二、
１．
光敏二极管的结构与一般二极管相似。 它装在透明玻璃 外壳中, 其PN结装在管的顶部, 可以直接受到光照射（见图8 5）。 光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态（见图8-6 所示）, 在没有光照射时, 反向电阻很大, 反向电流很小, 这反向 电流称为暗电流。 当光照射在PN结上时, 光子打在PN结附近, 使PN结附近产生光生电子和光生空穴对。它们在PN结处的内 电场作用下作定向运动, 形成光电流。光的照度越大, 光电流越 大。 因此光敏二极管在不受光照射时, 处于截止状态, 受光照 射时, 处于导通状态。
当光敏电阻受到一定波长范围的光照时, 它的阻值（亮 电阻）急剧减少, 电路中电流迅速增大。 一般希望暗电阻越 大越好, 亮电阻越小越好,此时光敏电阻的灵敏度高。 实际 光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级, 亮电阻在几千欧以下。
图8 - 1 为光敏电阻的原理结构。它是涂于玻璃底板上 的一薄层半导体物质, 半导体的两端装有金属电极, 金属电 极与引出线端相连接, 光敏电阻就通过引出线端接入电路。 为了防止周围介质的影响, 在半导体光敏层上覆盖了一层漆 膜, 漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率 最大。
电阻在一定的电压范围内, 其I-U曲线为直线，说明其阻 值与入射光量有关, 而与电压、电流无关。
（2） 光谱特性光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的 关系称为光谱特性, 亦称为光谱响应。 图8 - 3 为几种不同材 料光敏电阻的光谱特性。 对应于不同波长, 光敏电阻的灵敏 度是不同的。从图中可见硫化镉光敏电阻的光谱响应的峰值 在可见光区域, 常被用作光度量测量（照度计）的探头。而 硫化铅光敏电阻响应于近红外和中红外区, 常用做火焰探测 器的探头。
表8-2列出几种硅光电二极管的特性参数。
三、
光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。 光电 池在有光线作用下实质就是电源, 电路中有了这种器件就不 需要外加电源。
光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”。 它实质上 是一个大面积的PN结, 当光照射到PN结的一个面, 例如p型面 时, 若光子能量大于半导体材料的禁带宽度, 那么p型区每吸 收一个光子就产生一对自由电子和空穴, 电子空穴对从表面 向内迅速扩散, 在结电场的作用下, 最后建立一个与光照强度 有关的电动势。 图8 - 11为工作原理图。
光敏晶体管与一般晶体管很相似, 具有两个PN结, 只是它 的发射极一边做得很大, 以扩大光的照射面积。图8 - 7为NPN 型光敏晶体管的结构简图和基本电路。大多数光敏晶体管的 基极无引出线, 当集电极加上相对于发射极为正的电压而不 接基极时, 集电结就是反向偏压；当光照射在集电结上时, 就 会在结附近产生电子-空穴对, 从而形成光电流, 相当于三极管 的基极电流。由于基极电流的增加, 因此集电极电流是光生 电流的β倍, 所以光敏晶体管有放大作用。
光电器件工作的物理基础是光电效应。 在光线作用下, 物体的电导性能改变的现象称为内光电效应, 如光敏电阻等 就属于这类光电器件。在光线作用下, 能使电子逸出物体表 面的现象称为外光电效应, 如光电管、光电倍增管就属于这 类光电器件。
在光线作用下, 能使电子逸出物体表面的现象称为外光 电效应, 如光电管、光电倍增管就属于这类光电器件。在光 线作用下, 能使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生 伏特效应, 即阻挡层光电效应, 如光电池、 光敏晶体管等就属 于这类光电器件。
２． 光敏电阻的主要参数
（１） 暗电阻光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻, 此时流过的电流称为暗电流。
（２） 亮电阻光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻, 此时流过的电流称为亮电流。
（３） 光电流亮电流与暗电流之差称为光电流。
３． 光敏电阻的基本特性
（1） 伏安特性在一定照度下, 流过光敏电阻的电流与光 敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。图8 - 2 为硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线。 由图可见, 光敏
第8章电式传感器
8.1 光电器件 8.2 光纤传感器 8.３ 红外传感器
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第8章 光电式传感器
8.1 光电器件
光电器件是将光能转换为电能的一种传感器件, 它是构 成光电式传感器最主要的部件。 光电器件响应快、结构简单、 使用方便, 而且有较高的可靠性, 因此在自动检测、计算机和 控制系统中, 应用非常广泛。
一、
１． 光敏电阻的结构与工作原理
光敏电阻又称光导管, 它几乎都是用半导体材料制成的 光电器件。 光敏电阻没有极性, 纯粹是一个电阻器件, 使用时 既可加直流电压, 也可以加交流电压。无光照时, 光敏电阻值 （暗电阻）很大, 电路中电流（暗电流）很小。
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（２） 伏安特性图8 - 9为硅光敏管在不同照度下的伏安特 性曲线。从图中可见, 光敏晶体管的光电流比相同管型的二极 管大上百倍。
（３） 温度特性光敏晶体管的温度特性是指其暗电流及 光电流与温度的关系。光敏晶体管的温度特性曲线如图8 - 10 所示。 从特性曲线可以看出, 温度变化对光电流影响很小, 而 对暗电流影响很大, 所以在电子线路中应该对暗电流进行温 度补偿, 否则将会导致输出误差。
（3） 温度特性温度变化影响光敏电阻的光谱响应, 同时, 光敏电阻的灵敏度和暗电阻都要改变, 尤其是响应于红外区 的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。 图8 - 4 为硫化铅光敏电 阻的光谱温度特性曲线, 它的峰值随着温度上升向波长短的 方向移动。因此, 硫化铅光敏电阻要在低温、恒温的条件下 使用。 对于可见光的光敏电阻, 其温度影响要小一些。
光敏二极管和光敏晶体管的材料几乎都是硅（Si）。在 形态上, 有单体型和集合型, 集合型是在一块基片上有两个以 上光敏二极管, 比如在后面讲到的CCD图像传感器中的光电 耦合器件, 就是由光敏晶体管和其它发光元件组合而成的。
２．
（１） 光谱特性光敏二极管和晶体管的光谱特性曲线如 图8 - 8所示。从曲线可以看出, 硅的峰值波长约为0.9 μm, 锗的 峰值波长约为1.5μm, 此时灵敏度最大, 而当入射光的波长增加 或缩短时, 相对灵敏度也下降。一般来讲, 锗管的暗电流较大, 因此性能较差, 故在可见光或探测赤热状态物体时, 一般都用 硅管。 但对红外光进行探测时, 锗管较为适宜。