这些问题可以使用光电二极管或光电晶体管来解决。这些光电器件将光（光子）转换为微处理器（或微控制器）可以“看到”的电信号。这使得控制物体的定位和排列、确定光强度并根据材料与光的相互作用来测量材料的物理特性成为可能。

光电二极管和光电晶体管的常用光谱

光电二极管和光电晶体管对一定波长范围的光波敏感。在某些情况下，这是一种设计考虑，例如，人眼看不见该动作。设计人员应该了解频谱以使设备与应用相匹配。

光谱范围从长波长红外(IR) 延伸到短波长紫外(UV)（图1）。可见光的波长介于两者之间。

图1：电磁光谱的一部分，光谱范围从紫外线到红外线，可见光谱介于两者之间。该表列出了可见光波长及其相关频率。

大多数光电器件都使用纳米(nm) 工作波长来指定；频率值很少使用。

硅(Si) 光电二极管往往对可见光敏感。红外敏感器件使用锑化铟(InSb)、砷化铟镓(InGaAs)、锗(Ge) 或碲化汞镉(HgCdTe)。紫外线敏感设备通常使用碳化硅(SiC)。

光电二极管

光电二极管是一种两元件P-N 或PIN 结，通过透明主体或盖暴露在光线下。当光照射到结点时，会根据具体的工作模式产生电流或电压。光电二极管具有三种工作模式，具体取决于施加到器件的偏置值。这些是光伏、光电导或雪崩二极管模式。

如果没有偏置信号施加到光电二极管，则它以光电模式工作，并且在被光源照射时可以产生很小的输出电压。在此模式下，光电二极管的作用类似于太阳能电池。光电模式适用于低频应用，通常低于350kHz 且光强度较低。该输出电压非常低，在大多数情况下，光电二极管输出需要放大器。

光电导模式要求光电二极管反向偏置。此处施加的反向偏置电压将在P-N 结处创建耗尽区。偏置电压越大，耗尽区越宽。与没有偏置电压的二极管相比，更宽的耗尽区导致电容减小，因此响应时间更快。这种操作模式下的噪声水平较高，可能需要通过带宽限制来控制。

如果反向偏压进一步增加，光电二极管将工作在雪崩二极管模式。在此工作模式下，光电二极管在高反向偏压下工作，由于雪崩击穿效应，使得每束光产生的电子空穴对的数量成倍增加。这导致光电二极管内部增益和更高的灵敏度。这种操作模式的功能类似于光电倍增管。

在大多数应用中，光电二极管在具有反向偏置电压的光电导模式下工作（图2）。

图2：具有反向偏置电压的光电二极管由于在耗尽区中生成电子空穴对而产生与光强度成比例的电流。蓝色圆圈代表电子，白色圆圈代表空穴。

施加反向偏压的非照明光电二极管结具有含有很少自由载流子的耗尽区。它看起来像一个充电的电容器。热感应电离会产生小电流，称为“暗”电流。理想光电二极管的暗电流为零。暗电流和热噪声水平与二极管的温度成正比。由于照度极低，暗电流会掩盖光电流，因此应选择暗电流小的器件。

当具有足够能量的光照射在耗尽层上时，它会电离晶体结构中的原子并产生电子空穴对。由于施加了偏置电压，现有的电场将电子移动到阴极，将空穴移动到阳极，从而产生光电流。光强度越大，光电流越大。图3 所示的反向偏置光电二极管的电流-电压特性说明了这一点。

图3：反向偏置光电二极管的VI 特性显示了二极管电流增量与光强度的函数关系。

该图显示了二极管反向电流与所施加的反向偏置电压的函数关系，并以光强度为参数。请注意，增加光强度会成比例地增加反向电流水平。这是使用光电二极管测量光强度的基本原理。当偏置电压大于0.5伏时，对光电流几乎没有影响。将反向电流施加到跨阻放大器，将其转换为电压。

光电二极管的类型

光检测和测量应用的多样性导致了各种不同的光电二极管类型。基本光电二极管是平面P-N 结二极管。该器件在无偏光电模式下表现最佳。该设备也是最具成本效益的。

例如，Advanced Photonix 的002-151-001 是平面扩散InGaAs 光电二极管/光电探测器（图4）。该器件采用表面贴装器件(SMD) 封装，尺寸为1.6 x 3.2 x 1.1 毫米，有效孔径为0.05 毫米。

