图7.6 光电二极管原理图
(3)光敏三极管(photo transistors) 它可 以看成是一个bc结为光敏二极管的三极管。 其原理和等效电路见图7.7。在光照作用下， 光敏二极管将光信号转换成电流信号，该电 流信号被晶体三极管放大。显然，在晶体管 增益为β时，光敏三极管的光电流要比相应 的光敏二极管大β倍。
第七章 光电式传感器
第一节 光电效应
一、光电式传感器的概念
光电传感器是采用光电元件作为检测元 件的传感器。它首先把被测量的变化转换成 光信号的变化，然后借助光电元件进一步将 光信号转换成电信号。光电传感器一般由光 源、光学通路和光电元件三部分组成。光电 检测方法具有精度高、反应快、非接触等优 点，而且可测参数多，传感器的结构简单， 形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和 控制中应用非常广泛。
光敏二级管和三极管均用硅或锗制成。由 于硅器件暗电流小、温度系数小，又便于用 平面工艺大量生产，尺寸易于精确控制，因 此硅光敏器件比锗光敏器件更为普通。
图7.7 光电三极管原理图
光敏二极管和三极管使用时应注意保持光 源与光敏管的合适位置(见图7.8)。因为只有 在光敏晶体管管壳轴线与入射光方向接近的 某一方位(取决于透镜的对称性和管芯偏离中 心的程度)，入射光恰好聚焦在管芯所在的区 域，光敏管的灵敏度才最大。为避免灵敏度 变化，使用中必需保持光源与光敏管的相对
0 hc / A
（7-1）
式中： c——光速。 外光电效应从光开始照射至金属释放电
子几乎在瞬间发生，所需时间不超过109 s。
基于外光电效应原理工作的光电器件有光电 管和光电倍增管。
光电管种类很多，它是个装有光阴极和
阳极的真空玻璃管，结构如图7.1所示。图 7.2阳极通过RL与电源连接在管内形成电场
内光电效应按其工作原理可分为两种：
光电导效应和光生伏特效应。
2.1 光电导效应 半导体受到光照时会产生光生电子－空穴
对(electron-hole pairs)，使导电性能增 强，光线愈强，阻值愈低。这种光照后电阻 率变化的现象称为光电导效应。基于这种效 应的光电器件有光敏电阻和反向偏置工作的 光敏二极管与三极管。 (1) 光敏电阻(photo resistors) 光敏电阻
是一种电阻器件，其工作原理如图7.4所示。 使用时，可加直流偏压(无固定极性)，或加 交流电压。
图7.4 光敏电阻的工作原理
光敏电阻中光电导作用的强弱是用其电导 的相对变化来标志的。禁带宽度较大的半导 体材料，在室温下热激发产生的电子－空穴 对较少，无光照时的电阻(暗电阻)较大。因 此光照引起的附加电导就十分明显，表现出 很高的灵敏度。
图 7.1 光电管
光电管的阴极受到适当的照射后便发射光电 子，这些光电子在电场作用下被具有一定电 位的阳极吸引，在光电管内形成空间电子流。 电阻RL上产生的电压降正比于空间电流，其 值与照射在光电管阴极上的光成函数关系。 如果在玻璃管内充入惰性气体(如氩、氖等) 即构成充气光电管。由于光电子流对惰性气 体进行轰击，使其电离，产生更多的自由电 子，从而提高光电变换的灵敏度。
为了提高光敏电阻的灵敏度，应尽量减小
电极间的距离。对于面积较大的光敏电阻， 通常采用光敏电阻薄膜上蒸镀金属形成梳状 电极。为了减小潮湿对灵敏度的影响，光敏 电阻必须带有严密的外壳封装。光敏电阻灵 敏度高，体积小，重量轻，性能稳定，价格
图7.5 光敏电阻梳状电极
便宜，因此在自动化技术中应用广泛。 (2)光敏二极管(photodiode) PN结可以光 电导效应工作，也可以光生伏特效应工作。 如图7.6所示，处于反向偏置的PN结，在无光 照时具有高阻特性，反向暗电流很小。当光 照时，结区产生电子－空穴对，在结电场作 用下，电子向N区运动，空穴向P区运动，形 成光电 流，方向与反向电流一致。光的照度 愈大，光电流愈大。由于无光照。
图7.2 光电管受光照发射电子
光电倍增管的结构如7.3所示。在玻璃管 内除装有光电阴极和光电阳极外，尚装有若 干个光电倍增极。光电倍增极上涂有在电子 轰击下能发射更多电子的材料。光电倍增极 的形状及位置设置得正好能使前一级倍增极 发射的电子继续轰击后一级倍增极。在每个 倍增极间均依次增大加速电压。设每级的培 增率为δ，若有n级，则光电倍增管的光电流 倍增率将为δn。
在光的照射下，使电子逸出物体表面而 产生光电子发射的现象称为外光电效应。
根据爱因斯坦假设：一个电子只能接受一 个光子的能量。因此要使一个电子从物体表 面逸出，必须使光子能量ε大于该物体的表 面逸出功A。各种不同的材料具有不同的逸出 功A，因此对某特定材料而言，将有一个频率 限νo(或波长限λo)，称为“红限”。当入 射光的频率低于νo时(或波长大于λo)，不 论入射光有多强，也不能激发电子；当入射 频率高于νo时，不管它多么微弱也会使被照 射的物体激发电子，光越强则激发出的电子 数目越多。红限波长可用下式求得：
二、光电效应
光照射在物体上可以看成是一连串的具
有一定能量的光子轰击这些物体的表面；光 子与物体之间的联接体是电子。所谓光电效 应是指物体吸收了光能后转换为该物体中某 些电子的能量而产生的电效应。光电效应可 分成外光电效应和内光电效应两类。 1.外光电效应(External photoelectric effect)
图7.3 光电倍增管
2.内光电效应(Internal photoelectric effect)
光照射在半导体材料上，材料中处于价 带的电子吸收光子能量，通过禁带跃入导带， 使导带内电子浓度和价带内空穴增多，即激 发出光生电子-空穴对，从而使半导体材料产 生电效应。光子能量必须大于材料的禁带宽 度ΔEg才能产生内光电效应。由此可得内光 电效应的临界波长λo=1293/ΔEg (nm)。通 常纯净半导体的禁带宽度为1eV左右。
图7.8 入射光方向与管壳轴线夹角示意图
第二节 光电式传感器 (Photoelectric Sensors) 一.光电式传感器的类型