台亚拥有矽基与化合物半导体磊晶技术并提供专业的设计能力与晶粒制造技术,搭配可靠的品质管控能力,创造世界一流的感测元件,包含各样式的光侦测元件方案如光电二极体、光电晶体、光闸流体,应用于穿戴式医疗、工业、汽车与家电产品等领域满足生活体验。

原理机制

当一具备足够能量的光子冲击二极体上且吸收发生于光电二极体里的空乏层,其内建电场将会使产生的电子电洞对分别朝向阴极与阳极的方向移动,于是产生了光电流,而实际上光讯号是光电流与暗电流的叠加值,故可视作杂讯的暗电流需要被有效的降低来提高元件的感测灵敏度。

元件结构

光电二极体主要为PN接面组成,而在P型与N型之间插入高阻本质层即形成PIN结构,此可增加二极体空乏层的有效宽度,除了提高崩溃电压外也可产生更大量的电子电洞对来提升量子效率,更可降低接面电容提高元件操作速度。

材料选择

因光电二极体对特定范围的光波长有敏感性,故会视光源的波长来选择相对应的材料进行感测,材料如下:

矽基 PD : 常见感测波长可于 400~1100 nm
化合物 PD : InGaAs PD 常见感测波长介于 900~1700nm

重点特性

响应值 : 辐射光功率与产生的光电流的转换效率,单位安培/瓦特(A/W),其值可转换为量子效率(%)
暗电流 : 在无照光环境下,受光元件中流动的电流,单位 = nA
崩溃电压 : 二极体逆向导通时最小的逆偏电压
响应频谱 : 不同入射光源波长对光电流转换效率曲线图,光谱如下范例:

原理机制

光电晶体是一种NPN接面型元件,类似于光电二极体,但因照光后光子会撞击基极取代实际施加于基极的电压(VBE),射极电子流向基极并与电洞结合产生微小电流(IB),此电流将与入射光照度成正比。此外一般基极厚度很薄,从射极流入基极的电子会扩散到集极,且被集射级之间的顺向电压 (VCE) 所吸引,而移动至集极方向所产生的集极电流 (IC)会依照光电晶体的增益(hFE)而放大。

元件类型

光电晶体主要为NPN接面组成,或以两个光电晶体组成达灵顿光电晶体已获得更大的增益值 hFE。

重点特性

集射极崩溃电压 (BVCEO) : 基极开路时,使其集射极接面崩溃的的最小电压
射集极崩溃电压 (BVECO) : 基极开路时,使其射集极接面崩溃的的最小电压
集极暗电流 (ICEO) : 无照光与基极开路时,流过集射极的漏电流
集射极饱和电压 VCE(S) : 使PN接面皆处于顺偏时的集射极最大电压
电流增益 (HFE) : 集极电流与基极产生光电流之间的放大倍率

光电晶体于光耦合器

1. 由光的发射、光的接收与讯号放大组成,完成电-光-电的转换
2. 输入端与输出端完全实现了电气隔离并单向传输,输出信号对输入端无影响
3. 电流传输比 (CTR) 定义为输出电流IC与输入电流IF的比值(参阅下图),主要用来评估负载电阻值的选定
4. 常用于信号隔离开关与讯号传输

原理机制

双向光闸流体可视作由一对PNPN结 (同达灵顿光电晶体运作) 反向并联而成,对外并引出两个电极 T1 & T2,而控制极则需由外部照光后触发控制特性,使得 T1 & T2 于接入任何极性的电压皆可使双向光闸流体导通。

操作种类

1. 零点触发 (ZC) :

以60Hz AC交流电来说,每秒钟会有60个弦波周期与60个与0V的交越点,此时导通或关闭开关时,最不易产生火花,此用意通常是为了延长开关接点寿命。所以当使用导通时间较短的光触发式闸流体,在零点交越处驱动外部接点来当作控制开关,可具备比过往电磁继电器因激磁反应时间过长而无法做到零点切换的优势

2. 非零点触发 (NZC) :

和零点触发不同点在于它允许在交流正弦电压的任一时间点输出电压,故输出的电压波形均非完整的正弦波,并控制其触发角来输出不同功率

重点特性

断态重复峰值电压 (VDRM) : 控制极断路和闸流体正向阻断的条件下,可重复加在闸流体两端的正向峰值电压
通态峰值电压 (VTM) : 通过正向峰值电流IFM或通态峰值电流时的峰值电压
静态电压上升率 (dv/dt) : 当电流为零且施加的电压为高电压时,上升速率超过静态dv/dt,光闸流体即会误导通
维持电流 (IH) : 规定的环境温度和控制极断路的条件下,维持元件继续导通的最小电流,当光闸流体的正向电流小于这个电流时,闸流体将自动关断
抑制电压 (VINH) : 于零点触发电路中,当负载电压高于抑制电压时,即使触发电流很高,也可防止光闸流体被触发