图4：002-151-001 是平面扩散P-N SMD 光电二极管，尺寸为1.6 x 3.2 x 1.1 mm。该器件的光谱范围为800nm至1700nm。

这种InGaAs光电二极管的光谱范围为800nm至1700nm，覆盖了红外光谱。该器件的暗电流小于1nA。器件的光谱响应度指定特定光功率输入（通常为1A/W）下的电流输出。该设备的应用包括工业检测、安全和通信。

PIN二极管是通过在传统二极管的P型层和N型层之间堆叠高电阻率本征半导体层而形成的，因此PIN这个名称反映了这种二极管的结构。

插入本征层增加了二极管耗尽层的有效宽度，从而导致小电容和增加的击穿电压。较小的电容有效地提高了光电二极管的速度。更大的耗尽区可以产生更多的光子诱导电子空穴并实现更高的量子效率。

Vishay Semiconductor Opto Division 的VBP104SR 是一款硅PIN 光电二极管，覆盖430 nm 至1100 nm 的光谱范围（紫光到近红外）。该器件的典型暗电流为2nA，并具有4.4mm 的大光敏面积（图5）。

图5：Vishay VBP104SR 是一款PIN 光电二极管，具有用于高速光检测的大型光学传感窗口。

雪崩光电二极管(APD) 的功能与光电倍增管类似，利用雪崩效应在二极管中产生增益。在高反向偏压下，每个空穴电子对通过雪崩击穿产生更多的空穴电子对。这导致增益表示为更大的“每光子光电流”。这使得APD 非常适合低光灵敏度。

例如，Excelitas Technologies 的C30737LH-500-92C 就是APD。该器件的光谱范围为500nm 至1000nm（蓝绿光至近红外），峰值响应为905nm（红外）。该器件在900nm 处的光谱响应度为60A/W，暗电流小于1nA。该器件适用于汽车光检测和测距(LiDAR) 以及光通信等高带宽应用（图6）。

图6：C30737LH-500-92C 雪崩光电二极管是一款高带宽光电二极管，面向LiDAR 和光通信等应用。

肖特基光电二极管

肖特基光电二极管是一种基于金属-半导体结的器件。该结的金属侧形成阳极，而N型半导体侧为阴极。光子穿过部分透明的金属层并被N 型半导体吸收，释放出带电载流子对。这些自由带电载流子在外加电场的作用下从耗尽层逸出，形成光电流。

该二极管的另一个重要特性是其非常快的响应时间。此类器件通常使用可以快速响应的小型二极管结结构。目前市场上带宽为千兆赫(GHz) 范围的肖特基光电二极管。这使其成为高带宽光通信链路的理想选择。

例如，Genicom Co. Ltd. 的GUVB-S11SD 光传感器就是肖特基光电二极管（图7）。这种紫外线敏感光电二极管用于紫外线索引等应用。该器件采用氮化铝(AlGaN) 基材料，在紫外光谱中光谱灵敏度范围为240nm 至320nm。该设备对光谱敏感，但对可见光不敏感，这在明亮的环境中是一个有用的功能。该器件的暗电流小于1nA，响应度为0.11A/W。

图7：GUVB-S11SD 是一款基于AlGaN 的紫外敏感光传感器，有效光学面积为0.076mm。

光电晶体管

光电晶体管是一种类似于光电二极管的结型半导体器件，可产生与光强度成比例的电流。该器件可以被认为是带有内置电流放大器的光电二极管。光电晶体管是一种NPN 晶体管，其中基极连接被光源取代。基极-集电极结反向偏置并通过透明窗口暴露于外部光。该器件的基极-集电极结有意做得尽可能大，以最大化光电流。基极-发射极结正向偏置，其集电极电流是入射光强度的函数。灯提供基极电流，该电流通过正常晶体管动作被放大。在没有光的情况下，类似于光电二极管，会流过小的暗电流。

Marktech Opto electronics 的MTD8600N4-T 是一款NPN 光电晶体管，光谱灵敏度为400nm 至1100nm（可见光到近红外），峰值光响应为880nm（图8）。

图8：MTD8600N4-T 光电晶体管产生与入射光强度成正比的集电极电流。请注意，由于晶体管的电流放大作用，集电极电流将比光电二极管电流高一个数量级。

光电晶体管采用带有透明圆顶的金属封装。该图说明集电极电流作为集电极到发射极电压的函数，作为光辐照度的参数。由于晶体管的电流放大作用，集电极电流明显高于光电二极管中的电流。

使用光电晶体管和光电二极管进行光检测是微处理器或微控制器了解物理世界并相应执行控制或分析算法的一种手段。光电晶体管与光电二极管具有相同的应用，但各有其优点。光电晶体管比光电二极管具有更高的输出电流水平，在较高频率下工作时具有显着的优势。