2.6 光电三极管传感器
2.6.1 光电三极管的结构和特点
△ 光电三极管，也称为光电晶体管。与光电二极管相比，光电三极管的光响应速度比较慢，但灵敏度却非常高。光电三极管利用了晶体管的放大作用，产生了光电流增益，也因此光电三极管的响应速度就不可能很高。
△ 如图2-70所示，光电晶体管与普通的结型晶体管的结构基本相同，有两个PN结，三层的结构。基区面积比较大，用于接受光能照射；基极引线通常是悬空不用或是根本就不引出来；基极引线如果与外部电路连接，一般是用于减小暗电流。
图2-70 光电晶体管的结构
△ 使用时，在发射极-集电极之间要加上与普通晶体管相同方向的外电压（Vce），如图2-71所示。有光照射时，基极（B）与集电极（C）的PN结内部会产生光生“电子-空穴”对，在外加电压E作用下，光生电流IP流出集电极，成为集电极电流的一个部分；另一方面，由于光照，基区内新生了光生空穴，基区内的空穴载流子浓度增大，基极与发射极间电位差Vbe升高，引起发射区电子进入基区，并穿过较薄的基区到达集电区，增加了集电极光电流输出，这就是放大了的光电流IC输出。
图2-71 光电三极管的基本连接方式之一
△ 由光生电流IP到集电极输出的光电流IC整个形成过程，与发射极接地的普通晶体管的工作过程相似，只是基极电流由光子注入，集电极输出的是被放大了的光电流。由于有了晶体管的放大作用，光电三极管的灵敏度大为提高。与光电二极管相比，灵敏度提高了百余倍。但是暗电流相应变大，响应速度也大为下降。因而光电晶体管多用于低速度、高增益的光电传感器。
2.6.2 光电三极管的主要特性
△ 光敏三极管的等效电路如图2-72所示。它类似一种NPN（或PNP）的三极管。用光照射它的“基极-集电极”的PN结时，就可以得到与光量成正比的集电极输出电流。
图2-72 光敏三极管的等效电路
2.6.2.1 光敏三极管的灵敏度
△ 设：IP为集电极-基极间构成的等效光敏二极管Dj的光生电流；IC为光敏三极管的响应输出电流（集电极电流）；hFE为光敏三极管的直流放大倍数；则光敏三极管的响应输出电流为
△ 由式（2-78）可以看出：
●光敏三极管的灵敏度比光敏二极管提高了hFE倍。
●光敏三极管的灵敏度，是一个随着三极管的hFE变化而不同的量值。光敏三极管的hFE有个体差异，不同hFE的光敏三极管其灵敏度也不同。这一点与普通光敏二极管不一样。
●光敏三极管的输出电流IC与光电流IP保持线性关系；这亦代表了输出电流IC与入射光量之间，基本保持线性关系。
2.6.2.2 光敏三极管的响应速度
△ 光敏三极管的响应速度主要由基区与集电区之间的PN结电容Cj的大小决定。由于晶体管的集电极电流IC是其基极电流的hFE倍，所以光敏三极管对光脉冲信号输出响应的上升时间也比光敏二极管增加了hFE倍。
设：光敏三极管对光脉冲信号输出响应的上升时间为tR，则
将式（2-79）与式（2-32）相比较可以看出，光敏三极管的响应速度比光敏二极管慢hFE倍。因为光敏三极管的hFE不是定数，是随光敏三极管个体而有差异的，所以光敏三极管的响应速度也不固定，hFE越大的光敏三极管其响应速度就越慢。
△ 图2-73示出了典型光敏三极管在负载电阻RL=100 Ω时的频率响应特性。这条频响特性曲线代表了硅光电三极管的典型特征。
图2-73 典型硅光敏三极管的频响特性
△ 光敏三极管的频率响应特性，是指用调制频率按一定规律变化的等幅调制光照射光敏三极管时，光敏三极管输出的响应光电流的幅度，随入射的调制光频率变化的情况。硅光电三极管的上限频率一般在10kHz左右，这个值远低于普通光敏二极管的工作频率。
△ 光敏三极管的频率响应特性与负载电阻RL有直接的关系。RL减小，则上限频率提高。因此，在输出电压能满足要求的限度内，负载电阻值选得低一些，有利于改善频率特性。
2.6.2.3 光敏三极管的暗电流
△ 光敏三极管的暗电流就是无光照射时集电极-发射极间（C-E间）的漏电流。在基极开放状态下使用时，光敏三极管的暗电流就是在VCE作用下的集电极-发射极间（C-E间）的反向饱和电流ICE0；与普通晶体管一样，即
