什么是光敏晶体管,光敏晶体管工作原理

2017-03-15 17:07分类：电子元器件阅读：

光敏晶体管（简称“光敏管”）是利用半导体材料的光电效应原理制成的特殊光传感器件，它能够将光信号转变成电信号，其外形最大特征是管壳均开有感光窗口，并且窗口多设有会聚光线的凸透镜。由于通常将光和电能够相互转换的元器件统称为光电器件，所以把包括光敏晶体管在内的发光二极管、光电耦合器、LED数码管等统称为半导体光电器件，光敏晶体管亦被直接称为光电晶体管。

将光敏晶体管产生的电信号进一步处理后，可以完成各种各样的自动控制或检测等任务。光敏晶体管在各种光控、红外线遥控、光探测、光纤通信和光电耦合等装置中应用都很普遍，熟悉和掌握光敏晶体管的特性、参数和识别方法等内容，是很有必要的。

外形和种类

光敏晶体管主要有光敏二极管（也称光电二极管）和光敏三极管（也称光电三极管）两大类。常用光敏晶体管的实物外形如图18-1所示，其外形封装形式主要有透明塑料封装和金属壳封装两大类，引脚普遍为两根（个别管子为3根).光敏晶体管对不同光线的敏感程度来划分，有常见的对近红外光敏感的普通光敏晶体管，有对红外光敏感的红外光敏晶体管（也叫红外接收管），有对紫蓝光、红光、绿光等敏感的特殊光敏晶体管等。

光敏二极管技制造材料不同，可分为硅管、锗管两大类；按制造结构和工艺不同，可分为PN结型、PIN结型（可工作在高频下）、雪崩型（灵敏度很高）和肖特基结型4种，光敏三极管按制造材料和导电极性不同，可分为硅NPN型、硅PNP型、锗NPN型和锗PNP型4种；按结构类型不同，可分为普通光敏三极管和复合型（达林顿型）光敏三极管，，常用的光敏二极管多为硅材料PN结型管，光敏三极管多为硅NPN型管。

结构及特点

光敏二极管与普通半导体二极管相比较，有不少相似的地方．，如管芯都是由一个PN结构成的，所以都具有单向导电的性能。但光敏二极管是光电元件，因此，在构造上有它自己的特点，例如从外形上看，光敏二极管的管壳上都设有一个感光小窗口，窗口本身多为凸透镜，光线通过窗口时，正好会聚照射在管芯上，见图18-2 (a)。光敏二极管的管芯结构与普通二极管也大不相同，为了使光敏特性显著，其管芯中的PN结面积比普通二极管要做得大。当按照图18-2( b)所示，给光敏二极管加上反向电压时，如果不受到光的照射，PN结及两侧半导体材料之间的电阻会很大，通过光敏二极管的反向电流极小；当受光照后，PN结及两侧半导体材料之间在光的激发下会产生大批“光生载流子”，使其电阻显著变小，提供管子的反向电流会大量增加，这个电流就称为光电流。光电流与光照强度成正比，它随着光照强度的变化而相应变化，从而在外电路负载电阻器R的两端便可得到随入射光线变化的电压信号，实现光电转换需要注意的是：光敏二极管的正常运用是在反向偏压下工作的，其光电流为反向电流，这一点与普通二极管不同。

光敏三极管是在光敏二极管的基础上发展起来的光电器件，它不但具有和光敏二极管一样的光敏特性，而且还具有一定的放大能力，因而使用更方便、更广泛。光敏三极管是具有两个PN结的半导体器件，在功能上可将它等效看成是在一只普通晶体三极管的基极b和集电极c之间加接了一个光敏二极管，如图18-3所示。

由于三极管的电流放大作用，使光敏三极管对光线照射的反应灵敏度大大提高。光敏三极管同普通三极管在内部构造上没有根本的区别，唯有光敏三极管的基区是接受光的地方，所以基区面积做得比普通三极管的要大一些，而发射极面积却小得多在同样的光照条件下，光敏三极管所产生的光电流要比光敏二极管大几十倍甚至几百倍。需要注意的是：大多数光敏三极管只有集电极c和发射极e两根引脚，其外形与光敏二极管几乎完全一样。但也有部分光敏三极管的基极b有引脚，常作温度补偿或附加控制用。光敏三极管在正常运用时，其集电极c和发射极e之间所接直流电压的极性，与相同导电极性的NPN或PNP普通三极管完全一致。

