰富多样，覆盖范围非常广泛。

什么是光电二极管

光电二极管是比较简单的光电转换元件。其结构由p型半导体和n型半导体组成的pn结构成，与普通的pn结整流二极管基本相同。其V-I特性在无光条件下与普通二极管相同（下图中的蓝色曲线），但当pn结受光时，光电二极管的V-I特性会向下偏移（下图中的红色曲线）。此时，从阴极流向阳极的反向电流称为“光电流”。光电流基本与照度（入射光量）成正比（见下图）。由于以反向电流作为输出，因此通常在反向偏置中使用。

光电二极管的输出电流（光电流）通常为微安（μA）级，数值较小，因此一般需要先通过晶体管或运算放大器等接收并放大后再利用。另外，光电二极管具有照度（入射光量）与输出电流之间的线性度较高、响应速度快等特点。

以实际的光电二极管RPMD-0100为例，其规格如下：

什么是光电晶体管

光电晶体管采用光电二极管与晶体管的一体化结构，是通过晶体管将光电二极管的输出电流（光电流）放大后再输出的元件（见下图）。光电二极管的光电流为μA级，由于通常很难直接处理如此微小的电流，因此光电晶体管会将其放大至mA级再输出。另外，通过放大，即使在照度较低（即光电流较小）的情况下也能获得足够的输出，从而提升灵敏度。

在图中，NPN晶体管的集电极-基极之间似乎连接了光电二极管，但实际上是NPN晶体管的基极（p型）和集电极（n型）之间的pn结起到了光电二极管的作用。此处产生的光电流成为晶体管的基极电流，经晶体管放大hFE倍后，形成集电极电流Ic（输出电流）流过。输出电流基本与照度成正比。由于结构和工作原理的差异，光电晶体管的响应速度比光电二极管慢。

下表为实际的光电晶体管规格和技术规格书链接一览表，供参考。