式中，ICB0为集电极-基极间（C-B结）的反向饱和电流。亦可类比为等效光敏二极管Dj上的暗电流。
△ 由式（2-80）可见：光敏三极管的暗电流也比光敏二极管增大了hFE倍。并且不同hFE的光敏三极管暗电流也不一样，没有一个统一的参数值。
2.6.2.4 光敏三极管的输入光功率与VCE关系特性
△ 图2-74为典型光敏三极管受光区单位面积上的输入光功率Ee与光电流IC和VCE的关系特性（光响应特性）曲线。由图中的Ee与VCE与IC之间关系特征可以看出，光电三极管的光响应特性与普通晶体管的输出特性曲线类似，但输入量由电流Ib换成了单位面积上的输入光功率Ee；光电流IC的变化取决于入射光功率的变化。并且输出光电流IC和光电三极管E、C之间所加的实际电压VCE的乘积不可以超出这个光电晶体管的最大耗散功率线。因此，使用光电晶体管时应考虑到入射光功率的动态变化范围和最大照射功率因素，来选择确定光电三极管的型号和所使用的电源电压值。
图2-74 典型光敏三极管的输入光功率与IC和VCE关系
△ 由图2-74还可以看出，在一定的输入光功率范围里，输出光电流IC与输入光功率之间，基本保持线性关系。但是，光电晶体管的输出特性受晶体管hFE变化的影响较大；而hFE又受到光电流IC变化的影响，会随着IC的增长而变化。因此在要求宽范围保持线性良好的照度计中，不宜使用光电晶体管。
2.6.2.5 光敏三极管的温度特性
△ 图2-75示出了典型硅光电三极管的相对光响应灵敏度与环境温度之间的关系特性。
图2-75 典型硅光敏三极管的相对光响应灵敏度与温度关系
由图2-75可以看出，环境温度Ta对光电三极管的灵敏度有很大影响。由于光电三极管的hFE受环境温度的影响比较大，所以光电三极管的灵敏度也会随环境温度变化而改变。同样道理，光电三极管的暗电流受温度变化的影响也很严重。温度特性方面光电三极管与光电二极管有很大不同。
△ 图2-76（b）示出了环境温度对普通光电三极管以及对达林顿型光电三极管暗电流的影响。可以看出：温度升高，光电三极管的暗电流就以指数规律增大。达林顿光电三极管的暗电流的随温度升高而增大的情况比普通光电三极管高一个数量级。由此可知，光电三极管的温度稳定性比普通光电二极管差很多。对于温度稳定性要求高的场合不宜使用光电三极管。
图2-76 环境温度对光敏三极管暗电流的影响
2.6.2.6 光敏三极管的光谱灵敏度
△ 由图2-77示出了典型的硅光电三极管的相对光谱灵敏度曲线。可以看出光电三极管的光谱灵敏度特性与光电二极管相似，在可见光区和近红外光区都有较好的响应。光电三极管的光谱响应特性主要取决于构成光敏器件的半导体材料的光谱响应特性；只是在光谱响应的增益值方面，受光电三极管hFE个体差异的影响而有较大的个体差异，在这一点上与光电二极管有所不同。
图2-77 典型硅光敏三极管的相对光谱响应特性
△ 光敏三极管的光谱灵敏度特性，在选择传感器中具有重要意义。可参考图2-11，选择光谱特性相适合的发光元件与之配合使用，以获得较高的通信效率。由图2-11可以看出，较为适于硅光敏三极管的光源的有GaP红色发光二极管（P700nm左右）、GaAs红外发光二极管（P950nm 左右）、GaAsP黄色发光二极管（P650nm左右），以及钨灯等。另外，硅光敏三极管对太阳光也有很好的光谱响应特性。
2.6.3 光电三极管的使用方法
2.6.3.1 关于光电三极管的基极
△ 实际的光电三极管元件中，一般分为无基极引线（二端子）光电三极管和有基极引线（三端子）光电三极管两种类型。无基极引线的光电三极管可在其C-E间加外电压EC，而直接使用。如图2-78所示。
图2-78 无基极引线的光电三极管的使用
△ 有基极引线的光电三极管（如图2-79所示），可在其基极-发射极间串接电阻RB，以抑制暗电流；或利用基极设置静态工作点，也可使基极悬空不用。
图2-79 有基极引线的光电三极管的使用