主要参数

①最高工作电压(UHM或U(RM)ceo）。最高工作电压URM是指在无光照、反向电流不超过规定值（通常硅管为0.1μA）的前提下，光敏二极管所允许加的最高反向工作电压，，最高工作电压U(RM)ceo）。是指在无光照、集电极漏电流不超过规定值（硅管约为0.5 μA）的前提下，光敏三极管所允许加的最高工作电压。光敏晶体管的最高工作电压一般在10—100V，使用中不要超过此值。

②暗电流(/D)。这是指在无光照的情况下，给光敏晶体管施加上规定的工作电压时，所流过管子的漏电流。暗电流越小越好，这样的管子性能稳定，检测弱光的能力强。暗电流随环境温度的升高而增大。例如，硅光敏二极管在环境温度从300C变化到400C时，它的暗电流会增大10倍左右，而锗光敏二极管的暗电流变化幅度就更大了。

⑧光电流(/L)。这是指在规定的光照条件下，给光敏晶体管施加上规定的工作电压时，流过光敏晶体管的电流。光电流越大，说明光敏晶体管的灵敏度越高。

④光电灵敏度(Sn)。这是反映光敏晶体管对光的敏感程度的参数，用1μW入射光所能产生的光电流来表示，单位是μA/μW或mA/μW。实际应用时，光电灵敏度Sn越高越好

⑤峰值波长(λp)。光敏晶体管对不同波长的光的反应灵敏度是不同的规定当光敏晶体管的光谱响应为最大时，所对应的波长叫峰值波长，

⑥响应时间(tr)。这是指光敏晶体管将光信号转换成电信号所需要的时间。响应时间越短，说明反应速度越快，工作频率也就越高。

⑦最大工作电流( /CM)。这是指光敏三极管集电极、发射极之间所允许通过的最大电流，它相当于普通晶体三极管的/CM。光敏三极管的工作电流不应超过这一极限参数。

⑧最大耗散功率( PCM)。这是指光敏三极管在规定的工作条件下，所能承受的最大功率。光敏三极管在使用时不允许超过PCM这一极限值，以免造成损坏。

除了以上常用参数外，反映光敏二极管的参数还有结电容Cp、正向电压降Up等，反映光敏三极管的参数还有集电结电容Ccp、饱和降压UCE(sat)和电流传输比β等，这里不在一一详细介绍。

型号命名

国产光敏二极管和光敏三极管的命名方法与普通晶体二极管、晶体三极管相同，其型号也是由5个部分组成（也有省掉第5部分的），如2CUIA、3DU8等。其中：第1部分用阿拉伯数字表示二极管或三极管（并非代表引脚数目）；第2部分用汉语拼音字母表示管子的材料和极性，如“A”为锗N型或PNP型、 “B”为锗P型或NPN型、 “C”为硅N型或PNP型、“D”为硅P型或NPN型；第3部分用汉语拼音字母“U”表示光敏管；第4部分（阿拉伯数字）、第5部分（汉语拼音字母）分别表示产品序号和规格，主要用来区分有关参数的差异等，具体可查有关手册获知。例如，光敏晶体管的型号中末尾是字母“B”，表示光敏二极管带有环极或光敏三极管的基极带有引脚；如果末尾是字母“D”，则多表示管子为达林顿型光敏三极管。需要指出的是，PIN型硅管的型号命名只有第3、4、5部分，其格式为PIN××。大多数光敏晶体管的型号都不会、也无法在管壳上面标注出来。