△ 有基极引线的光电三极管，基极-发射极间串接电阻RB后可以使暗电流分流，从而有效减小暗电流（如图2-80所示）。但接入RB后光电流输出也会同时下降（如图2-81所示）。
图2-80 RB与暗电流关系
图2-81 RB与光电流输出关系
△ 图2-80显示出接入不同基极电阻RB（1MΩ、10MΩ、无穷大）时，暗电流IS与环境温度之间的关系。由图可见：基极接入电阻RB越小，暗电流也越小。但若RB过小，则对入射光电流分流过大，会降低光电流输出值。一般RB为MΩ级电阻。
△ 图2-81示出了接入不同阻值的基极电阻RB时，对输出光电流的影响。由图可见：随着基极接入电阻RB的减小，光电流输出向下降的方向平移。并且随着基极电阻RB的接入和减小，光电三极管会出现在低照度区失去响应的现象，出现光电传感器的量程下限值上移现象。
△ 特例：当光电三极管的基极与发射极短接时，如图2-82（a）所示，光电三极管就相当于一个光电二极管，可当做光电二极管使用，如图2-82（b）所示。
图2-82 光电三极管当做光电二极管用的接法
2.6.3.2 光电三极管的应用电路分析
（1）光电晶体管的两种基本用法（无基极用法）
△ 图2-83（a）为发射极输出形式。由于基极电位不定，所以严格地讲，不能称为射极输出电路。图2-83（a）电路的输出电压Uo可表示为
Uo=IC·RE
图2-83 无基极光电三极管的两种基本接法
这种发射极输出形式的受光电路其输出阻抗比较低，有一定的光电流放大倍数，输出电压与入射光信号同相位。由于没有暗电流抑制和温度的补偿措施，温度稳定性较差。可以用于接收低速率的模拟光信号和脉冲光信号。
△ 图2-83（b）为集电极输出形式，其输出电压Uo=-IC·RL。这种集电极输出形式的受光电路有一定的光电流放大倍数，输出电压与入射光信号相位相反。也由于没有暗电流抑制和温度的补偿措施，所以温度稳定性较差。也可以用于接收低速率的模拟光信号和脉冲光信号。
（2）有温度补偿的光电三极管用法（有基极用法）
△ 光电三极管的暗电流比光电二极管高几十倍，在温度有升高时候的影响尤为严重。实际应用光电三极管时有必要设置温度补偿环节，提高传感器的温度稳定性。
△ 图2-84电路为分压式偏置电路，具有温度补偿作用。由于电路中设置了稳定的工作点，并有分流暗电流的支路，调整基极电阻RB可以减低暗电流，所以适用于接收模拟光信号。电路采用射极输出形式，输出电压与入射光信号同相位。
图2-84 光电三极管分压式温度补偿电路
△ 图2-84电路对光敏三极管温度稳定性的补偿过程：
●在遮光情况下，温度T上升，使CB结反向电流ICB上升；同时IB也上升；而增量ΔICB和ΔIB相互平衡，叠加之后使电阻RB上的电流基本不变。因此，电阻RB上的压降VRB基本保持一定。
●由于IB很小，所以：IR1≈IR2≫IB；因此，VA电压保持一定，基本不随温度变化，即
并且
所以
并且
●将式（2-81）和式（2-85）代入式（2-84）则有
即
△ 由式（2-87）可见，若环境温度T升高使IE上升，将会导致光电三极管Q的VBE下降；并且RE阻值越大，VBE下降就越多。VBE下降就会导致IB下降，从而又引起IC和IE下降，使接口电路的输出电压Uo下降。这样就抑制了输出电压Uo随温度升高而上升的情况，实现了温度补偿。并且射极电阻RE的越大，温度补偿作用就越强。
（3）温度补偿方式的光电三极管用法（有基极用法）
△ 在图2-85温度补偿电路中，在基极回路中串联RB和二极管D，利用二极管的负温度系数进行温度补偿。当环境温度T升高时，二极管D的正向压降降低（约-2mV/℃），从而使光电三极管Q的基极电位VB降低，导致VBE减小，从而减小输出电流IE；由此来达到温度补偿的目的。这个电路中仍采用射极输出形式，输出电压Uo与入射光信号同相位。并且基极回路具有分流作用，可以减低暗电流。
图2-85 基极串联电阻和二极管温度补偿电路
（4）无基极的光电晶体管的温度补偿电路（无基极用法）