目前普遍使用的是2CU系列硅N型光敏二极管和3DU系列硅NPN型光敏三极管。除此以外，常用的各种进口型号（包括合资企业生产）的光敏晶体管，尽管型号五花八门，无明显规律，但也多属于这两种类型。我们从产品型号上一般只能获得光敏晶体管的制造材料和类型等，无法获得有关参数信息。如要知道具体的参数，就需要到产品说明书或半导体手册中去查找．表18-1给出了一些常用国产光敏晶体管的型号和主要参数，仅供参考。

表18-1 常用国产光敏晶体管的型号和主要参数
类别	型号	最高工作电压URM或 U(PM)ceo(v)	暗电流 /L(Ma)	光电流 /L(Ma)	光电灵敏度 Sn(μa/μw)	峰值波长 λp(nm)	响应时间 tr(μs)	最大工作电流/cm(Ma)	最大耗散功率 Pcm(Mw)
光敏极管	2CU1A	10
	2CU1B	20
	2CU1C	30	≤0.2	≥0.08	≥0.5	880	≤0.005
	2CU1D	40
	2CU1E	50
光敏极管	2CU2A	10
	2CU2B	20
	2CU2C	30	≤0.1	≥0.03	≥0.05	880	≤0.005
	2CU2D	40
	2CU2E	50
	2CU5	12	≤0.1	≥0.005		880	≤5	20	30
光敏极管	3DU11	10	≤0.3	〉0.5		880	≤3	20	50
	3DU12	30	≤0.3	〉0.5		880	≤3	20	100
	3DU13	50	≤0.3	〉0.5		880	≤3	20	30
	3DU21	10	≤0.3	〉1		880	≤3	5	30
	3DU55	45	0.5	2		850	≤3	20	50
	3DUlOO	6	0.05	0.5		850	≤3	20	200
	3DUB13	70	0.1	0.5		850	≤3	20	200
	3DUB23	70	0.1	1		850	≤3
	3DU511D	≥20	≤0.5	≥10		880	≤100
	3DU512D	≥20	≤0.5	≥15		880	≤100

引脚识别

常用光敏晶体管的引脚排列位序如图18-4所示。

一般国产金属封装的光敏二极管，在管子外壳靠近正极引线的那一面标有色点作为标志，或在管帽边沿处凸出一小块来作为标志。如果面对引脚进行观察，靠近标志的引脚是正极，远离标志的引脚是负极，并且正极引脚较长，负极引脚较短一一这与普通发光二极管一致全塑料封装的光敏二极管，一般只能通过引脚长短来判别极性，即引脚较长者为正极，较短者为负极。假如光敏二极管有3个引脚，那么除了正、负极之外，第3个引脚应为环极。例如，2DU××B型光敏二极管的3个引脚是呈一字形排列的，离标志最近的引脚是正极，中间的引脚是负极，最远的一个引脚就是环极。

光敏三极管大多数只有发射极e和集电极c两个引脚，其外形和引脚识别方法与光敏二极管几乎一样。一般靠近管沿小凸块或色点的引脚是发射极e，离管沿小凸块或色点较远的引脚是集电极c，并且发射极e的引脚较长、集电极c的引脚较短（注意：有些进口管正好相反）。部分光敏三极管的基极b有引脚（如3DU11B型），其排列位序与普通晶体三极管一样。

电路符号

光敏晶体管的电路符号如图18-5所示。光敏二极管、光敏三极管的图形符号分别是在普通晶体二极管、晶体三极管的图形符号旁边增加了两根带箭头的直线，表示管子接受外来光线的意思，形象地反映管子的反向导电或导通特性是受光线照射影响的。注意：光敏二极管和发光二极管的图形符号很相似，只不过两者的箭头方向正好相反。光敏三极管通常无基极引脚，因此其图形符号中相应的也不画出基极引线。

光敏二极管的文字符号与普通晶体二极管一样，仍用“VD"或"V"（旧符号为”D")来表示；光敏三极管的文字符号与普通晶体三极管一样，仍用“VT"或"V"（旧符号为“BG”)来表示，若电路图中有多只同类元器件时，按常规就在字母后面或右下角标出自然数字，以示区别，如VD1、VD2------或VT1、VT2.....

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