△ 图2-86是用热敏电阻及普通二极管的负温度系数，对无基极光电三极管作温度补偿的用法。在发射极回路中接入普通二极管D1和D2以及负温度系数的热敏电阻元件Rt，由二极管的负温度系数和热敏电阻负温度系数的双重作用，对输出电压Uo进行温度补偿。
图2-86 无基极光电三极管的温度补偿电路
△ 当温度T升高时，发射极电流IE上升，导致输出电压Uo上升；这时二极管D1和D2两端的压降会随温度上升而下降（负温度系数），并且热敏电阻Rt的阻值也下降，这就使电阻RE2两端电压降低，从而达到使输出电压Uo下降，实现温度补偿的目的。若只用二极管D1和D2或只用负温度系数的热敏电阻Rt，也可以实现温度补偿的目的。
（5）光电三极管与普通晶体管组合使用方法
△ 图2-87各组合电路中：
图2-87 光电三极管与普通晶体管组合使用
●图（a）为两只NPN管的光电达林顿接法。电流放大倍数极高（β1·β2）。属于发射极输出形式。
●图（b）为两只NPN管的光电达林顿接法。电流增倍极高（β1·β2）。属于集电极输出的形式。
●图（c）为NPN光电三极管与PNP管组合的光电达林顿接法。属于电流放大（β1·β2）组合输出形式。
●图（d）为NPN光电三极管与PNP管组成的电压放大器，不属于达林顿电路。在NPN光电三极管输出电压的基础上，又加了一级PNP管电压放大电路。两管都是集电极输出的形式。
●图（e）为NPN光电三极管与PNP管组合的光电达林顿接法。属于电流放大（β1·β2）组合输出形式。
△ 关于光电达林顿接法的特点：
●电流放大倍数高（β1·β2）。对微弱的入射光，也可输出较大光电流。
●响应速度极慢。比单只光电晶体管还慢β2倍。
●暗电流也非常大。比单只光电晶体管还大β2倍。
●温度稳定性差。不宜用在温度高的场合里。
●光电达林顿接法，一般仅用于需要低速度、高灵敏度、大电流输出的光电开关等装置中。
（6）光电三极管与运算放大器组合使用
△ 图2-88为光电三极管连接运算放大器的使用方法之一。光电三极管射极输出信号Ui，馈入运算放大器A的反向输入端，Uo输出放大后的光电压信号。光电三极管与运算放大器组合应用的接口增益计算如下。
图2-88 光电三极管与运算放大器组合使用
●设k点为虚地，则有
所以
并且，当光电三极管输出的光电流为IP，则运算放大器A的输入电压为
●由式（2-89）有
将式（2-90）代入式（2-91）有
式（2-92）表明了光电传感器光信号电流IP与接口电路输出电压Uo之间的关系。
（7）光电传感器应用实例
△ 光电三极管的重要用途之一是制作各种光电开关。图2-89的（a）和（b）给出了两种用光电三极管传感器TPS602制作的实用光电开关电路，可用于各种光电控制装置中。
图2-89 使用光电三极管的开关电路
△ 图2-89（a）是在有光照时输出高电平（输出管截止）型光电开关，其动作过程为：
●有光照时：Q1管导通；Q1集电极为低电位，使二极管DV截止，导致Q2基极低电位，使Q2管截止，Uo输出高电平。
●无光照时：Q1管截止；Q1集电极为高电位，这使二极管DV导通，Q2管基极高电位，则Q2管导通，Uo输出低电平。在图2-89（a）电路中，Q2管对光电流无放大作用，只起开关作用。
●由于插入了二极管DV，这是为了提高0.7V的动作门限电压。要求必须完全无光照（全黑），光电晶体管Q1完全截止时，二极管DV才能导通，才能使Q2导通，Uo输出低电平。这样便降低了在尚未全黑时发生误翻转的可能性，提高了控制可靠性。
△ 图2-89（b）是在有光照时，接通电路（输出管导通）型光电开关。光电开关电路由光电晶体管Q1、中间级PNP放大管Q2及大功率NPN开关管Q3，三级电路组成。
●有光照时：光电晶体管Q1导通，PNP管Q2基极低电位，使Q2管导通。导致NPN开关管Q3基极高电位，这使Q3导通，电机M通电运转。二极管D是为了减轻电机启动时自感电动势对电路的影响而加入的。
●无光照时：光电晶体管Q1截止，PNP管Q2基极高电位，这使Q2管截止。导致NPN开关管Q3基极低电位，这使Q3截止，电机M断电停转。